KR20100102358A - 일체형 연료전지 기체확산층 물성 평가 장치 - Google Patents

일체형 연료전지 기체확산층 물성 평가 장치 Download PDF

Info

Publication number
KR20100102358A
KR20100102358A KR1020090020698A KR20090020698A KR20100102358A KR 20100102358 A KR20100102358 A KR 20100102358A KR 1020090020698 A KR1020090020698 A KR 1020090020698A KR 20090020698 A KR20090020698 A KR 20090020698A KR 20100102358 A KR20100102358 A KR 20100102358A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
diffusion layer
gas diffusion
fuel cell
gas
specimen
Prior art date
Application number
KR1020090020698A
Other languages
English (en)
Other versions
KR101154224B1 (ko
Inventor
윤영균
권회준
서인보
Original Assignee
주식회사 리빙케어
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 주식회사 리빙케어 filed Critical 주식회사 리빙케어
Priority to KR1020090020698A priority Critical patent/KR101154224B1/ko
Publication of KR20100102358A publication Critical patent/KR20100102358A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR101154224B1 publication Critical patent/KR101154224B1/ko

Links

Images

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02Details
    • H01M8/0202Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H01M8/023Porous and characterised by the material
    • H01M8/0234Carbonaceous material
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01BMEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B5/00Measuring arrangements characterised by the use of mechanical techniques
    • G01B5/02Measuring arrangements characterised by the use of mechanical techniques for measuring length, width or thickness
    • G01B5/06Measuring arrangements characterised by the use of mechanical techniques for measuring length, width or thickness for measuring thickness
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01RMEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R27/00Arrangements for measuring resistance, reactance, impedance, or electric characteristics derived therefrom
    • G01R27/02Measuring real or complex resistance, reactance, impedance, or other two-pole characteristics derived therefrom, e.g. time constant
    • G01R27/20Measuring earth resistance; Measuring contact resistance, e.g. of earth connections, e.g. plates
    • GPHYSICS
    • G05CONTROLLING; REGULATING
    • G05DSYSTEMS FOR CONTROLLING OR REGULATING NON-ELECTRIC VARIABLES
    • G05D23/00Control of temperature
    • G05D23/19Control of temperature characterised by the use of electric means
    • G05D23/20Control of temperature characterised by the use of electric means with sensing elements having variation of electric or magnetic properties with change of temperature
    • G05D23/22Control of temperature characterised by the use of electric means with sensing elements having variation of electric or magnetic properties with change of temperature the sensing element being a thermocouple
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells

Landscapes

  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Automation & Control Theory (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

본 발명은 연료전지 셀 또는 스택의 핵심구성품인 기체확산층(GDL, gas diffusion layer)의 물성 및 성능을 평가하는 장치에 관한 것으로, 구체적으로는 연료전지의 기체확산층 물성 및 성능 측정 시 압력에 따른 길이, 저항, 차압 등의 물성변화를 동시에 측정하고, 기체가 시편과 직각(through-plane) 및 평행(in-plane) 방향으로 통과되는 투과도 모두를 측정할 수 있을 뿐만 아니라, 열전반도체 모듈(thermoelectric module, 50)을 이용한 열전유닛(thermoelectric unit)을 적용하여 인입되는 기체의 온도 및 습도를 조절할 수 있는 장치를 제공하는 데 그 목적이 있다.
연료전지의 단위 셀 또는 스택 내에서 기체확산층은 반응기체와 생성물인 물의 이동 통로이며 열전도, 전기전도가 일어나는 매체로 실제 운전 시 기체확산층은 체결 압을 받기 때문에 체결 상태에서 일어나는 물성변화를 측정 및 평가하는 것은 매우 중요하다 할 수 있다. 또한 연료전지에서 체결 압의 정도가 연료전지 성능에 미치는 영향이 매우 크기 때문에 최적 체결 조건을 아는 것은 매우 중요하다. 이러한 최적 체결 조건은 압력에 따른 두께와 접촉저항, 기체투과도의 최적 구간 안에서 찾을 수 있으며. 인입되는 기체의 온도 및 습도 조절은 상기 특성을 측정 및 평가하는데 있어서 필수적인 요소이다. 이는 연료전지 운전 시 효율 최적화를 위해 가열된 기체를 공급하게 되고, 아울러 고분자 막의 수화(hydration)를 위해 가습공기를 공급하므로 온도 및 상대습도에 따른 기체확산층 내에서의 기체유동 특성을 이해하는 것은 상당히 중요하기 때문이다.
연료전지, 기체확산층, 기체투과도, 물성 평가 장치, 열전모듈, 열전유닛

