KR20190059433A

KR20190059433A - 연료전지 시스템용 압력 센서

Info

Publication number: KR20190059433A
Application number: KR1020170157045A
Authority: KR
Inventors: 배호준; 반현석
Original assignee: 현대자동차주식회사; 기아자동차주식회사
Priority date: 2017-11-23
Filing date: 2017-11-23
Publication date: 2019-05-31
Also published as: KR102529493B1

Abstract

본 발명은 연료전지 시스템의 스택으로 연결되는 유로에 있어서, 상기 유로의 하우징부에 체결될 수 있는 서브스트레이트부; 및 일면이 상기 서브스트레이트와 체결되고, 타면은 상기 유로 상에 노출되어 상기 유로를 통과하는 가스와 직접 접촉하는 다이아프램부;를 포함하는 연료전지 시스템용 압력 센서에 관한 발명이다.

Description

연료전지 시스템용 압력 센서 {Pressure sensor for fuel cell system}

본 발명은 연료전지 시스템에서 가스가 흐르는 유로, 상세하게는 연료극 또는 공기극을 포함하여 스택과 연결되는 다양한 유로 상에 구비될 수 있는 압력 센서에 관한 것이다.

일반적으로, 연료전지 시스템은 전기에너지를 발생시키는 연료 전지 스택, 연료 전지 스택에 연료(수소)를 공급하는 연료 공급 시스템, 연료 전지 스택에 전기 화학 반응에 필요한 산화제인 공기 중의 산소를 공급하는 공기 공급 시스템, 연료 전지 스택의 운전 온도를 제어하는 열 및 물관리 시스템 등을 포함하여 구성되어 있다.

상기 연료 공급 시스템, 즉 수소 공급계에 구비되는 수소 탱크에는 700bar 정도의 고압 압축 수소가 저장되어 있으며, 이 저장된 압축 수소는 수소 탱크 입구부에 장착된 고압 조절기의 온/오프(on/off)에 따라 고압 라인으로 방출된 후, 시동 밸브와 수소 공급 밸브를 거치면서 감압되어 연료전지 스택으로 공급된다.

연료 공급 시스템에는 수소가 공급되는 수소공급라인과 공기가 공급되는 공기공급라인이 있으며, 수소공급라인은 연료극과 공기공급라인은 공기극과 연결될 수 있다.

연료 공급 시스템에서는 일반적으로 연료극의 압력 제어를 통하여 고압용기로부터 연료극으로 공급되는 수소의 양을 조절할 수있다. 이에 따라, 수소공급라인, 공기공급라인, 연료극 및 공기극에서는 가스의 양을 측정하기 위하여 세라믹 타입의 압력 센서를 채용하여 구비할 수 있다.

PCT 특허 공개 공보 WO 2012-020930호

일반적인 세라믹 타입 압력 센서의 경우, 세라믹으로 이루어지는 원형 형상의 센서 칩과 내부 누설을 방지하기 위하여 센서 주위로 구비될 수 있는 내부 오링, 외부에서의 누설을 방지하기 위한 외부 오링, 인쇄회로기판, 하우징 및 커넥터를 포함할 수 있었다, 그러나, 센서의 칩이 센서 하우징 내부에 위치하여 연료전지 시스템이 구동되지 않고 저온의 외기압에 장시간 노출되는 경우, 센서 칩과 하우징 사이에서 수분이 응축되거나, 나아가 빙결되어 센서의 다이아프램부가 파손될 수 있었다. 나아가, 종래 구조에 의한 센서는 누설이 발생할 수 있는 체결 포인트가 2군데 이상 형성됨에 따라, 센서의 기밀성이 떨어질 수밖에 없었다. 따라서, 본 발명에서는 센서의 체결점을 1지점으로 줄이면서도, 구조 상 응축수가 고일 수 없게 형성하여, 다이아프램부가 수분의 응축, 빙결과 무관하게 성능을 유지할 수 있도록 개선된 압력 센서의 구조를 제공한다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 일 실시예로서, 연료전지 시스템의 스택으로 연결되는 유로에 있어서, 상기 유로의 하우징부에 체결될 수 있는 서브스트레이트부; 및 일면이 상기 서브스트레이트와 체결되고, 타면은 상기 유로 상에 노출되어 상기 유로를 통과하는 가스와 직접 접촉하는 다이아프램부;를 포함하는 연료전지 시스템용 압력 센서를 제공한다.

