KR20220155473A - 유량 감시 수단을 갖는 연료 전지용 세퍼레이터 및 그 제조 방법 - Google Patents

유량 감시 수단을 갖는 연료 전지용 세퍼레이터 및 그 제조 방법 Download PDF

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KR20220155473A
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Abstract

본 발명의 실시예에 따른 연료 전지용 세퍼레이터는, 가스가 통과하는 가스 유로 및 냉매가 통과하는 냉매 유로와, 냉매 유로에 인접하게 배치되어 냉매 유로를 통과하는 냉매의 압력을 측정하는 압력 센서를 포함하는 연료 전지용 세퍼레이터로서, 제1 기재층; 제1 기재층 상에 배치되는 제1 절연층; 제1 절연층 상에 배치되며 압력 센서를 구성하는 압력 센서층; 제1 절연층 상에 배치되며 압력 센서층과 전기적으로 연결되는 전기 전도층; 제1 절연층, 압력 센서층 및 전기 전도층 상에 배치되는 제2 절연층; 및 압력 센서층이 배치된 영역을 제외한 영역에서 제2 절연층 상에 배치되는 제2 기재층을 포함할 수 있다.

Description

유량 감시 수단을 갖는 연료 전지용 세퍼레이터 및 그 제조 방법{SEPARATOR FOR FUEL CELL WITH MEANS FOR MONITORING FLOW RATE AND METHOD OF MANUFACTURING SAME}
본 발명은 연료 전지용 세퍼레이터 및 그 제조 방법에 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 내부에 형성되는 가스 유로를 통과하는 가스가 외부로 누출되는 것을 방지하도록 기밀성을 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.
한편, 연료 전지는 연료인 수소와 산화제인 산소의 전기 화학적 반응을 통하여 전력과 열을 생성한다. 따라서, 연료 전지로 공급되는 수소와 산소의 유량을 적절하게 관리할 필요가 있다. 또한, 연료 전지의 작동 온도가 미리 설정된 온도보다 낮으면 연료 전지의 효율이 감소하여 수소 및 산소의 소모량이 증가한다. 그리고, 연료 전지의 작동 온도가 미리 설정된 온도보다 높으면 연료 전지 내의 고분자 전해질이 손상되어 연료 전지의 내구성이 저하될 수 있다. 따라서, 연료 전지의 작동 온도를 일정하게 유지하기 위해, 연료 전지의 내부에서 순환하는 냉매의 유량을 적절하게 관리할 필요가 있다.
본 발명의 목적은 연료 전지의 내부에서 순환하는 가스 및 냉매의 유량이 적절하게 관리되도록 할 수 있는 연료 전지용 세퍼레이터 및 그 제조 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 실시예에 따른 연료 전지용 세퍼레이터는, 가스가 통과하는 가스 유로 및 냉매가 통과하는 냉매 유로와, 냉매 유로에 인접하게 배치되어 냉매 유로를 통과하는 냉매의 압력을 측정하는 압력 센서를 포함하는 연료 전지용 세퍼레이터로서, 제1 기재층; 제1 기재층 상에 배치되는 제1 절연층; 제1 절연층 상에 배치되며 압력 센서를 구성하는 압력 센서층; 제1 절연층 상에 배치되며 압력 센서층과 전기적으로 연결되는 전기 전도층; 제1 절연층, 압력 센서층 및 전기 전도층 상에 배치되는 제2 절연층; 및 압력 센서층이 배치된 영역을 제외한 영역에서 제2 절연층 상에 배치되는 제2 기재층을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 연료 전지용 세퍼레이터를 제조하는 방법은, 가스가 통과하는 가스 유로 및 냉매가 통과하는 냉매 유로와, 냉매 유로에 인접하게 배치되어 냉매 유로를 통과하는 냉매의 압력을 측정하는 압력 센서를 포함하는 연료 전지용 세퍼레이터를 제조하는 방법으로서, (a) 제1 기재층을 배치하는 단계; (b) 제1 절연층을 제1 기재층 상에 배치하는 단계; (c) 압력 센서를 구성하는 압력 센서층을 