Description

일체형 연료전지 기체확산층 물성 평가 장치{Integrated multi-measurement apparatus for gas diffusion layer of fuel cell}
본 발명은 연료전지의 단위 셀 또는 스택의 핵심구성품인 기체확산층의 압력에 따른 길이, 저항, 차압 등을 인입되는 기체의 온도 및 습도 조절이 가능한 상태에서 측정하는 물성 평가 장치에 관한 것으로서, 기체확산층의 여러 가지 물성을 동시에 측정할 수 있는 장치에 관한 것이다.
연료전지는 공급 원료인 수소와 산소의 전기화학적 반응을 이용하여 전기에너지를 생산하는 고효율, 친환경의 차세대 발전시스템이라고 할 수 있으며, 산화환원 반응을 이용한다는 점에서 기본적으로는 보통의 화학전지와 같지만, 닫힌 계 내에서 전지반응을 하는 화학전지와 달리 연료전지는 외부에서 연속적으로 반응물이 공급되어 반응생성물이 연속적으로 계 외로 제거된다.
이러한 연료전지의 종류를 살펴보면 크게 인산형(PAFC), 알칼리형(AFC), 고분자전해질형(PEFC), 용융탄산염형(MCFC), 고체산화물형(SOFC) 등이 있으며, 본 발명과 관련한 연료전지는 고분자전해질 연료전지이다.
고분자전해질 연료전지의 주요 구성품은 고분자전해질 막과 다공질의 양 극(anode)과 음극(cathode), 기체확산층(30) 그리고 셀 또는 스택을 구성하기 위한 분리판(32) 및 전류집전판(33)으로 이루어져 있다. 특히 양극과 음극의 두 전극을 고분자전해질 막에 열간 압착 방법으로 부착시킨 것을 고분자전해질 막 전극접합체(Membrane Electrode Assembly, MEA)라고 하는데 이러한 MEA(31)의 구성과 성능이 고분자전해질 연료전지의 핵심이라고 할 수 있다.
연료전지 스택(40)은 전기화학반응이 일어나는 단위 셀(unit cell)을 수십 또는 수백 개씩 적층하여 구성하게 되는데 단위 셀이나 스택은 구성품간의 접촉저항을 줄이기 위하여 양쪽 끝판(end plate)을 타이로드(tie rod)나 공기압으로 압착하게 되어 있다. 양쪽 끝판에는 반응기체의 출구 및 입구 냉각수 순환구, 전원 출력을 위한 연결단자가 설치되어 있다.
도 3은 고분자전해질 연료전지 스택에 대한 구체적인 구조를 확인할 수 있는 분해사시도이다. 도 3에서 보는바와 같이 양측 단에는 전류집전체(current collector, 33)가 있고, 가운데에는 고분자전해질 막 전극 접합체(Membrane Electrode Assembly, MEA, 31)가 있으며, 전류집전체와 고분자전해질 막 전극 접합체 사이에는 기체확산층(30)이 각각 위치하고 있는 모습을 확인할 수 있다. 또한 각각의 전류집전체는 분리판(32)과 기체 입구 및 출구관이 형성되어 있음을 알 수 있다.
도 4는 연료전지 시스템의 개념도를 나타낸 것이다. 연료전지 시스템은 연료전지 스택(40), 전력변환장치(inverter, 42), 연료처리장치(개질기, reformer, 41), 주변장치(BOP, balance of plant) 등으로 구성되며 연료전지의 핵심 구성품이 라고 할 수 있는 연료전지 스택(40)은 전극-전해질 막(MEA) 및 기체확산층(30), 분리판(32) 등을 포함하는 단위 셀의 적층구조로 이루어져 있다.
고분자전해질 연료전지는 높은 출력밀도 및 100℃ 이하의 낮은 작동온도와 전해질의 높은 부식 저항성 등의 장점을 비롯하여 설치장소의 제약이 적고, 설비 구조의 단순화가 가능하며 편리한 운전 안정성 및 높은 반복 작동 안전성, 상온에서의 작동 및 짧은 시동 시간 등의 장점을 지니고 있어 산업용뿐만 아니라, 주거용, 승용차용, 버스용, 상업용으로의 적용이 가능하고, 1Kw 미만의 소형 연료전지 및 서브 와트(sub watt)급의 IT용까지 넓은 범위의 제품에 적용할 수 있다.
