KR20220097562A - 가스 및 냉매 누출 감시 수단을 갖는 연료 전지용 세퍼레이터 - Google Patents

가스 및 냉매 누출 감시 수단을 갖는 연료 전지용 세퍼레이터 Download PDF

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Abstract

본 발명의 실시예에 따른 연료 전지용 세퍼레이터는, 가스가 통과하는 가스 유로; 가스 유로를 통한 가스의 유동으로 인해 발생하는 진동을 검출하도록 구성되는 진동 센서; 및 진동 센서의 신호를 외부로 전달하는 신호 라인을 포함할 수 있고, 신호 라인은 세퍼레이터를 구성하는 성형 재료 내에 매립될 수 있다.

Description

가스 및 냉매 누출 감시 수단을 갖는 연료 전지용 세퍼레이터{SEPARATOR FOR FUEL CELL WITH MEANS FOR MONITORING LEAKAGE OF GAS AND COOLANT}
본 발명은 연료 전지용 세퍼레이터에 관한 것이다.
일반적으로, 연료 전지는 애노드에 수소를 공급하고 캐소드에 산소를 공급하여, 수소와 산소의 전기 화학 반응에 의해 전기 에너지를 얻는 장치이다. 연료 전지는 유해 가스를 배출하지 않고 소음과 진동을 적게 발생하므로 차세대 에너지원으로서 각광을 받고 있다.
연료 전지는, 전해질 종류에 따라, 고분자 전해질 연료 전지(PEMFC), 인산형 연료 전지(PAFC), 용융 탄산염형 연료 전지(MCFC), 고체산화물 연료 전지(SOFC)로 분류된다. 이러한 연료 전지 중에서 고분자 전해질 연료 전지(PEMFC)가 널리 사용되고 있다.
고분자 전해질 연료 전지는 수십 내지 수백 개의 단위 셀이 직렬로 적층된 구조를 갖는다. 단위 셀은 고체 고분자 전해질막, 전극, 세퍼레이터로 구성된다.
세퍼레이터는 전극으로 공급되는 수소와 산소를 분리시키는 역할을 한다. 세퍼레이터는 수소와 산소를 완전히 분리시켜야 하므로 매우 높은 가스 불투과성을 가질 필요가 있다. 또한, 세퍼레이터는 전기 에너지를 집전체인 엔드 플레이트로 전력 손실 없이 전달하여야 하므로 우수한 전기 전도성을 가질 필요가 있다. 또한, 세퍼레이터는 연료 전지 내에서 큰 체적을 차지하므로, 대용량으로 제작되는 연료 전지의 무게를 줄일 수 있도록 세퍼레이터는 작은 두께를 갖도록 제작될 필요가 있다. 또한, 세퍼레이터는 작은 두께에도 불구하고 진동 및 외력을 견딜 수 있도록 강성을 가질 필요가 있다.
또한, 세퍼레이터는 내부에 형성되는 가스 유로를 통과하는 가스가 외부로 누출되는 것을 방지하도록 기밀성을 가질 필요가 있다. 또한, 세퍼레이터는 내부에 형성되는 냉매 유로를 통과하는 냉매가 외부로 누출되는 것을 방지하도록 기밀성을 가질 필요가 있다.
한편, 연료 전지로부터 냉매 또는 가스가 외부로 누출되는 경우에는, 연료 전지의 효율이 저하될 수 있다. 따라서, 냉매 또는 가스의 누출 여부를 감지할 필요가 있다.
본 발명의 목적은 연료 전지의 내부에서 순환하는 냉매 또는 가스의 누출 가능성이 감지되도록 할 수 있는 연료 전지용 세퍼레이터를 제공하는 것이다.
전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지용 세퍼레이터는, 가스가 통과하는 가스 유로; 가스 유로를 통한 가스의 유동으로 인해 발생하는 진동을 검출하도록 구성되는 진동 센서; 및 진동 센서의 신호를 외부로 전달하는 신호 라인을 포함할 수 있고, 신호 라인은 세퍼레이터를 구성하는 성형 재료 내에 매립될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 연료 전지용 세퍼레이터는, 냉매가 통과하는 냉매 유로; 냉매 유로를 통한 냉매의 유동으로 인해 발생하는 진동을 검출하도록 구성되는 진동 센서; 및 진동 센서의 신호를 외부로 전달하는 신호 라인을 포함할 수 있고, 신호 라인은 세퍼레이터를 구성하는 성형 재료 내에 매립될 수 있다.