또한, 상기 서브스트레이트부는 상기 서브스트레이트부에 상기 다이아프램부가 체결된 면의 반대면에 체결되는 인쇄회로기판(PCB)부;를 더 포함하는 연료전지 시스템용 압력 센서를 제공한다.

또한, 상기 압력 센서는 상기 다이아프램부와 상기 인쇄회로기판부를 연결하는 핀 커넥터;를 더 포함하고, 상기 핀 커넥터는 상기 서브스트레이트부를 관통하여 형성되는 연료전지 시스템용 압력 센서를 제공한다.

또한, 상기 핀 커넥터는 상기 인쇄회로기판부상에 고정되는 연료전지 시스템용 압력 센서를 제공한다.

또한, 상기 서브스트레이트부의 두께는 상기 하우징부의 두께보다 두껍게 형성되고, 상기 서브스트레이트부의 상기 다이아프램부가 체결될 수 있는 면이 상기 유로 내부에서 상기 유로의 상기 하우징부와 동일 높이에 배치되며, 상기 서브스트레이트부는 상기 하우징부의 외주면과 상기 서브스트레이트부가 만나는 지점에서 상기 서브스트레이트부의 내측으로 파여지도록 상기 서브스트레이트부상에 형성되는 그루브;를 더 포함하는 연료전지용 압력 센서를 제공한다.

또한, 상기 인쇄회로기판부, 상기 하우징부 및 상기 그루브 사이에 몰딩이 형성된 연료전지용 압력 센서를 제공한다.

또한, 상기 가스의 유동방향을 따라 형성된 상기 서브스트레이트부의 길이가 상기 가스의 유동방향을 따라 형성된 상기 다이아프램부의 길이보다 긴 연료전지용 압력 센서를 제공한다.

또한, 상기 다이아프램부와 상기 서브스트레이트부 사이에는 실링부가 형성될 수 있으며, 상기 실링부는 상기 가스의 유동방향을 따라 형성된 상기 서브스트레이트부의 전영역에 걸쳐 형성된 연료전지용 압력 센서를 제공한다.

또한, 상기 서브스트레이트부와 상기 하우징부 사이에 형성되며, 상기 하우징부의 폭 방향을 따라 상기 하우징부 중앙에 형성되는 실링부;를 더 포함하는 연료전지용 압력 센서를 제공한다.

또한, 상기 유로는 연료극 또는 공기극 내부에 형성되거나 상기 연료극 또는 상기 공기극 중 어느 하나와 연결된 연료전지용 압력 센서를 제공한다.

상기한 과제 해결 수단을 통하여, 본 발명은 다음과 같은 효과를 제공한다.

본 발명에 따르면, 수분의 응축 및/또는 빙결에 의해 압력 센서의 다이아프램부에서 발생할 수 있었던 측정 오차 및 다이아프램의 파손을 방지할 수 있다.

또한, 본 발명에 따르면, 압력 센서가 유로 및/또는 유로의 하우징과 체결되는 포인트의 갯수를 줄일 수 있으므로, 압력 센서의 기밀성이 향상될 수 있다.

또한, 본 발명에 따르면, 외부에서 충격이 가해지더라도, 연료전지 시스템의 유로가 파손되지 않는 이상, 압력 센서의 다이아프램의 파손을 방지할 수 있다.

또한, 압력 센서를 형성하는 모듈의 총 부품 수를 감소할 수 있으므로, 원가 절감의 경제적인 효과를 기대할 수 있다.

도 1은 일반적인 압력 센서의 구조를 도시한 도면이다.
도 2는 일반적인 다이아프램 및 서브스트레이트의 구조를 도시한 도면이다.
도 3은 다이아프램 및 서브스트레이트를 포함하는 일반적인 센서 칩을 도시한 도면이다.
도 4는 일반적인 압력 센서의 구조에서 서브스트레이트와 다이아프램의 연결관계를 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 압력 센서에서 각 구성 간 연결 관계를 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 압력 센서의 단면을 도시한 단면도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 서브스트레이트와 다이아프램의 연결 관계를 도시한 도면이다.

이하, 본 발명의 실시 예를 첨부된 도면들을 참조하여 더욱 상세하게 설명한다. 본 발명의 실시 예는 여러 가지 형태로 변형할 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래의 실시 예들로 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 실시 예는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해 제공되는 것이다.

또한, 명세서에 기재된 "...부", "...유닛", "...모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.