제1 절연층 상에 배치하는 단계; (d) 압력 센서층과 전기적으로 연결되는 전기 전도층을 제1 절연층 상에 배치하는 단계; (e) 제2 절연층을 제1 절연층, 압력 센서층 및 전기 전도층 상에 배치하는 단계; 및 (f) 제2 기재층을 압력 센서층이 배치된 영역을 제외한 영역에서 제2 절연층 상에 배치하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 연료 전지용 세퍼레이터를 제조하는 방법은, 제1 기재층에 압력 센서층과 대응하는 크기의 요홈을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 세퍼레이터에는, 제1 가스 유로를 통과하는 제1 가스의 압력, 제2 가스 유로를 통과하는 제2 가스의 압력, 및/또는 냉매 유로를 통과하는 냉매의 압력을 측정하도록 구성되는 압력 센서가 설치된다. 그리고, 압력 센서에 의해 측정된 제1 가스, 제2 가스 및/또는 냉매의 압력을 기초로, 연료 전지 내부를 순환하는 제1 가스, 제2 가스 및/또는 냉매의 유량이 조절될 수 있다. 따라서, 연료 전지 내부에서 순환하는 제1 가스, 제2 가스 및/또는 냉매의 유량이 적절하게 관리될 수 있다. 제1 가스 및 제2 가스의 유량이 적절하게 관리될 수 있으므로, 연료 전지의 발전 효율이 일정하게 유지될 수 있다. 냉매의 유량이 적절하게 관리될 수 있으므로, 연료 전지의 작동 온도가 일정하게 유지될 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.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지용 세퍼레이터를 제조하는 방법이 개략적으로 도시된 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지용 세퍼레이터 및 그 제조 방법에 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 압력 센서(80)가 구비된다. 압력 센서(80)의 적어도 일부는 세퍼레이터(50) 내에 매립될 수 있다. 압력 센서(80)는 세퍼레이터(50)를 제조하는 과정에서 성형 재료의 내부에 매립될 수 있다.
압력 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 압력 센서(80)가 소정의 간격으로 배치될 수 있다.
압력 센서(80)는 제1 가스 유로(310)와 접하도록 배치될 수 있다. 즉, 압력 센서(80)는 제1 가스 유로(310)와 접하는 세퍼레이터(50)의 일부분에 배치될 수 있다. 따라서, 압력 센서(80)는 제1 가스 유로(310)를 통과하는 제1 가스의 압력을 측정할 수 있다.
또한, 압력 센서(80)는 제2 가스 유로(320)와 접하도록 배치될 수 있다. 즉, 압력 센서(80)는 제2 가스 유로(320)와 접하는 세퍼레이터(50)의 일부분에 배치될 수 있다. 따라서, 압력 센서(80)는 제2 가스 유로(320)를 통과하는 제2 가스의 압력을 측정할 수 있다.
또한, 압력 센서(80)는 냉매 유로(330)와 접하도록 배치될 수 있다. 즉, 압력 센서(80)는 냉매 유로(330)와 접하는 세퍼레이터(50)의 일부분에 배치될 수 있다. 따라서, 압력 센서(80)는 냉매 유로(330)를 통과하는 냉매의 압력을 측정할 수 있다.
도 3에 도시된 바와 같이, 압력 센서(80)는 연료 전지 외부의 제어부(91)와 연결될 수 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 압력 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, 압력 센서(80)와 연결되는 도선(813)과, 도선(813)을 둘러싸도록 구성되며 세퍼레이터(50)를 구성하는 성형 재료로부터 도선(813)을 열적 및 전기적으로 절연하는 단열/전기 절연층(811, 812)을 포함할 수 있다. 단열/전기 절연층(811, 812)은 합성 수지로 형성될 수 있다.