신호 라인은, 진동 센서와 연결되는 도선; 및 도선을 둘러싸도록 구성되며 성형 재료로부터 도선을 열적 및 전기적으로 절연하는 단열/전기 절연층을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 세퍼레이터에는 진동 센서가 설치되며, 진동 센서는 세퍼레이터의 진동을 검출하도록 구성된다. 그리고, 진동 센서에 의해 검출된 진동을 기초로, 제1 세퍼레이터 및 제2 세퍼레이터 사이 및/또는 세퍼레이터 및 막 전극 조립체 사이의 밀착력을 감시할 수 있고, 이를 기초로 냉매 및/또는 가스의 외부로의 누출 가능성을 감지할 수 있다. 따라서, 연료 전지의 내부에서 순환하는 냉매 또는 가스가 외부로 누출되는 것을 미연에 방지할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지용 세퍼레이터가 개략적으로 도시된 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지용 세퍼레이터가 막 전극 조립체에 결합된 구성이 개략적으로 도시된 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지용 세퍼레이터를 포함하는 연료 전지의 제어 블록도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지용 세퍼레이터에 대하여 설명한다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지용 세퍼레이터(50)는, 열경화성 수지, 전기 전도성 입자, 탄소 섬유를 혼합한 혼합물(이하, 성형 재료라 함)을 사용하여 제조될 수 있다. 예를 들면, 세퍼레이터(50)는 20 내지 35 wt.%의 열경화성 수지와, 80 내지 65 wt.%의 전기 전도성 입자 및 탄소 섬유를 혼합하여 제조된 성형 재료를 사용하여 제조될 수 있다.
열경화성 수지는 페놀 수지일 수 있다. 다만, 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 다양한 열경화성 수지가 사용될 수 있다.
전기 전도성 입자는 카본 블랙 입자일 수 있다. 카본 블랙 입자는 전기 전도성이 높으므로, 카본 블랙 입자를 사용하여 제조되는 세퍼레이터(50)의 전기 전도성을 향상시킬 수 있다. 또한, 카본 블랙 입자는 가공성이 우수하므로, 카본 블랙 입자를 사용하여 제조되는 세퍼레이터(50)는 1 내지 2 mm 정도로 작은 두께를 가질 수 있다.
한편, 카본 블랙 입자의 양이 증가함에 따라 세퍼레이터(50)의 전기 전도성은 좋아지지만 세퍼레이터(50)의 강도가 저하될 수 있다. 따라서, 세퍼레이터(50)의 강도를 보완하기 위해, 세퍼레이터(50)는 카본 블랙 입자에 탄소 섬유를 혼합한 혼합물을 사용하여 제조된다. 예를 들면, 탄소 섬유는 PAN계 탄소 섬유, 피치계 탄소 섬유, 셀룰로오스계 탄소 섬유 중 어느 하나일 수 있다. 예를 들면, 탄소 섬유는 1 내지 12 mm의 길이를 가질 수 있지만, 본 발명은 탄소 섬유의 길이에 한정되지 않는다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지용 세퍼레이터(50)는, 복수의 매니폴드 홀(111, 112, 121, 122, 131, 132), 복수의 매니폴드 돌기(211, 212, 221, 222, 231, 232), 복수의 유로 리브(300), 복수의 외곽 돌기(411, 421)를 구비한다.
복수의 매니폴드 홀(111, 112, 121, 122, 131, 132)은, 복수의 가스 매니폴드 홀(111, 112, 121, 122) 및 한 쌍의 냉매 매니폴드 홀(131, 132)을 포함한다.
복수의 가스 매니폴드 홀(111, 112, 121, 122)은, 한 쌍의 제1 가스 매니폴드 홀(111, 112) 및 한 쌍의 제2 가스 매니폴드 홀(121, 122)을 포함한다.
한 쌍의 제1 가스 매니폴드 홀(111, 112)은, 제1 가스가 유입되는 제1 가스 유입홀(111)과, 제1 가스가 배출되는 제1 가스 배출홀(112)을 포함한다. 제1 가스는 제1 가스 유입홀(111)을 통하여 세퍼레이터(50)의 내부로 유입되고, 세퍼레이터(50) 내부의 제1 가스 유로를 통과한 다음, 제1 가스 배출홀(112)을 통하여 세퍼레이터(50)의 외부로 배출된다.