차량에 탑재되는 연료전지 시스템은 크게 전기 에너지를 발생시키는 연료 전지 스택, 연료 전지 스택에 연료(수소)를 공급하는 연료 공급 장치, 연료 전지 스택에 전기화학 반응에 필요한 산화제인 공기 중 산소를 공급하는 공기 공급 장치, 연료 전지 스택의 반응열을 시스템 외부로 제거하고 연료 전지 스택의 운전 온도를 제어하는 냉각 시스템 등으로 구성된다.

연료전지 시스템의 연료 공급계에는 연료가 탑재된 고압용기가 연료 저장 탱크로서 존재할 수 있다. 고압용기에서는 바람직하게는 수소를 연료로써 탑재 및 사용하며 700bar 정도의 고압 수소 가스가 용기 내부에 저장될 수 있다.

따라서 고압용기의 내부에서는 연료 또는 수소에 의한 고압 상태가 지속될 수 있으며 상기 가스가 고압용기를 가압할 수 있다. 특히, 고압용기의 일 지점에 리크가 발생하거나 파단이 생기는 경우 내부의 고압이 일 지점에 집중되어 고압용기의 파손 및 그에 따른 폭발 등을 유발할 수 있으므로 고압용기의 내구성 및 안정성은 연료전지 시스템 및 연료전지 시스템이 탑재될 수 있는 차량에 있어 매우 중요한 요소이다.

나아가, 상기 고압용기로부터 연장되어 스택으로 연결되는 유로, 스택의 연료극 및/또는 공기극에 적정 압력 이상의 압력이 인가되는 경우, 유로를 통해 공급되는 가스의 양이 지나치게 많아지거나, 유로 상의 물리적 구성에 무리한 힘이 인가됨에 따라 유로에서 파손, 파단이 발생할 수 있다. 따라서, 연료전지 시스템에 구비될 수 있는 다수의 가스 공급, 배기 라인의 압력 및 물리적 구성에 인가되는 압력 값을 정확히 측정하여, 시스템 전체의 안전성을 확보하는 것이 매우 중요하다. 따라서, 연료전지 시스템에서는 다양한 포인트에 다수의 압력 센서가 필요할 수 있다.

한편, 도 1은 연료전지 시스템에서 일반적으로 사용될 수 있는 압력 센서의 구조를 도시한 도면이다. 나아가, 도 2는 일반적인 압력 센서에서 사용될 수 있는 다이아프램과 서브스트레이를, 도 3은 도 2의 다이아프램과 서브스트레이트가 체결되어 센서칩을 형성한 상태를 도시한 도면이다. 도 3의 센서칩이 도 1에 도시된 센서칩으로써 채용될 수 있으며, 도 1에 따르면 일반적인 압력 센서에서는 센서칩이 하우징 내부에 배치된다는 것을 알 수 있다. 즉, 도 1의 실시예에서는 센서칩에 포함된 다이아프램이 하우징 내부에 배치되어, 가스가 흐르는 유로와 이격된 위치에 구비될 수 있다.

나아가, 도 4는 일반적인 압력 센서에서 다이아프램과 서브스트레이트의 체결 관계를 도시한 도면이다. 도 4에 따르면, 다이아프램의 길이방향 크기가 서브스트레이트의 길이방향 크기보다 크게 형성될 수 있으며, 접착제가 새어나오는 것을 방지하기 위하여, 다이아프램과 서브스트레이트가 접하는 면의 일부 영역에만 접착제를 도포하는 것을 알 수 있다.

한편, 본 발명은 다이아프램이 구비된 압력 센서의 압력 감지 영역에서 수분의 응축, 빙결 현상이 발생하더라도, 즉, 압력 감지 영역의 온도가 저온으로 강하하더라도, 다이아프램에 파손이 방지하는 것을 방지하면서도, 다이아프램이 정확히 압력을 감지할 수 있도록 구비된 압력 센서에 대한 것인 바, 이하에서 도면을 통하여 상세히 설명하도록 한다. 본 발명에서 지칭하는 압력 센서는 바람직하게는 세라믹 저압 센서를 지칭할 수 있다. 또한, 이하, 본 명세서에서 '위', '아래', '좌', '우'와 같은 방향을 지칭하는 용어는, 중력 방향을 기준으로 하는 용어로서 설명될 수 있다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 압력 센서가 포함하는 구성 요소들 및 상기 구성 요소들 간의 체결 관계를 도시한 도면이다. 도 5에 따르면 우선, 본 발명에서는 고압용기로부터 스택으로, 또는 대기로부터 스택으로 연장될 수 있는 유로(100), 연료극, 공기극 및/또는 압력 센서와 상기 압력 센서의 커버(710)가 개시될 수 있다. 압력 센서의 커버(710)는 압력을 측정하려는 연료전지 시스템의 일 영역에 체결될 수 있으며, 바람직하게는 부싱(bushing)을 통해 압력 센서의 커버(710)와 압력을 측정하려는 영역(유로(100), 연료극 및/또는 공기극 등)이 서로 체결될 수 있다.