상기에 언급한 단위 셀 또는 스택 내에서 기체확산층(30)은 반응기체와 생성물인 물의 이동 통로이며 열전도, 전기전도가 일어나는 매체로 실제 운전 시 기체확산층(30)은 체결 압을 받기 때문에 체결 상태에서 일어나는 물성변화를 측정 및 평가하는 것은 매우 중요하다 할 수 있다.
기체확산층(30)의 재질은 carbon paper, carbon felt, carbon cloth 등으로 이루어져 있으며, 연료전지의 전체 스택(40)에서 기체확산층(30)이 차지하는 가격 비중이 25%에 이를 정도로 중요한 핵심 구성품 중의 하나이다.
이러한 기체확산층(30)은 전극으로 공급되는 연료가 원활히 공급되고, 생성된 물 및 전기가 외부로 배출되는 통로 역할을 하게 되며 전기전도도, 수분 및 기체의 이동성이 좋아야하며 부식 저항성과 열전도도 등이 매우 우수하여야 한다.
연료전지 스택 설계 및 제작에 있어서 이러한 기체확산층(30)의 기초 물성 값(두께, 접촉 저항, 기체투과도, 압축도)은 매우 중요한 인자이며, 기초 물성 각각에 대한 측정이 가능한 장치는 현재도 존재한다. 하지만 실제 스택 체결 조건에서는 물성 값이 동시에 변하기 때문에 개별 물성 값보다 실제 체결 조건에서 가지는 물성 값을 동시에 파악하는 것이 연료전지 스택(40)의 최적 설계 및 제작에 필수적인 요소이다.
또한 종래의 기체확산층(30) 평가 장치에서의 기체투과도 측정은 시편과 직각 방향으로 통과하는 투과도(through-plane permeability)만이 가능하여, 시편과 평행 방향으로 가로질러 통과하는 투과도(in-plane permeability)는 측정하지 못하는 단점이 있다. 기체가 시편과 가로질러 통과하는 in-plane 투과도는 기체확산층(30)의 물성 값 자체로도 중요할 뿐만 아니라, 분리판(32) 설계 및 컴퓨터 시뮬레이션을 할 때 기체확산층(30)으로의 우회 유동을 예측하는데 있어서 매우 중요한 인자로 사용된다.
또한 연료전지 운전 시 고분자 막의 수화(hydration)를 위해 가습된 공기를 공급하므로 상대습도에 따른 기체확산층(30) 내에서의 기체 유동 특성을 이해하는 것은 중요하다. 하지만 종래의 기체확산층(30) 평가 장치의 경우 상대습도를 정확히 제어할 수 있는 것이 전무한 상태이다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 본 발명에서는 연료전지의 기체확산층(30) 물성 평가 시 체결 압력에 따른 물성 변화를 동시에 측정 가능하게 하고, 기체가 시편과 직각 방향으로 통과하는 through-plane 투과도뿐만 아니라 시편과 평행 방향으로 가로질러 통과하는 in-plane 투과도를 측정할 수 있는 장비를 제공하고자 한다. 아울러 기체확산층(30)의 압력에 따른 두께, 저항, 차압 등의 변화를 동시에 측정 가능하게 함으로서 압력에 따른 두께와 접촉 저항과 기체투과도의 최적 구간을 쉽게 파악할 수 있게 됨으로서 연료전지 성능에 미치는 영향이 매우 큰 최적의 체결 조건을 찾을 수 있다.
또한 본 발명의 장치에 있어서 기체확산층(30) 물성 평가 장치 시스템의 온도 조절이 가능하고, 열전모듈(50)을 사용한 열전유닛을 이용하여 인입되는 기체에 포함된 수분량을 조절하여 상대습도에 따른 기체확산층(30)의 차압 거동을 측정할 수 있으며, 부가적으로 필요에 따라 인입되는 기체의 온도를 조절할 수 있는 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 바와 같이 종래의 기체확산층(30) 물성 평가 장치가 가지는 단점을 제거하고자 하는 본 발명의 일체형 연료전지 기체확산층(30) 물성 평가 장치에 있어서, 기체확산층 시편(26)에 압력을 가하는 모터(10) 및 로드(70)와;