한 쌍의 제2 가스 매니폴드 홀(121, 122)은, 제2 가스가 유입되는 제2 가스 유입홀(121)과, 제2 가스가 배출되는 제2 가스 배출홀(122)을 포함한다. 제2 가스는 제2 가스 유입홀(121)을 통하여 세퍼레이터(50)의 내부로 유입되고, 세퍼레이터(50) 내부의 제2 가스 유로를 통과한 다음, 제2 가스 배출홀(122)을 통하여 세퍼레이터(50)의 외부로 배출된다.
여기에서, 제1 가스 및 제2 가스 중 어느 하나는 연료 가스일 수 있고, 제1 가스 및 제2 가스 중 다른 하나는 산화제 가스일 수 있다.
각각의 매니폴드 돌기(211, 212, 221, 222, 231, 232)는 각각의 매니폴드 홀(111, 112, 121, 122, 131, 132)의 둘레를 따라 연장될 수 있다. 각각의 매니폴드 돌기(211, 212, 221, 222, 231, 232)는 각각의 매니폴드 홀(111, 112, 121, 122, 131, 132)을 둘러싸도록 형성된다. 각각의 매니폴드 돌기(211, 212, 221, 222, 231, 232)는 세퍼레이터(50)의 표면으로부터 돌출되어 매니폴드 홀(111, 112, 121, 122, 131, 132)을 통하여 유동하는 냉매, 제1 가스 또는 제2 가스가 외부로 누출하는 것을 방지하는 역할을 한다.
복수의 외곽 돌기(411, 421)는 세퍼레이터(50)의 외곽을 따라 연장될 수 있다. 복수의 외곽 돌기(411, 421)는 제1 외곽 돌기(411) 및 제2 외곽 돌기(421)를 포함한다.
제1 외곽 돌기(411)는 복수의 유로 리브(300)를 둘러싸도록 형성된다. 제2 외곽 돌기(421)는 복수의 유로 리브(300), 복수의 매니폴드 홀(111, 112, 121, 122, 131, 132), 복수의 매니폴드 돌기(211, 212, 221, 222, 231, 232)를 포위하도록 형성된다. 복수의 외곽 돌기(411, 421)는 세퍼레이터(50)의 내부에서 유동하는 냉매, 제1 가스 또는 제2 가스가 외부로 누출되는 것을 방지하는 역할을 한다.
복수의 유로 리브(300)는 세퍼레이터(50)의 표면으로부터 돌출될 수 있다. 복수의 유로 리브(300)는 서로 이격되게 형성될 수 있으며, 이에 따라, 복수의 유로 리브(300) 사이에는 제1 가스가 통과하는 제1 가스 유로 또는 제2 가스가 통과하는 제2 가스 유로가 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 한 쌍의 세퍼레이터(50)가 서로 결합되어 하나의 조립체를 구성할 수 있다. 한 쌍의 세퍼레이터(50)가 서로 결합되는 것에 의해 어느 하나의 세퍼레이터(50)의 복수의 매니폴드 돌기(211, 212, 221, 222, 231, 232)가 다른 하나의 세퍼레이터(50)의 복수의 매니폴드 돌기(211, 212, 221, 222, 231, 232)에 접합될 수 있다. 이때, 어느 하나의 세퍼레이터(50)의 복수의 매니폴드 돌기(211, 212, 221, 222, 231, 232)의 접합면과 다른 하나의 세퍼레이터(50)의 복수의 매니폴드 돌기(211, 212, 221, 222, 231, 232)의 접합면이 서로 접촉될 수 있다.
또한, 한 쌍의 세퍼레이터(50)가 서로 결합되는 것에 의해 어느 하나의 세퍼레이터(50)의 복수의 외곽 돌기(411, 421)가 다른 하나의 세퍼레이터(50)의 복수의 외곽 돌기(411, 421)에 접합될 수 있다. 이때, 어느 하나의 세퍼레이터(50)의 복수의 외곽 돌기(411, 421)의 접합면과 다른 하나의 세퍼레이터(50)의 복수의 외곽 돌기(411, 421)의 접합면이 서로 접촉될 수 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 한 쌍의 세퍼레이터(50)는 막 전극 조립체(60)에 결합되어 하나의 단위 셀을 형성한다. 그리고, 복수의 단위 셀이 적층되어 연료 전지 스택을 형성한다.
막 전극 조립체(60)는, 제1 전극(61), 제2 전극(62), 전해질 막(63)을 포함한다. 전해질 막(63)은 제1 전극(61) 및 제2 전극(62) 사이에 배치된다.
막 전극 조립체(60)와 세퍼레이터(50) 사이에는 가스 확산층(64)이 배치될 수 있다.