나아가, 본 발명의 일 실시예에 따른 압력 센서의 커버(710)에는 인쇄회로기판(PCB)(400)이 체결될 수 있다. 바람직하게는 압력 센서 커버(710) 하부에 인쇄회로기판(400)이 체결될 수 있다. 인쇄회로기판(400)은 압력 센서의 다이아프램(300)의 변화 정도에 따라 측정된 압력을 전기적 신호로 변환하여 제어기 또는 제어부로 전송할 수 있다.

또한, 도 5에 따르면 본 발명의 일 실시예에서는 인쇄회로기판(400)의 하부에 서브스트레이트(200)가 구비될 수 있다. 나아가, 서브스트레이트(200)의 하단에는 다이아프램(300)이 체결될 수 있다. 더불어, 상기 다이아프램(300)과 상기 인쇄회로기판(400)은 핀 커넥터(500, 520)에 의해 연통(연결 및 통신)될 수 있다. 바람직하게는 핀 커넥터(500, 520)는 서브스트레이트(200)를 관통하여, 단수 또는 복수개로 형성될 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 다이아프램(300)의 물리적 변형에 의해 형성되는 전기적 신호가 핀 커넥터(500, 520)를 통해 인쇄회로기판(400)으로 전달될 수 있다. 핀 커넥터(500, 520)를 다이아프램(300)에 조립하는 경우, 핀 커넥터(500, 520)와 다이아프램(300)의 접촉성을 향싱시키기 위해, 핀 커넥터(500, 520)가 삽입되는 핀 커넥터(500, 520) 홀을 전도성 에폭시로 채울 수 있다.

한편, 도 5에 따르면, 상기 서브스트레이트(200)의 외주면에는 다른 부재와의 체결을 위하여 오링(220)이 형성될 수있다. 바람직하게는, 탄성을 가지는 재질로 형성된 오링(220)이, 서브스트레이트(200)의 외주면에 구비될 수 있으며, 오링(220)이 위치할 수 있는 서브스트레이트(200)의 외주면에는 오링(220)의 안착을 위해 이에 대응되는 홈이 형성될 수 있다.

즉, 도 5에 상세히 도시된 도면(우측)을 살펴보면, 서브스트레이트(200)의 하단에 다이아프램(300)이 구비될 수 있으며, 서브스트레이트(200)를 관통하여 형성될 수 있는 핀 커넥터(500, 520)가 서브스트레이트(200) 상단에 배치될 수 있는 구성과 다이아프램(300)을 연통할 수 있다. 나아가, 상기 서브스트레이트(200)의 외주면에는 오링(220)의 안착을 위한 홈이 형성되어 있으며, 상기 홈에 대응되도록 오링(220)이 서브스트레이트(200) 외주면에 구비될 수 있다.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 압력 센서의 단면을 도시한 도면이다. 도 6의 하단을 참고하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템의 유로(100)가 개시되어 있다. 상기 유로(100)는 연료전지 시스템에 구비된 다양한 유로(100) 중 임의의 유로가 될 수 있다. 즉, 고압용기와 스택 사이의 연료 공급 라인, 대기와 연결된 공기 공급 라인 및 스택 내의 연료극, 공기극을 포함하여 가스가 유동하는 유로라면, 어디든지 본 발명에 의한 압력 센서가 구비될 수 있다.

또한, 본 발명에서 유로의 하우징(110)이란 가스가 통과하는 유로(100)를 형성하는 부재로서, 다양한 재질로 형성될 수 있다. 도 6에서는 이러한 유로의 하우징(110)과, 유로의 하우징(110)에 체결될 수 있는 서브스트레이트(200)의 결합 관계를 도시한 단면도를 개시하고 있다. 도 6에 따른 본 발명의 일 실시예에 따른 서브스트레이트(200)는 유로 하우징(110)의 일 지점에 삽입되는 형태로 체결될 수 있다.

