KR101717567B1

KR101717567B1 - 연료전지 전압측정단자용 지르코니아-니켈 핀 및 그 제조방법

Info

Publication number: KR101717567B1
Application number: KR1020150110470A
Authority: KR
Inventors: 홍수표
Original assignee: 주식회사 유진텍; 홍수표
Priority date: 2015-08-05
Filing date: 2015-08-05
Publication date: 2017-03-20
Also published as: KR20170017095A

Abstract

본 발명은 연료전지 전압측정단자용 지르코니아-니켈 핀 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 연료전지 스택의 셀 전압을 측정하기 위한 단자 핀 의 파손과 분리판의 마모를 줄여 내구성을 향상시키고 단자 핀 및 분리판의 접촉 신뢰성을 향상키며 연료전지 셀 전압 측정 평가 시간을 보다 단축시킬 수 있는 연료전지 전압측정단자용 지르코니아-니켈 핀 및 그 제조방법에 관한 것이다.

Description

연료전지 전압측정단자용 지르코니아-니켈 핀 및 그 제조방법{Zirconia-nickel pin for voltage measuring terminal of fuel cell and the method of manufacturing the same}

연료전지는 수소 가스와 산소 가스를 이용하여 전기 화학적으로 전기를 생산하는 장치로서, 외부에서 연속적으로 공급되는 연료(수소) 및 공기(산소)를 전기화학반응에 의하여 직접 전기에너지와 열에너지로 변환시키는 장치이다.

이러한 연료전지는, 산화전극(anode)에서의 산화반응 및 환원전극(cathode)에서의 환원반응을 이용하여 전력(electric power)을 생성하게 된다. 이때, 산화 및 환원 반응을 촉진시키기 위해 백금 또는 백금-루테늄 금속 등을 포함하는 촉매층과 고분자 전해질막으로 구성된 막-전극 접합체(Membrane Electrode Assembly; MEA)가 사용되며 막-전극 접합체 양단으로 전도성 물질의 분리판이 체결되어 셀(CELL) 구조를 이루게 된다.

상기와 같은 셀 구조가 적층되어 연료전지 스택을 구성하게 되는데, 현재 상술한 연료전지는 대체 에너지(alternative energy source)로서 다양한 용도로 연구 및 사용되고 있으며, 대표적으로는 고분자 전해질막 연료전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell; PEMFC)를 들 수 있다.

고분자 전해질막 연료전지는 출력밀도 및 에너지 전환효율이 높고 소형화 및 밀폐화가 가능한 장점 등 다양한 장점을 가지고 있다. 때문에, 무공해 자동차, 가정용 발전 시스템, 이동통신장비, 군사용 장비, 의료기기 등 여러 가지 분야에서 대체에너지로 사용되고 있다.

한편, 일반적으로 연료전지 스택을 제조하기 위해서는, 다수의 셀을 적층시켜야 하고, 운전시 스택 성능의 저하, 예컨대 역전 현상 또는 단락이 발생하지 않도록 상기 적층된 다수의 셀 전압을 항상 측정하여야 한다.

즉, 이러한 연료 전지 스택의 셀 전압 측정은 연료 전지 스택에서 발생되는 전류와 전압 측정으로 이루어지는데, 특히, 각 셀(CELL)의 전압 측정은 스택 운전 시, 각 셀의 성능 및 특성을 나타내 주는 중요한 자료가 된다.

따라서, 연료 전지 스택이 최적의 상태로 안정적으로 운전되고 갑작스런 성능 감소에 따른 운전 정지의 방지를 위해선 각 셀의 전압을 정확하게 측정하고 모니터링 해야 하므로, 그에 따라 셀 전압 측정장치의 정확성이 요구된다.