도선(813)은 단열/전기 절연층(811, 812)에 의해 세퍼레이터(50)를 구성하는 성형 재료로부터 전기적으로 절연될 수 있다. 따라서, 세퍼레이터(50)를 따라 흐르는 전류에 영향을 받지 않고, 압력 센서(80)에서 발생된 신호가 제어부(91)로 전달될 수 있다. 또한, 도선(813)은 단열/전기 절연층(811, 812)에 의해 세퍼레이터(50)를 구성하는 성형 재료로부터 열적으로 절연될 수 있다. 따라서, 세퍼레이터(50)의 열에 영향을 받지 않고, 압력 센서(80)에서 발생된 신호가 제어부(91)로 전달될 수 있다.
제어부(91)는 제1 가스 유로(310)로 공급되는 제1 가스의 유량을 조절하는 제1 가스 유량 조절부(92)와 연결될 수 있다. 압력 센서(80)에 의해 측정된 제1 가스 유로(310) 내부의 압력을 기초로, 제어부(91)는 제1 가스 유량 조절부(92)를 제어할 수 있다. 제어부(91)의 제어에 의해, 제1 가스 유량 조절부(92)는 제1 가스 유로(310)로 공급되는 제1 가스의 유량을 조절할 수 있다.
일 예로서, 압력 센서(80)에 의해 측정된 제1 가스의 압력이 미리 설정된 압력 미만인 경우, 제어부(91)의 제어에 의해, 제1 가스 유량 조절부(92)가 제1 가스 유로(310)로 공급되는 제1 가스의 유량을 증가시킬 수 있다. 이에 따라, 제1 가스 유로(310)를 통과하는 제1 가스의 압력이 미리 설정된 압력으로 증가할 수 있다. 그리고, 제1 가스 유로(310)에는 미리 설정된 유량 및 압력으로 제1 가스가 유동할 수 있다.
다른 예로서, 압력 센서(80)에 의해 측정된 제1 가스의 압력이 미리 설정된 압력을 초과하는 경우, 제어부(91)의 제어에 의해, 제1 가스 유량 조절부(92)가 제1 가스 유로(310)로 공급되는 제1 가스의 유량을 감소시킬 수 있다. 이에 따라, 제1 가스 유로(310)를 통과하는 제1 가스의 압력이 미리 설정된 압력으로 감소할 수 있다. 그리고, 제1 가스 유로(310)에는 미리 설정된 유량 및 압력으로 제1 가스가 유동할 수 있다.
제어부(91)는 제2 가스 유로(320)로 공급되는 제2 가스의 유량을 조절하는 제2 가스 유량 조절부(93)와 연결될 수 있다. 압력 센서(80)에 의해 측정된 제2 가스 유로(320) 내부의 압력을 기초로, 제어부(91)는 제2 가스 유량 조절부(93)를 제어할 수 있다. 제어부(91)의 제어에 의해, 제2 가스 유량 조절부(93)는 제2 가스 유로(320)로 공급되는 제2 가스의 유량을 조절할 수 있다.
일 예로서, 압력 센서(80)에 의해 측정된 제2 가스의 압력이 미리 설정된 압력 미만인 경우, 제어부(91)의 제어에 의해, 제2 가스 유량 조절부(93)가 제2 가스 유로(320)로 공급되는 제2 가스의 유량을 증가시킬 수 있다. 이에 따라, 제2 가스 유로(320)를 통과하는 제2 가스의 압력이 미리 설정된 압력으로 증가할 수 있다. 그리고, 제2 가스 유로(320)에는 미리 설정된 유량 및 압력으로 제2 가스가 유동할 수 있다.
다른 예로서, 압력 센서(80)에 의해 측정된 제2 가스의 압력이 미리 설정된 압력을 초과하는 경우, 제어부(91)의 제어에 의해, 제2 가스 유량 조절부(93)가 제2 가스 유로(320)로 공급되는 제2 가스의 유량을 감소시킬 수 있다. 이에 따라, 제2 가스 유로(320)를 통과하는 제2 가스의 압력이 미리 설정된 압력으로 감소할 수 있다. 그리고, 제2 가스 유로(320)에는 미리 설정된 유량 및 압력으로 제2 가스가 유동할 수 있다.