나아가, 서브스트레이트(200)와 유로 하우징(110) 사이에 바람직하게는 '오링(O-ring)'(220)과 같은 부재가 삽입될 수 있다. 또한, '오링'(220)이 형성되는 위치의 서브스트레이트(200) 상에는 오링(220)이 안착할 수 있도록 서브스트레이트(200) 내측으로 파인 홈이 형성될 수 있다. 바람직하게는 오링(220)과 서브스트레이트(200) 상의 홈은 하우징(110)의 폭 방향을 따라 중앙 높이에 형성될 수 있다. 즉, 홈은 서브스트레이트(200)의 하단면이 유로 하우징(110) 내주면과 동일 높이에 위치할 때, 하우징(110)의 폭 방향 중앙 높이의 서브스트레이트(200) 상에 형성될 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 오링(220)이 유로 하우징(110)의 중앙에 형성되는 경우, 유로 하우징(110)에 삽입된 서브스트레이트(200)의 비틀림을 가장 잘 제어할 수 있다.

나아가, 도 6을 참고하면, 서브스트레이트(200)의 두께가 유로 하우징(110)의 두께보다 크게 형성될 수 있다. 바람직하게는, 서브스트레이트(200)가 유로 하우징(110)을 관통하여 삽입될 때, 서브스트레이트(200)가 구비되는 높이가 유로 하우징(110) 내경이 형성되는 높이와 동일하도록 배치될 수 있다. 즉, 가스가 흐르는 유로(100) 내에서 서브스트레이트(200)의 하단면은 유로 하우징(110)의 내주면 높이와 동일한 높이에 형성될 수 있다. 따라서, 유로 하우징(110) 일 지점에 삽입된 서브스트레이트(200)는 가스의 유체 흐름에 전혀 저항을 발생시키지 않을 수 있다.

또한, 도 6의 실시예에서 서브스트레이트(200)의 하단면이 유로(100) 내부의 상단면과 동일한 높이에 형성되는 경우, 서브스트레이트(200)의 두께가 유로 하우징(110)의 두께보다 두꺼우므로, 서브스트레이트(200)에는 유로 하우징(110)의 외부로 돌출되는 영역이 존재할 수 있다.

나아가, 서브스트레이트(200)와 유로 하우징(110)의 외주면이 만나는 지점의 서브스트레이트(200)상에는 그루브(210)가 형성될 수 있다. 바람직하게는 서브스트레이트(200)와 하우징(110) 외면이 만나는 높이의 서브스트레이트(200)에는 서브스트레이트(200) 내측으로 파여진 그루브(210)가 형성될 수 있다. 바람직하게는 그루브(210)의 내부로 몰딩(600)을 위한 에폭시 수지가 도포되어 그루브(210)를 채울 수 있다.

한편, 본 발명의 일 실시예에서는 서브스트레이트(200)에 체결되는 다이아프램(300)이 구비될 수 있다. 상세하게는 일면이 서브스트레이트(200)에 체결되며, 타면이 유로(100) 상에 노출되어, 유로(100)를 통과하는 가스와 직접 접촉하는 다이아프램(300)이 압력 센서에 포함될 수 있다. 상세하게는 다이아프램(300)은 양 끝단의 두께가 상대적으로 얇게 형성될 수 있다. 즉, 일정한 두께를 유지하며 중앙으로부터 연장되는 다이아프램(300)은 일정 지점부터 끝단으로 갈수록 구배를 가지며 얇아지도록 형성될 수 있다.

한편, 다이아프램(300)은 유로(100)를 통과하는 가스의 압력에 의해 그 변형의 정도가 상이할 수 있다. 상세하게는 유로(100)를 통과하는 가스가 고압인 경우, 더 많이 변형되며, 상대적으로 저압인 경우, 더 적게 변형될 수 있다. 또한, 다이아프램(300)과 핀 커넥터(500, 520) 및 인쇄회로기판(400)은 서로 유기적으로 결합하여, 유로(100)를 통과하는 가스의 압력의 크기에 비례하여, 서로 다른 크기를 가지는 전기적 신호를 발생시킬 수 있다.

나아가, 도 7을 참고하면 본 발명의 일 실시예에서는 다이아프램(300)의 폭이 서브스트레이트(200)의 폭보다 짧게 형성될 수 있다. 즉, 가스가 유동하는 방향을 따라 형성된 서브스트레이트(200)의 길이가 가스가 유동하는 방향을 따라 형성된 다이아프램(300)의 길이보다 길게 형성될 수 있다. 더불어, 다이아프램(300)과 서브스트레이트(200) 사이에는 면접착 상태를 유지하기위한 접착부재(800)가 채워질 수 있다. 바람직하게는 상기 접착부재(800)는 서브스트레이트(200)의 전면에 걸쳐 도포될 수 있다.