모터(10) 및 로드(70)의 가압에 따라 하강하여 기체확산층 시편(26)을 고정할 수 있는 도금된 상부 지그(20)의 윗면을 가압하도록 구성되고, 두께 변화를 측정할 수 있는 두께 게이지(thickness gauge, 80))가 고정 설치된 플레이트(90)와;
모터(10)와 로드(70)의 가압에 따라 하강하는 플레이트(90)의 하부와 접촉되어 하부 방향에 위치한 기체확산층 시편(26)을 가압하고, 공급된 기체가 기체확산층(30) 및 내부 통로를 지난 후 배출되는 기체 출구(22)가 있으며, 도금된 표면 한 지점에는 밀리옴 미터(mili-ohm meter)와의 연결 단자부(24)가 형성된 상부 지그(20)와;
상부 지그(20) 하부에 설치되어 기체확산층 시편(26)에 가해지는 압력을 지지하고 한 면에 기체확산층 시편(26)에 기체를 공급하는 기체 입구(23)가 형성되어 공급된 기체가 내부 통로를 지난 후 기체확산층 시편(26)을 통과하도록 구성되며, 한 지점에는 밀리옴 미터와의 연결 단자부(24)가 형성된 도금된 하부 지그(21)와;
상기 기체확산층 시편(26)을 고정할 수 있는 도금된 상부 및 하부 지그(20, 21)에 각각 설치된 밀리옴 미터 연결 단자부(24)와 전선으로 연결되어 저항을 측정하는 밀리옴 미터와;
내부에 로드 인디케이터(load indicator), 모터 스피드 컨트롤러(motor speed controller) 및 로드 컨트롤러(load controller)가 장치되어 있으며 모터(10) 및 로드(70)에 의해 가압된 기체확산층 시편(26)의 in-plane과 through- plane에서의 차압을 측정하는 차압측정계로 구성되어 있는 컨트롤 박스(control box, 60)와;
컨트롤 박스(60)를 통해 전달되는 정보를 실시간으로 받아 자료를 취합하고 해석할 수 있는 프로그램이 설치된 컴퓨터(중앙처리장치, 61)와;
기체확산층 물성 평가 장치 하단에 설치되어 인입되는 기체의 온도 및 상대습도를 조절할 수 있는 열전모듈(50)을 사용한 열전유닛을 특징으로 하는 연료전지 단위 셀 또는 스택의 핵심 구성품인 기체확산층(30)의 압력에 따른 두께, 저항, 차압 등을 동시에 측정할 수 있는 물성 평가 장치를 제공함으로서 달성된다.
본 발명에 있어서 연료전지 기체확산층(30)의 물성을 체결 압력에 따라서 두께, 접촉 저항 및 기체투과도 등을 동시에 측정할 수 있게 됨으로서 실제 체결 조건에서의 기체확산층(30) 물성 값 변화 거동을 평가할 수 있게 되어 연료전지 단위 셀 또는 스택(40) 설계 및 제작 등에 매우 유용한 평가 자료로 활용할 수 있다.
아울러 측정된 평가 자료를 실시간으로 받아서 분리 및 해석을 함으로서 신뢰성 있는 데이터 구축 및 사용자 편의성을 극대화 할 수 있다.
또한 연료전지 기체확산층(30) 물성 평가 장치 시스템의 온도를 조절하고 상대습도에 따라 기체확산층(30)에 걸리는 차압을 측정할 수 있게 됨으로서 실제 연료전지 스택(40) 체결 조건과 유사하게 환경을 조성할 수 있게 되어 유용하고 정확한 기체확산층(30)의 물성 값을 바탕으로 최적의 연료전지 체결 조건을 잡을 수 있으며 기체확산층(30) 내의 이상 유동(two phase)을 이해할 수 있다.
또한 기체확산층(30)으로의 우회 유동이 연료전지 성능에 미치는 영향을 알 수 있게 되어 이를 바탕으로 균일한 기체 분포를 위한 분리판(32) 설계 및 제작 시 유용한 자료로 활용될 수 있기에 산업 상 그 효용성이 매우 기대되는 발명으로 사료된다.
또한 정밀 온도 및 습도 제어가 가능한 열전유닛을 장치 하단에 설치하여 인입되는 기체의 온도 및 습도를 정밀하게 제어할 수 있게 됨으로서, 매우 신뢰성 있는 기체확산층(30) 물성 값을 획득할 수 있다.