제어부(91)는 냉매 유로(330)로 공급되는 냉매의 유량을 조절하는 냉매 유량 조절부(94)와 연결될 수 있다. 압력 센서(80)에 의해 측정된 냉매 유로(330) 내부의 압력을 기초로, 제어부(91)는 냉매 유량 조절부(94)를 제어할 수 있다. 제어부(91)의 제어에 의해, 냉매 유량 조절부(94)는 냉매 유로(330)로 공급되는 냉매의 유량을 조절할 수 있다.
일 예로서, 압력 센서(80)에 의해 측정된 냉매의 압력이 미리 설정된 압력 미만인 경우, 제어부(91)의 제어에 의해, 냉매 유량 조절부(94)가 냉매 유로(330)로 공급되는 냉매의 유량을 증가시킬 수 있다. 이에 따라, 냉매 유로(330)를 통과하는 냉매의 압력이 미리 설정된 압력으로 증가할 수 있다. 그리고, 냉매 유로(330)에는 미리 설정된 유량 및 압력으로 냉매가 유동할 수 있다.
다른 예로서, 압력 센서(80)에 의해 측정된 냉매의 압력이 미리 설정된 압력을 초과하는 경우, 제어부(91)의 제어에 의해, 냉매 유량 조절부(94)가 냉매 유로(330)로 공급되는 냉매의 유량을 감소시킬 수 있다. 이에 따라, 냉매 유로(330)를 통과하는 냉매의 압력이 미리 설정된 압력으로 감소할 수 있다. 그리고, 냉매 유로(330)에는 미리 설정된 유량 및 압력으로 냉매가 유동할 수 있다.
이하, 도 4를 참조하여, 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지용 세퍼레이터를 제조하는 방법에 대하여 설명한다.
본 발명의 실시예에 따른 연료 전지용 세퍼레이터를 제조하는 방법은, (a) 제1 기재층(501)을 배치하는 단계; (b) 제1 절연층(811)을 제1 기재층(501) 상에 배치하는 단계; (c) 압력 센서(80)를 구성하는 압력 센서층(801)을 제1 절연층(811) 상에 배치하는 단계; (d) 압력 센서층(801)과 전기적으로 연결되는 전기 전도층(813)을 제1 절연층(811) 상에 배치하는 단계; (e) 제2 절연층(812)을 제1 절연층(811), 압력 센서층(801) 및 전기 전도층(813) 상에 배치하는 단계; 및 (f) 제2 기재층(502)을 압력 센서층(801)이 배치된 영역을 제외한 영역에서 제2 절연층(812) 상에 배치하는 단계를 포함할 수 있다.
한편, 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지용 세퍼레이터를 제조하는 방법은, 제1 기재층(501)에 압력 센서층(801)과 대응하는 크기의 요홈(503)을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다. 제1 기재층(501)에 요홈(503)이 형성되므로 압력 센서층(801)이 요홈(503) 내에서 정위치에 위치될 수 있다. 따라서, 압력 센서층(801)의 위치가 변동되는 것을 방지할 수 있다.
제1 기재층(501) 및 제2 기재층(502)는 열경화성 수지, 전기 전도성 입자, 탄소 섬유를 혼합한 혼합물을 포함할 수 있다. 열경화성 수지는 페놀 수지일 수 있다. 전기 전도성 입자는 카본 블랙 입자일 수 있다.
전기 전도층(813)은 신호 라인(81)의 도선(813)을 구성할 수 있다.
제1 절연층(811) 및 제2 절연층(812)은 합성 수지로 형성될 수 있다. 제1 절연층(811) 및 제2 절연층(812)은 전기 절연성 및 단열성을 가질 수 있다. 제1 절연층(811) 및 제2 절연층(812)은 압력 센서층(801)을 제1 기재층(501)으로부터 열적 및 전기적으로 차단하는 역할을 한다. 또한, 제1 절연층(811) 및 제2 절연층(812)은 전기 전도층(813)을 제1 기재층(501) 및 제2 기재층(502)으로부터 열적 및 전기적으로 차단하는 역할을 한다.