종래 연료 전지의 스택 셀 전압 측정장치에 관한 특허기술을 살펴 보면, 연료전지 스택의 셀(CELL) 전압을 측정하기 위한 장치는, 지지판 위에 셀 전압핀을 실리콘으로 고정시키고, 스택의 분리판에 셀 전압 측정 핀의 선단을 접촉시키고 지지판을 고정시킨 후 셀 전압을 측정하였다.

특히, 한국등록특허 10-080096510에는 [도 1]과 같이, 다수의 연료 전지가 하나의 스택(2)으로 구성된 상태에서, 연료 전지 스택(2)의 셀 전극 전압을 측정하기 위해서는 전압 측정 모듈의 PCB 회로와 각 연료 전지 간을 연결하는 연결 단자가 필요하게 되는 바, 이러한 연결 단자는 도선(4)을 사용하고 있으며, 도선(4)의 접촉 단자(6)가 연료전지 스택을 구성하는 각 연료전지 흑연판을 각기 개별적으로 연결할 수 있도록 되어 있다.

그러나, 종래 연료전지 스택의 간격이 큰 경우에는 전압측정 단자 핀은 비교적 커서 단자 핀의 제작에 큰 어려움이 없지만, 연료전지 스택의 간격이 미세한 경우에는 미세한 단자 핀을 제작하기에 매우 어려움 문제점이 있었다.

본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위한 것으로, 크기가 매우 작은 연료전지 전압측정단자용 지르코니아-니켈 핀을 제공하는 것을 해결하고자 하는 과제로 한다.

본 발명은 상기 과제의 해결을 위하여, 지르코니아봉 끝단에 니켈 팁이 용접된 직경 0.8~1.5mm의 지르코니아-니켈 핀을 과제의 해결 수단으로 한다.

또한, 본 발명은 지르코니아봉 끝단부를 은(Ag)페이스트 조성물로 도포하고 소결하여 메탈라이징 처리하는 단계; 상기 메탈라이징 처리된 지르코니아봉 끝단부에 니켈팁을 조립하는 단계; 상기 조립된 지르코니아봉 끝단부 및 니켈팁을 무연납땜 용접하는 단계;를 포함하는 지르코니아-니켈 핀의 제조방법을 과제의 해결 수단으로 한다.

상기 은(Ag)페이스트 조성물은 은(Ag), 유리프릿, 셀룰로오스수지를 포함하여 조성되는 것을 과제의 해결 수단으로 한다.

상기 은(Ag)페이스트 조성물은 은(Ag) 80~90중량%, 유리프릿 2~4중량%, 셀룰로오스수지 6~18중량%를 포함하여 조성되는 것을 과제의 해결 수단으로 한다.

상기 은(Ag)페이스트의 은의 순도는 95~99.9%이며, 입도가 1nm~5㎛인 것을 과제의 해결 수단으로 한다.

상기 메탈라이징 처리하는 단계 전에 니켈팁의 접합강도를 극대화하기 위해 지르코니아봉 끝단부를 에칭하는 단계를 더 포함하는 것을 과제의 해결 수단으로 한다.

상기 메탈라이징 처리단계에서 은(Ag)페이스트 조성물의 소결온도는 750~900℃인 것을 과제의 해결 수단으로 한다.

상기 무연납땜 용접하는 단계에서 무연납땜온도는 200~400℃인 것을 과제의 해결 수단으로 한다.

본 발명의 연료전지 전압측정단자용 지르코니아-니켈 핀은 핀의 파손과 분리판의 마모를 줄여 내구성을 향상시키고 단자 핀 및 분리판의 접촉 신뢰성을 향상키며 연료전지 셀 전압 측정 평가 시간을 보다 단축시킬 수 있고, 특히 지르코니아-니켈 핀의 소결 온도가 낮아 핀의 열변형을 방지하는 우수한 효과가 있다.