본 발명을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다. 도 1은 본 발명에서 이루고자 하는 일체형 연료전지 기체확산층(30) 물성 평가 장치의 개략적인 장치 구성도이다. 도 1에 나타낸 바와 같이 본 발명은 연료전지 기체확산층(30) 물성 평가 장치에 있어서, 기체확산층 시편(26)에 압력을 가하는 모터(10) 및 로드(70)와;
모터(10) 및 로드(70)의 가압에 따라 하강하여 기체확산층 시편(26)을 고정하기 위한 상부 지그(20)의 윗면을 가압하도록 구성하고, 윗면에는 두께 변화를 측정할 수 있는 두께 게이지(80)가 고정 설치된 플레이트(90)와;
플레이트(90)에 고정되어 있으며 압력에 따른 기체확산층 시편(26)의 두께 변화를 측정하는 두께 게이지(80)와;
모터(10) 및 로드(70)의 가압에 따라 하강하는 플레이트(90)의 하부와 접촉되어 하부 방향에 위치한 기체확산층 시편(26)을 가압하고, 어느 한 면 이상에 기 체확산층 시편(26)을 통과한 기체가 내부 통로를 지난 후 배출되는 기체출구(22)가 형성되며, 도금된 표면의 일 지점에는 밀리옴 미터와의 연결단자부(24)가 형성된 상부 지그(20)와;
상부 지그(20) 하부에 설치되어 기체확산층 시편(26)에 가해지는 압력을 지지하고 한 면에 기체확산층 시편(26)에 기체를 공급하는 기체입구(23)가 형성되어 공급된 기체가 내부 통로를 지난 후 기체확산층 시편(26)을 통과하도록 구성되며, 일 지점에는 밀리옴 미터와의 연결단자부(24)가 형성된 하부 지그(21)와;
상부 지그(20)와 하부 지그(21)에 각각 설치된 밀리옴 미터 연결단자부(24)와 전선으로 연결되어 저항을 측정하는 밀리옴 미터와;
내부에 로드 인디케이터, 모터 스피드 컨트롤러, 로드 컨트롤러가 장착되어 있으며 모터(10) 및 로드(70)에 의해 가압된 기체확산층 시편(26)의 in-plane과 through-plane에서의 차압을 측정하는 차압측정계로 구성된 컨트롤 박스(60)와;
체결 압력에 따른 두께, 저항, 차압 등의 측정된 자료를 가공하고 분석하는 중앙처리장치(61)와;
개질기(41) 또는 평가를 위한 별도의 기체(수소, 공기 등)를 온도 및 습도를 조절한 상태에서 기체확산층 시편(26)용 하부 지그(21)의 기체입구(23)로 보내게 될 열전모듈(50)을 사용한 열전유닛과;
상기 열전모듈(50)을 사용한 열전유닛은 열교환부(52)와 외부에서 인입된 기체의 온도 및 습도를 조절할 수 있는 플레이트(51)로 구성되어 있다.
도 2는 본 발명에 따라 기체가 기체확산층 시편(26)의 직각 방향으로 통과하 는 투과도 및 시편의 평행 방향으로 가로질러 통과하는 투과도 측정 시의 개념도를 도시하고 있다.
상기 상부 지그(20)에 형성된 기체출구(22)는 양측에 형성되어 기체출구(22) 밸브의 선택적 개폐에 따라 기체가 기체확산층 시편(26)의 직각 방향으로 통과할 때와 평행 방향으로 가로질러 통과할 때 걸린 차압을 측정토록 구성된다. 여기서 기체출구(22) 밸브의 선택적 개폐는 수동 및 자동으로 개폐가 가능하도록 구성한다.
상기 상부 및 하부 지그(20, 21)는 저항 측정을 위해 금도금되어 구성된다. 즉, 상부 지그(20)의 기체출구(22b) 밸브를 닫으면 기체는 하부 지그(21)의 기체입구(23)를 통해 공급된 후 시편을 가로지른 후 기체출구(22a)를 통해 배출되는데, 이 경우는 in-plane에 의한 차압을 측정하게 되고,
상부 지그(20)의 기체출구(22a)의 밸브를 닫으면 기체는 하부 지그(21)의 기체입구(23)를 통해 공급된 후 기체확산층 시편(26)을 통과한 후 기체출구(22b)를 통해 배출되는데, 이 경우는 through-plane에 의한 차압을 측정하게 된다.