따라서, 다이아프램(300)은 전술한 것처럼 양 끝단이 다이아프램(300)의 중앙부보다 두께가 얇게 형성되며, 다이아프램(300)은 서브스트레이트(200)보다 길이가 짧고, 접착부재(800)는 서브스트레이트(200) 전체에 걸쳐 도포될 수 있으므로, 도 7에 도시된 것처럼 다이아프램(300)과 서브스트레이트(200) 사이의 틈새가 접착부재(800)에 의해 완벽히 채워질 수 있다. 이에 따라, 다이아프램(300)과 서브스트레이트(200) 사이의 밀착 및 기밀을 유지할 수 있다. 즉, 다이아프램(300)의 테두리를 따라 다이아프램(300)과 서브스트레이트(200) 사이에 접착부재(800)가 채워짐에 따라, 다이아프램(300)과 서브스트레이트(200)가 체결된 상태에서, 다이아프램(300)을 보호하면서 압력 센서의 강건성을 확보할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에서는 다이아프램(300) 및 서브스트레이트(200)는 세라믹 소재를 채택할 수 있으며, 접착부재(800)는 분말유리(glassfrit) 소재로 채택될 수 있다. 바람직하게는 세라믹 사이에 실링되는 분말유리 소재는 절연성 및 기밀성을 가지며, 기계적 강도와 화학적 내구성이 우수할 수 있다.

한편, 본 발명의 일 실시예에서는, 중력 방향을 기준으로 다이아프램(300)은 서브스트레이트(200)보다 아래에 위치할 수 있다. 즉, 압력 센서가 유로의 하우징(110)에 배치될 때, 중력 방향을 기준으로 다이아프램(300)이 서브스트레이트(200)보다 아래에 오도록 설치할 수 있다. 다이아프램(300)을 이와 같은 위치에 설치할 수 있는 이유는 다음과 같다.

우선, 가스가 흐르는 유로(100)에는 수분이 존재할 수밖에 없다. 연료전지 시스템이 구동되지 않는 상태에서 저온 환경에 오랜 시간 노출되면, 유로(100)의 수분이 응축, 나아가 빙결되어 중력 방향을 따라 유로(100) 하부에 적층될 수 있다. 만일 이처럼 응축, 빙결되는 수분이 다이아프램(300) 위에 쌓이는 경우에는 다이아프램(300)의 오작동 및 다이아프램(300)의 파손이 발생할 수 있으므로, 본 발명의 바람직한 일 실시예에서는 다이아프램(300)이 중력 방향을 기준으로 유로(100)의 상단면에 배치될 수 있다.

즉, 다이아프램(300)은 지구 중심 방향에 대하여 유로(100)의 상부, 또는 상단에 배치될 수 있으며, 서브스트레이트(200)는 유로(100) 상부에 형성되는 다이아프램(300)의 위에 배치될 수 있다. 본 발명의 다른 일 실시예에서는 다이아프램(300)은 유로(100) 내에서 가스가 흐르는 방향에 수직하는 방향 중 상방향, 즉 지구 중심으로부터 먼 방향에 형성될 수 있다.

다시 도 6을 참고하면, 본 발명에서는 서브스트레이트(200)에서 다이아프램(300)이 체결된 면 반대면에는 인쇄회로기판(PCB)(400)이 형성될 수 있다. 바람직하게는 다이아프램(300)은 서브스트레이트(200)의 중력 방향 아래에 배치될 수 있으므로, 인쇄회로기판(400)은 서브스트레이트(200)의 중력 방향 위에 배치될 수 있다. 또한, 인쇄회로기판(400)의 단면적은 서브스트레이트(200)의 단면적보다 넓을 수 있다.

본 발명에서 채택되는 인쇄회로기판(400)은 통상의 기술자에게 자명한 구성을 사용할 수 있으므로, 인쇄회로기판(400) 구성 자체에 대한 설명은 이하에서 생략한다. 전술한대로, 상기 인쇄회로기판(400)은 서브스트레이트(200)를 관통하는 핀 커넥터(500, 520)에 의해 다이아프램(300)과 연통될 수 있으며, 단수 또는 복수개의 핀 커넥터(500, 520)는 인쇄회로기판(400)상에서 고정부(510)를 형성할 수 있다. 바람직하게는 핀 커넥터(500, 520)들은 납땜 방식에 의해 인쇄회로기판(400)상에 고정부(510)를 형성할 수 있다.