도 1은 종래 연료 전지 스택의 셀 전극 전압 측정을 나타내는 도면
도 2는 본 발명에 따른 지르코니아-니켈 핀을 타나내는 도면
도 3은 본 발명에 따른 지르코니아-니켈 핀의 제조 공정도를 나타낸 도면

본 발명은 지르코니아봉 끝단에 니켈 팁이 용접되고 직경 0.8~1.5mm인 지르코니아-니켈 핀을 기술구성의 특징으로 한다.

또한, 본 발명은 지르코니아봉 끝단부를 은(Ag)페이스트 조성물로 도포하고 소결하여 메탈라이징 처리하는 단계; 상기 메탈라이징 처리된 지르코니아봉 끝단부에 니켈팁을 조립하는 단계; 상기 조립된 지르코니아봉 끝단부 및 니켈팁을 무연납땜 용접하는 단계;를 포함하는 지르코니아-니켈 핀의 제조방법을 기술구성의 특징으로 한다.

상기 은(Ag)페이스트 조성물은 은(Ag), 유리프릿, 셀룰로오스수지를 포함하여 조성되는 것을 기술구성의 특징으로 한다.

상기 은(Ag)페이스트 조성물은 은(Ag) 80~90중량%, 유리프릿 2~4중량%, 셀룰로오스수지 6~18중량%를 포함하여 조성되는 것을 기술구성의 특징으로 한다.

상기 은(Ag)페이스트의 은의 순도는 95~99.9%이며, 입도가 1nm~5㎛인 것을 기술구성의 특징으로 한다.

상기 메탈라이징 처리하는 단계 전에 니켈팁의 접합강도를 극대화하기 위해 지르코니아봉 끝단부를 에칭하는 단계를 더 포함하는 것을 기술구성의 특징으로 한다.

상기 메탈라이징 처리단계에서 은(Ag)페이스트 조성물의 소결온도는 750~900℃인 것을 기술구성의 특징으로 한다.

상기 무연납땜 용접하는 단계에서 무연납땜온도는 200~400℃인 것을 기술구성의 특징으로 한다.

이하에서는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 바람직한 도면을 통하여 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 여기에서 설명하는 도면에 한정되지 않는다.

우선, [도 2]를 참조하면, 본 발명의 연료전지 전압측정단자용 지르코니아-니켈 핀은 지르코니아봉(20) 끝단에 니켈 팁(10)이 용접되고 직경이 0.8~1.5mm인 것이다.

지르코니아, 특히, 결정 상전이의 양을 조정하여 조직ㆍ미세구조를 컨트롤한 안정화 지르코니아(PSZ)는 고강도이고, 세라믹의 결점인 취약성도 크게 개선된 것이며, 큰 음이온 전도성을 나타내는 사실이 발견되어 고체 전해질로서의 이용, 특히 우수한 산소 센서로 널리 이용된다.

또한, 세라믹의 최대 결점이었던 취성(brittleness)을 극복한 최초의 세라믹으로서, 내마모성, 경도, 내식성 등의 장점을 살려 공구ㆍ절삭용 등 외에도 기계 부품 등에 대한 용도가 늘어나고 있다. 또 열팽창률이 주철에 가깝고 단열성도 뛰어나기 때문에 디젤엔진의 부품으로 금속재료와 조합하여 이용된다.

본 발명에서는 지르코니아의 이러한 성질을 이용하여 연료전지 전압측정단자 핀으로 사용한다.

니켈은 우수한 전기전도체로서 철보다 우수하며, 내부식성이 우수하여 본 발명에서는 이러한 니켈을 지르코니아에 용접하여 지르코니아-니켈 핀을 제조한다.

그러나, 직경이 0.8~1.5mm크기의 매우 작은 지르코니아-니켈 핀의 제조를 위해서 지르코니아를 1,100℃ 이상으로 소결하는 경우에는 지르코니아의 높은 융점(2677℃)과 낮은 열전도율 때문에 뛰어난 내열재료로 주목을 받아 왔지만 약 1100℃에서 단사정-정방정 상전이로 기인한 체적 변화가 있는 문제가 있다.