보다 구체적으로 설명하자면 기체입구(23)는 열전유닛의 온도 및 습도를 조절할 수 있는 플레이트(51)에 장착된 기체출구(55a)와 연결되어 있으며 연결 튜브 중간에 T자 관을 달아 한 쪽은 기체입구(23)로 들어가고 다른 한 쪽은 컨트롤 박스(60) 안에 있는 차압계의 inlet과 연결되도록 구성되어 있다. 이 때, 열전유닛의 플레이트(51)에 장착된 기체입구(55b)는 mFC(Mass Flow Controller)에 연결되어 있으며 경우에 따라서 이러한 mFC는 기체확산층 시편(26)을 고정할 수 있는 하부 지 그(21)에 장착된 기체입구(23)에 연결하여 사용할 수 있다.
또한 상기 상부 지그(20) 및 하부 지그(21)를 일정한 온도조건 하에서 상대습도에 따른 길이, 저항, 차압 등을 동시에 측정하기 위해 온도조절수조(90) 내부에 설치하고, 기체확산층 시편(26) 둘레에 오링(25)을 설치하여 밀봉한 상태에서 물 속에서 측정할 수 있다. 이와 같이 온도조절수조(90) 내부에 설치하여 평가가 가능하게 한 이유는 시스템을 일정한 온도로 조절, 유지하여 상대습도를 조절하기 위해서이며 부가적으로 온도를 조절하기 위하여 상부 및 하부 지그(20, 21)를 전기적인 히터 등으로 가열할 수 있게 구성된다.
그러나, 온도조절수조(90)를 설치하여 평가하는 것은 번거롭고 장치가 복잡해지며, 제어하기가 까다롭고 평가하는데 소요되는 시간이 오래 걸리는 단점이 존재한다. 따라서 장비 하부에 설치된 열전모듈(50)을 사용한 열전유닛의 보조수단 및 열전유닛의 불량 또는 고장 시에 대체 수단으로서 고려하는 것이 바람직할 것이다.
상기 열전유닛은 전기에너지를 받아 열에너지로 변환하여 사용할 수 있는 열전모듈(50)과 외부에서 인입되는 기체의 온도 및 습도를 조절할 수 있는 플레이트(51)와 열전모듈(50)의 발열부와 접촉하여 외부로 열 교환할 수 있는 열교환부(52)와 열전모듈(50)과 플레이트(51) 사이에 장착되어 열교환부(52)에서 플레이트(51)로 열이 복사되어 들어오는 양을 줄이기 위한 space block(54)과 열교환부(52)와 플레이트(51) 사이의 빈 공간을 메워 열교환부(52)로부터 플레이트(51)로 열이 복사되는 것을 방지하기 위한 단열재(53)로 구성되어 진다.
여기서 열교환부(52)는 통상적으로 방열판(52a)과 방열팬(52b)으로 구성되어지며, 경우에 따라서 수냉블락, 액체질소, 히트파이프 등으로 대체할 수 있다.
또한, 외부에서 인입되는 기체의 온도 및 습도를 조절하는 플레이트(51)는 방열판 등으로 대체할 수 있으며, 내부 유로는 설계 변경 사양이다. 아울러, 사용되는 열전모듈(50)의 경우에, 필요 용량에 따라 선택되어질 수 있으며, 사용 개수에 제약이 없다.
상기 열전유닛은 정밀한 온도 및 습도 제어 컨트롤러에 의해 제어되어지며, 본 발명의 중앙처리장치(61)와 연결되어 제어가 용이하도록 구성할 수 있다.
본 발명에 있어서 하부 지그(21) 위에는 기체확산층 시편(26)의 위치가 표시되어 있으며, 추가적으로 보다 엄밀한 정렬을 위한 치구로 아크릴 또는 아세탈 반원판을 삽입하여 정확한 위치에 놓을 수 있도록 구성하였다.
상기 본 발명의 두께 게이지(80)는 요구되어지는 해상도에 따라 선택되어질 수 있으며, 압력에 따른 두께 변화를 측정한다. 즉 두께 게이지(80)가 부착된 플레이트(90)가 하강하면 두께 게이지의 유동부(81)와 맞닿는 부분(82)과 닿게 되며 플레이트(90)가 움직인 만큼 두께 게이지(80)에 나타나게 된다.
상기 본 발명의 모터(10) 및 로드(70)는 압력을 조절할 수 있으며, 스텝핑 모터를 사용하여 압력을 조절하며 상부 지그 및 하부 지그(20, 21)에 놓여지는 기체확산층 시편(26)은 크기에 따라 평가가 가능하도록 설계되어진다.
도 1 연료전지 기체확산층 물성 평가 장치에 개략적인 장치 구성도
도 2 기체확산층 시편에 대한 through-plane 및 in-plane에 대한 투과도 측정에 대한 개념도
도 3 고분자전해질 연료전지 분해사시도
도 4 연료전지 시스템의 개념도
도 5 열전모듈을 사용한 열전유닛의 개념도