압력 센서층(801)은 압력 센서(80)를 구성한다. 예를 들면, 압력 센서층(801)은 스트레인 게이지로 구성될 수 있다.
한편, 제2 기재층(502)이 압력 센서층(801)이 배치된 영역을 제외한 영역에서 제2 절연층(812) 상에 배치된다. 따라서, 압력 센서층(801) 상에는 제2 기재층(502)이 배치되지 않는다. 따라서, 압력 센서층(801)은 제2 절연층(812)을 통하여 외부로 노출될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 세퍼레이터(50)에는, 제1 가스 유로(310)를 통과하는 제1 가스의 압력, 제2 가스 유로(320)를 통과하는 제2 가스의 압력, 및/또는 냉매 유로(330)를 통과하는 냉매의 압력을 측정하도록 구성되는 압력 센서(80)가 설치된다. 그리고, 압력 센서(80)에 의해 측정된 제1 가스, 제2 가스 및/또는 냉매의 압력을 기초로, 연료 전지 내부를 순환하는 제1 가스, 제2 가스 및/또는 냉매의 유량이 조절될 수 있다. 따라서, 연료 전지 내부에서 순환하는 제1 가스, 제2 가스 및/또는 냉매의 유량이 적절하게 관리될 수 있다. 제1 가스 및 제2 가스의 유량이 적절하게 관리될 수 있으므로, 연료 전지의 발전 효율이 일정하게 유지될 수 있다. 냉매의 유량이 적절하게 관리될 수 있으므로, 연료 전지의 작동 온도가 일정하게 유지될 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: 압력 센서
81: 신호 라인

Claims (3)

  1. 가스가 통과하는 가스 유로 및 냉매가 통과하는 냉매 유로와, 상기 냉매 유로에 인접하게 배치되어 상기 냉매 유로를 통과하는 냉매의 압력을 측정하는 압력 센서를 포함하는 연료 전지용 세퍼레이터에 있어서,
    제1 기재층;
    상기 제1 기재층 상에 배치되는 제1 절연층;
    상기 제1 절연층 상에 배치되며 상기 압력 센서를 구성하는 압력 센서층;
    상기 제1 절연층 상에 배치되며 상기 압력 센서층과 전기적으로 연결되는 전기 전도층;
    상기 제1 절연층, 상기 압력 센서층 및 상기 전기 전도층 상에 배치되는 제2 절연층; 및
    상기 압력 센서층이 배치된 영역을 제외한 영역에서 상기 제2 절연층 상에 배치되는 제2 기재층을 포함하는 연료 전지용 세퍼레이터.
  2. 가스가 통과하는 가스 유로 및 냉매가 통과하는 냉매 유로와, 상기 냉매 유로에 인접하게 배치되어 상기 냉매 유로를 통과하는 냉매의 압력을 측정하는 압력 센서를 포함하는 연료 전지용 세퍼레이터를 제조하는 방법에 있어서,
    (a) 제1 기재층을 배치하는 단계;
    (b) 제1 절연층을 상기 제1 기재층 상에 배치하는 단계;
    (c) 상기 압력 센서를 구성하는 압력 센서층을 상기 제1 절연층 상에 배치하는 단계;
    (d) 상기 압력 센서층과 전기적으로 연결되는 전기 전도층을 상기 제1 절연층 상에 배치하는 단계;
    (e) 제2 절연층을 상기 제1 절연층, 상기 압력 센서층 및 상기 전기 전도층 상에 배치하는 단계; 및
    (f) 제2 기재층을 상기 압력 센서층이 배치된 영역을 제외한 영역에서 상기 제2 절연층 상에 배치하는 단계를 포함하는 방법.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 제1 기재층에 상기 압력 센서층과 대응하는 크기의 요홈을 형성하는 단계를 더 포함하는 방법.
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