한편, 중력 방향을 기준으로 서브스트레이트(200) 위에 구비될 수 있는 인쇄회로기판(400)은 유로 하우징(110)으로부터 일정거리 이격되어 구비될 수 있다. 즉, 서브스트레이트(200)의 두께가 유로 하우징(110)의 두께보다 크게 형성되며, 서브스트레이트(200)의 중력 방향 하단면이 유로(100) 내주면의 높이와 동일하게 형성되므로, 서브스트레이트(200)의 중력 방향 상단면은 유로(100) 외주면보다 일정 높이 튀어나올 수밖에 없다.

또한, 서브스트레이트(200)의 상단면에 인쇄회로기판(400)이 안착될 수 있으며, 인쇄회로기판(400)의 단면적이 서브스트레이트(200)의 단면적 보다 넓기 때문에 인쇄회로기판(400)과 유로 하우징(110)은 이격되어, 사이에 틈이 형성될 수 있다. 이에 따라, 기밀을 유지하기 위하여 서브스트레이트(200)와 인쇄회로기판(400) 사이의 틈에는 수지가 채워져 몰딩(600)이 형성될 수 있다. 바람직하게는 에폭시에 의해 틈이 채워지면서 몰딩이 형성될 수 있으며, 서브스트레이트(200)의 내측으로 형성된 그루브(210)까지도 몰딩(600)을 위한 수지가 채워질 수 있다. 그루브(210)는 에폭시를 고정하는 역할을 수행할 수 있다. 즉, 그루브(210)에 의해 에폭시 도포 및 경화에 있어 에폭시가 그루브(210)로 유입되도록 유도하여, 세라믹 소재의 서브스트레이트(200)를 타고 올라오는 현상의 발생을 방지할 수 있다.

한편, 에폭시의 경우, 잔존 기포가 몰딩(600) 내에서 발포되는 것을 방지하기 위하여, 도포 이전에 에폭시 탈포 과정을 거칠 수 있다. 나아가, 에폭시가 인쇄회로기판(400)에 스며드는 것을 방지하기 위하여, 에폭시 도포 이전에 커버(710)와 인쇄회로기판(400) 사이의 틈에 실리콘을 도포할 수 있다.

나아가, 본 발명에서는 압력 센서의 외주부를 감싸고 덮기 위한 커버(710)가 구비될 수 있다. 압력 센서의 커버(710)는 서브스트레이트(200), 인쇄회로기판(400) 및 서브스트레이트(200)와 인쇄회로기판(400) 사이에 채워진 몰딩(600)을 모두 덮도록 구비될 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 인쇄회로기판(400)의 단면적이 서브스트레이트(200)의 단면적보다 넓게 형성되며, 몰딩(600)은 인쇄회로기판(400)의 단면적에 대응되도록 인쇄회로기판(400)과 서브스트레이트(200)의 틈새를 메울 수 있으므로, 압력 센서 커버(710)는 인쇄회로기판(400)의 크기에 대응하여, 압력 센서 외주면을 다 덮도록 형성될 수 있다.

또한, 커버(710)에는 에폭시를 포함하는 몰딩(600) 수지가 경화되면서 발생하는 가스를 배출하기 위해 커버(710) 일측에 가스 배출을 위한 작은 홀을 포함할 수 있다. 바람직하게는 가스가 용이하게 배출될 수 있도록 중력 방향 상부의 커버(710) 일 지점에 가스 배출 홀이 형성될 수 있다.

또한, 압력 센서 커버(710)에는 핀 터미널(700)이 형성될 수 있다. 상기 핀 터미널(700)은 인쇄회로기판(400)과 연결될 수 있으며, 인쇄회로기판(400)으로부터 연장되어 압력 센서의 제어기 또는 다른 구성과 전기적으로 연결될 수 있다. 바람직하게는 핀 터미널(700)은 물리적 고정을 위해 인쇄회로기판(400)을 관통하여 그 끝단이 몰딩(600), 즉 에폭시에 삽입되어 형성될 수 있다.

정리하자면, 본 발명의 핵심 사상은 다이아프램의 일면은 서브스트레이트에 체결되며, 타면은 가스가 유동하는 유로와 직접 접촉할 수 있도록 유로 상에 노출되어 있다는 것을 특징으로 한다. 특히, 다이아프램은 중력 방향을 기준으로 유로 상에서 상부에 형성되어, 유로 내 수분이 응축되거나 빙결되더라도 다이아프램이 잠기지 않도록 형성되어야한다는 점에 본 발명의 특징이 있음에 유의하여야 한다.