이에 따라 본 발명에서는 1,100℃보다 훨씬 저온인 750~900℃에서 소결하여 변형이 발생되지 않는 지르코니아-니켈 핀을 제조하는 것을 특징적 구성으로 한다.

즉, [도 3]을 참조하면, 본 발명의 지르코니아-니켈 핀의 제조방법은 지르코니아봉 끝단부를 은(Ag)페이스트 조성물로 도포하고 소결하여 메탈라이징 처리하는 단계; 상기 메탈라이징 처리된 지르코니아봉 끝단부에 니켈팁을 조립하는 단계; 상기 조립된 지르코니아봉 끝단부 및 니켈팁을 무연납땜 용접하는 단계;를 포함하여 구성된다.

상기 방법에서 사용되는 은(Ag)페이스트 조성물은 은(Ag), 유리프릿, 셀룰로오스수지를 포함하여 조성되며, 바람직하게는 상기 은(Ag)페이스트 조성물은 은(Ag) 80~90중량%, 유리프릿 2~4중량%, 셀룰로오스수지 6~18중량%를 포함하여 조성되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 은(Ag)페이스트의 은의 순도는 95~99.9%이며, 입도가 1nm~5㎛인 것을 사용하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 메탈라이징 처리하는 단계 전에 지르코니아봉 끝단부를 에칭하는 단계를 더 포함하여 니켈팁의 접합강도를 향상시키는 것도 가능하다.

상기 메탈라이징 처리단계에서 은(Ag)페이스트 조성물의 소결온도는 750~900℃으로 하여 열변형을 방지하고, 상기 납땜 용접하는 단계에서 납땜온도는 200~400℃으로 하는 것이 바람직하다.

이상의 설명은 본 발명의 기술사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 도면은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 도면에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims

지르코니아봉 끝단에 니켈 팁이 용접되고 직경이 0.8~1.5mm인 것을 특징으로 하는 지르코니아-니켈 핀
지르코니아봉 끝단부를 은(Ag)페이스트 조성물로 도포하고 소결하여 메탈라이징 처리하는 단계; 상기 메탈라이징 처리된 지르코니아봉 끝단부에 니켈팁을 조립하는 단계; 상기 조립된 지르코니아봉 끝단부 및 니켈팁을 무연납땜 용접하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 지르코니아-니켈 핀 제조방법
제2항에 있어서,
상기 은(Ag)페이스트 조성물은 은(Ag), 유리프릿, 셀룰로오스수지를 포함하여 조성되는 것을 특징으로 하는 지르코니아-니켈 핀 제조방법
제3항에 있어서,
상기 은(Ag)페이스트 조성물은 은(Ag) 80~90중량%, 유리프릿 2~4중량%, 셀룰로오스수지 6~18중량%를 포함하여 조성되는 것을 특징으로 하는 지르코니아-니켈 핀 제조방법
제4항에 있어서,
상기 은(Ag)페이스트의 은의 순도는 95~99.9%이며, 입도가 1nm~5㎛인 것을 특징으로 하는 지르코니아-니켈 핀 제조방법
제2항에 있어서,
상기 메탈라이징 처리하는 단계 전에 지르코니아봉 끝단부를 에칭하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 지르코니아-니켈 핀 제조방법
제2항에 있어서,
상기 메탈라이징 처리단계에서 소재변형을 방지하기 위한 은(Ag)페이스트 조성물의 소결온도는 750~900℃인 것을 특징으로 하는 지르코니아-니켈 핀 제조방법
제2항에 있어서,
상기 무연납땜 용접하는 단계에서 무연납땜온도는 200~400℃인 것을 특징으로 하는 지르코니아-니켈 핀 제조방법
제2항 내지 제8항중 어느 한 항의 지르코니아-니켈 핀 제조방법에 따라 제조된 것을 특징으로 하는 지르코니아-니켈 핀