Claims (4)

  1. 도 1에 도시된 세부 내용 및 장치 구성을 포함하는 연료전지 기체확산층(30)의 압력에 따른 길이, 접촉 저항, 차압 등을 측정하는 연료전지 기체확산층 물성 평가 장치
  2. 제 1항에 있어서, 도금된 상부 지그(20) 양측에 기체출구(22)를 형성하고 기체출구(22) 밸브의 개폐에 따라 기체확산층 시편(26)의 through-plane이나 in-plane에 걸린 차압을 측정하도록 구성된 것을 특징으로 하는 연료전지 기체확산층 물성 평가 장치
  3. 제 1항에 있어서 인입되는 기체의 온도 및 습도를 조절할 수 있는 열전모듈(50)을 사용한 열전유닛을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 기체확산층 물성 평가 장치
  4. 제 3항에 있어서 열전유닛의 열교환부(52)는 히트 싱크(heat sink), heat pipe, 방열팬(cooling fan), 수냉 블럭, 워터 자켓, 액체질소, 냉매 등을 사용하는 것을 특징으로 하는 연료전지 기체확산층 물성 평가 장치
KR1020090020698A 2009-03-11 2009-03-11 일체형 연료전지 기체확산층 물성 평가 장치 KR101154224B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020090020698A KR101154224B1 (ko) 2009-03-11 2009-03-11 일체형 연료전지 기체확산층 물성 평가 장치