또한, 본 발명의 실시예들에 대하여 설명, 기술하였으나, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 청구범위에 기재된 본 발명의 사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서, 구성 요소의 부가, 변경, 삭제 또는 추가 등에 의해 본 발명을 다양하게 수정 및 변경하여 실시할 수 있을 것이며, 이 또한 본 발명의 권리 범위 내에 포함된다고 할 것이다.

나아가, 본 발명의 실시예들을 설명함에 있어서 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략하고 있다. 그리고 상기에서 사용된 용어들은 본 발명의 실시예에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다. 따라서 이상의 발명의 상세한 설명은 개시된 실시 상태로 본 발명을 제한하려는 의도가 아니며 첨부된 청구범위는 다른 실시 상태도 포함하는 것으로 해석되어야 한다.

100 : 유로
110 : 유로의 하우징
200 : 서브스트레이트
210 : 그루브
220 : 오링
300 : 다이아프램
400 : 인쇄회로기판
500, 520 : 핀 커넥터
510 : 고정부
600 : 몰딩
700 : 핀 터미널
710 : 압력 센서 커버
800 : 접착부재

Claims

연료전지 시스템의 스택으로 연결되는 유로에 있어서,
상기 유로의 하우징부에 체결될 수 있는 서브스트레이트부; 및
일면이 상기 서브스트레이트부와 체결되고, 타면은 상기 유로 상에 노출되어 상기 유로를 통과하는 가스와 직접 접촉하는 다이아프램부;
를 포함하는 연료전지 시스템용 압력 센서.
제1항에 있어서, 상기 서브스트레이트부는 상기 서브스트레이트부에 상기 다이아프램부가 체결된 면의 반대면에 체결되는 인쇄회로기판(PCB)부;
를 더 포함하는 연료전지 시스템용 압력 센서.
제2항에 있어서, 상기 압력 센서는 상기 다이아프램부와 상기 인쇄회로기판부를 연결하는 핀 커넥터;
를 더 포함하고, 상기 핀 커넥터는 상기 서브스트레이트부를 관통하여 형성되는 연료전지 시스템용 압력 센서.
제3항에 있어서, 상기 핀 커넥터는 상기 인쇄회로기판부상에 고정되는 연료전지 시스템용 압력 센서.
제1항에 있어서, 상기 서브스트레이트부의 두께는 상기 하우징부의 두께보다 두껍게 형성되고, 상기 유로 내부에서 상기 서브스트레이트부의 상기 다이아프램부 체결 면은 상기 하우징부의 내주면과 동일 높이에 배치되며,
상기 서브스트레이트부는 상기 하우징부의 외주면과 상기 서브스트레이트부가 만나는 지점에서 상기 서브스트레이트부상에 그 내측으로 파여지도록 형성되는 그루브;
를 더 포함하는 연료전지용 압력 센서.
제5항에 있어서, 상기 인쇄회로기판부와 상기 하우징부 사이 및 상기 그루브에는 몰딩이 형성된 연료전지용 압력 센서.
제6항에 있어서, 상기 인쇄회로기판부, 상기 하우징부, 상기 그루브 및 상기 몰딩 외주면을 따라 형성될 수 있는 상기 압력 센서 커버;
를 더 포함하는 연료전지용 압력 센서.
제1항에 있어서, 상기 가스의 유동방향을 따라 형성된 상기 서브스트레이트부의 길이가 상기 가스의 유동방향을 따라 형성된 상기 다이아프램부의 길이보다 긴 연료전지용 압력 센서.
제1항에 있어서, 상기 다이아프램부와 상기 서브스트레이트부 사이에는 실링부가 형성될 수 있으며, 상기 실링부는 상기 가스의 유동방향을 따라 형성된 상기 서브스트레이트부의 전영역에 걸쳐 형성된 연료전지용 압력 센서.
제1항에 있어서, 상기 서브스트레이트부와 상기 하우징부 사이에 형성되며, 상기 하우징부의 폭 방향을 따라 상기 하우징부 중앙에 형성되는 실링부;
를 더 포함하는 연료전지용 압력 센서.
제1항에 있어서, 상기 유로는 연료극 또는 공기극 내부에 형성되거나 상기 연료극 또는 상기 공기극 중 어느 하나와 연결된 연료전지용 압력 센서.