제1 전극(61) 및 제2 전극(62) 중 어느 하나는 애노드일 수 있고, 제1 전극(61) 및 제2 전극(62) 중 다른 하나는 캐소드일 수 있다.
한 쌍의 세퍼레이터(50)가 제1 전극(61) 및 제2 전극(62)에 결합되는 것에 의해 복수의 유로 리브(300) 사이의 공간이 밀폐되며, 이에 따라, 복수의 유로 리브(300)의 길이 방향으로 제1 가스 유로 및 제2 가스 유로가 형성될 수 있다.
한 쌍의 세퍼레이터(50)는, 제1 전극(61)에 인접하게 배치되는 제1 세퍼레이터(51)와, 제2 전극(62)에 인접하게 배치되는 제2 세퍼레이터(52)를 포함한다.
제1 세퍼레이터(51)가 제1 전극(61)에 결합되는 것에 의해, 제1 세퍼레이터(51) 및 제1 전극(61) 사이에 제1 가스 유로(310)가 형성될 수 있다. 제1 가스는 제1 가스 유로(310)를 따라 유동할 수 있다.
제2 세퍼레이터(52)가 제2 전극(62)에 결합되는 것에 의해, 제2 세퍼레이터(52) 및 제2 전극(62) 사이에 제2 가스 유로(320)가 형성될 수 있다. 제2 가스는 제2 가스 유로(320)를 따라 유동할 수 있다.
그리고, 제1 세퍼레이터(51) 및 제2 세퍼레이터(52)가 서로 결합되는 것에 의해, 제1 세퍼레이터(51) 및 제2 세퍼레이터(52) 사이에 냉매 유로(330)가 형성될 수 있다. 냉매는 냉매 유로(330)를 따라 유동할 수 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 세퍼레이터(50) 내에는 진동 센서(80)가 구비된다. 일 예로서, 진동 센서(80)는 통상의 충격 검출 센서 또는 가속도 센서로 구성될 수 있다. 진동 센서(80)는 세퍼레이터(50)의 미세 진동을 감지할 수 있다. 세퍼레이터(50)의 진동은, 제1 가스 유로(310) 내에서의 제1 가스의 유동, 제2 가스 유로(320) 내에서의 제2 가스의 유동 및/또는 냉매 유로(330) 내에서의 냉매의 유동에 의해 발생될 수 있다. 제1 세퍼레이터(51) 및 제2 세퍼레이터(52) 사이의 밀착력 및/또는 세퍼레이터(50) 및 막 전극 조립체(60) 사이의 밀착력이 저하된 경우, 세퍼레이터(50)의 진동이 증가할 수 있다.
진동 센서(80)는 세퍼레이터(50) 내에 매립될 수 있다. 진동 센서(80)는 세퍼레이터(50)를 제조하는 과정에서 성형 재료의 내부에 매립될 수 있다. 진동 센서(80)는 제1 세퍼레이터(51) 또는 제2 세퍼레이터(52)에 구비될 수 있거나, 제1 세퍼레이터(51) 및 제2 세퍼레이터(52) 모두에 구비될 수 있다. 또한, 복수의 진동 센서(80)가 소정의 간격으로 배치될 수 있다.
도 3에 도시된 바와 같이, 진동 센서(80)는 연료 전지 외부의 제어부(91)와 연결될 수 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 진동 센서(80)는 세퍼레이터(50)의 내부에 매립된 신호 라인(81)을 통하여 제어부(91)와 연결될 수 있다. 신호 라인(81)은 세퍼레이터(50) 내에 매립될 수 있다. 신호 라인(81)은 세퍼레이터(50)를 제조하는 과정에서 성형 재료의 내부에 매립될 수 있다.
신호 라인(81)은, 진동 센서(80)와 연결되는 도선(811)과, 도선(811)을 둘러싸도록 구성되며 세퍼레이터(50)를 구성하는 성형 재료로부터 도선(811)을 열적 및 전기적으로 절연하는 단열/전기 절연층(812)을 포함할 수 있다. 단열/전기 절연층(812)은 합성 수지로 형성될 수 있다.
도선(811)은 단열/전기 절연층(812)에 의해 세퍼레이터(50)를 구성하는 성형 재료로부터 전기적으로 절연될 수 있다. 따라서, 세퍼레이터(50)를 따라 흐르는 전류에 영향을 받지 않고, 진동 센서(80)에서 발생된 신호가 제어부(91)로 전달될 수 있다. 또한, 도선(811)은 단열/전기 절연층(812)에 의해 세퍼레이터(50)를 구성하는 성형 재료로부터 열적으로 절연될 수 있다. 따라서, 세퍼레이터(50)의 열에 영향을 받지 않고, 진동 센서(80)에서 발생된 신호가 제어부(91)로 전달될 수 있다.