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020090020698A KR101154224B1 (ko) 2009-03-11 2009-03-11 일체형 연료전지 기체확산층 물성 평가 장치

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20100102358A true KR20100102358A (ko) 2010-09-24
KR101154224B1 KR101154224B1 (ko) 2012-06-18

Family

ID=43007467

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020090020698A KR101154224B1 (ko) 2009-03-11 2009-03-11 일체형 연료전지 기체확산층 물성 평가 장치

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR101154224B1 (ko)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101301226B1 (ko) * 2011-08-17 2013-08-28 포항공과대학교 산학협력단 가스 확산층의 물투과 압력 측정 방법
KR20150114646A (ko) * 2014-04-01 2015-10-13 현대자동차주식회사 연료전지용 기체확산층의 계면 강도 측정 장치 및 방법
WO2018038550A1 (ko) * 2016-08-25 2018-03-01 주식회사 엘지화학 고체 산화물 연료전지용 지그 모듈

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101448767B1 (ko) * 2012-12-27 2014-10-13 현대자동차 주식회사 연료전지 스택의 진단 및 열관리 시스템

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH09283168A (ja) * 1996-04-11 1997-10-31 Tanaka Kikinzoku Kogyo Kk 高分子固体電解質型燃料電池用セパレータのガス透過試験装置
JP2000214069A (ja) * 1999-01-25 2000-08-04 Sony Corp 気体透過評価装置
JP3931657B2 (ja) * 2002-01-04 2007-06-20 トヨタ自動車株式会社 燃料電池の性能評価装置
KR100902316B1 (ko) * 2007-12-11 2009-06-12 한국에너지기술연구원 연료전지에서 쓰이는 기체확산층의 압력에 따른 길이,저항, 차압 등을 측정하는 물성평가장치

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101301226B1 (ko) * 2011-08-17 2013-08-28 포항공과대학교 산학협력단 가스 확산층의 물투과 압력 측정 방법
KR20150114646A (ko) * 2014-04-01 2015-10-13 현대자동차주식회사 연료전지용 기체확산층의 계면 강도 측정 장치 및 방법
US9846113B2 (en) 2014-04-01 2017-12-19 Hyundai Motor Company Interfacial adhesion strength measuring apparatus and method of a gas diffusion layer for fuel cells
WO2018038550A1 (ko) * 2016-08-25 2018-03-01 주식회사 엘지화학 고체 산화물 연료전지용 지그 모듈
KR20180023358A (ko) * 2016-08-25 2018-03-07 주식회사 엘지화학 고체 산화물 연료전지용 지그 모듈
US10673080B2 (en) 2016-08-25 2020-06-02 Lg Chem, Ltd. Jig module for solid oxide fuel cell

Also Published As

Publication number Publication date
KR101154224B1 (ko) 2012-06-18

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR100902316B1 (ko) 연료전지에서 쓰이는 기체확산층의 압력에 따른 길이,저항, 차압 등을 측정하는 물성평가장치
Xia et al. Investigation of parameter effects on the performance of high-temperature PEM fuel cell
Devrim et al. Development of 500 W PEM fuel cell stack for portable power generators
CA2423728C (en) Measurement of fuel cell impedance
JP5154946B2 (ja) 燃料電池スタック用の統合集電体および電気コンポーネントプレート
US7913572B2 (en) Integrated multi-measurement system for measuring physical properties of gas diffusion layer for polymer electrolyte fuel cell with respect to compression
CN113297756B (zh) 一种采用显式格式更新算法的燃料电池瞬态建模方法
EP1834371B1 (en) Method and system of operating molten carbonate fuel cells
KR101154224B1 (ko) 일체형 연료전지 기체확산층 물성 평가 장치
Park et al. Analysis of operational characteristics of polymer electrolyte fuel cell with expanded graphite flow-field plates via electrochemical impedance investigation
KR100798699B1 (ko) 가정용 연료전지 성능 평가 장치
Min et al. Thermal performance analyses of pulsating heat pipe for application in proton exchange member fuel cell
US9088016B2 (en) Stack of improved fuel cells and electric power generator comprising said stack
Min et al. Study on the output performance of the proton exchange membrane fuel cells using print circuit board
KR100645594B1 (ko) 연료전지 성능 평가용 셀 또는 스택 및 연료전지 성능 평가방법
KR101072486B1 (ko) 연료전지 흡기계 온·습도 제어장치 및 방법
KR100432523B1 (ko) 연료전지 성능 측정용 격자형 바이폴라 플레이트와 그제조 방법
CN114171760A (zh) 结合仿真模型的燃料电池测试方法
Barbouche et al. Tunisian European cooperation project: PEM fuel cells technology
CN216386711U (zh) 质子交换膜燃料电池膜电极组件渗透率测试装置
KR102602433B1 (ko) Soc 스택
Khazaee et al. Experimental characterization and correlation of a triangular channel geometry PEM fuel cell at different operating conditions
Jannelli et al. Experimental characterization and numerical modeling of PEMFC stacks designed for different application fields
CN201237557Y (zh) 一种燃料电池加湿器性能测试系统
Hasan et al. Fuel Cell Performance Augmentation: Gas Flow Channel Design for Fuel Optimization

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E601 Decision to refuse application
J201 Request for trial against refusal decision
AMND Amendment
B701 Decision to grant
GRNT Written decision to grant
FPAY Annual fee payment

Payment date: 20150602

Year of fee payment: 4