한편, 제어부(91)는 진동 센서(80)에 의해 측정된 진동과 관련된 정보를 표시하는 표시부(92)와 연결될 수 있다.
일 예로서, 진동 센서(80)에 의하여 측정된 진동이 미리 설정된 기준 진동을 초과하는 경우, 제어부(91)는 제1 세퍼레이터(51) 및 제2 세퍼레이터(52) 사이의 밀착력이 저하된 것으로 판단할 수 있다. 그리고, 제어부(91)는 제1 세퍼레이터(51) 및 제2 세퍼레이터(52) 사이의 밀착력이 저하로 인해, 제1 세퍼레이터(51) 및 제2 세퍼레이터(52) 사이에 공간이 발생할 수 있고, 제1 세퍼레이터(51) 및 제2 세퍼레이터(52) 사이의 공간을 통해 냉매가 외부로 누출될 가능성이 있다는 정보를 표시부(92)에 표시할 수 있다.
다른 예로서, 진동 센서(80)에 의하여 측정된 진동이 미리 설정된 기준 진동을 초과하는 경우, 제어부(91)는 세퍼레이터(50) 및 막 전극 조립체(60) 사이의 밀착력이 저하된 것으로 판단할 수 있다. 그리고, 제어부(91)는 세퍼레이터(50) 및 막 전극 조립체(60) 사이의 밀착력이 저하로 인해, 세퍼레이터(50) 및 막 전극 조립체(60) 사이에 공간이 발생할 수 있고, 세퍼레이터(50) 및 막 전극 조립체(60) 사이에 공간을 통하여 제1 가스 또는 제2 가스가 외부로 누출될 가능성이 있다는 정보를 표시부(92)에 표시할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 세퍼레이터(50)에는 진동 센서(80)가 설치되며, 진동 센서(80)는 세퍼레이터(50)의 진동을 검출하도록 구성된다. 그리고, 진동 센서(80)에 의해 검출된 진동을 기초로, 제1 세퍼레이터(51) 및 제2 세퍼레이터(52) 사이 및/또는 세퍼레이터(50) 및 막 전극 조립체(60) 사이의 밀착력을 감시할 수 있고, 이를 기초로 냉매 및/또는 가스의 외부로의 누출 가능성을 감지할 수 있다. 따라서, 연료 전지의 내부에서 순환하는 냉매 또는 가스가 외부로 누출되는 것을 미연에 방지할 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예가 예시적으로 설명되었으나, 본 발명의 범위는 이와 같은 특정 실시예에 한정되지 않으며, 청구범위에 기재된 범주 내에서 적절하게 변경될 수 있다.
50: 세퍼레이터
60: 막 전극 조립체
80: 진동 센서
81: 신호 라인

Claims (3)

  1. 가스가 통과하는 가스 유로를 포함하는 연료 전지용 세퍼레이터에 있어서,
    상기 가스 유로를 통한 상기 가스의 유동으로 인해 발생하는 진동을 검출하도록 구성되는 진동 센서; 및
    상기 진동 센서의 신호를 외부로 전달하는 신호 라인을 더 포함하고,
    상기 신호 라인은 상기 세퍼레이터를 구성하는 성형 재료 내에 매립되는 것을 특징으로 하는 연료 전지용 세퍼레이터.
  2. 냉매가 통과하는 냉매 유로를 포함하는 연료 전지용 세퍼레이터에 있어서,
    상기 냉매 유로를 통한 상기 냉매의 유동으로 인해 발생하는 진동을 검출하도록 구성되는 진동 센서; 및
    상기 진동 센서의 신호를 외부로 전달하는 신호 라인을 더 포함하고,
    상기 신호 라인은 상기 세퍼레이터를 구성하는 성형 재료 내에 매립되는 것을 특징으로 하는 연료 전지용 세퍼레이터.
  3. 청구항 1 또는 2에 있어서,
    상기 신호 라인은,
    상기 진동 센서와 연결되는 도선; 및
    상기 도선을 둘러싸도록 구성되며 상기 성형 재료로부터 상기 도선을 열적 및 전기적으로 절연하는 단열/전기 절연층을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지용 세퍼레이터.
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