KR20230080486A - 전지 전압을 모니터링하기 위한 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 연료 전지 스택(1)의, 멤브레인 전극 조립체(4) 및 바이폴라 플레이트들(6)에 의해 형성된, 개별 전지(3)의 전지 전압을 모니터링하기 위한 장치에 관한 것이며, 상기 장치는 개별 전지(3) 각각을 위한 측정 디바이스(7)를 갖고, 측정 디바이스는 측정 디바이스에 의해 제어가능한 광 신호 생성기(9)를 포함한다. 본 발명에 따른 장치는, 측정 디바이스(7)가 프레임형 멤브레인 전극 조립체(4, 5)의 프레임(5)에 연결되거나 또는 상기 프레임의 일부로서 형성된 가요성(flexible) 회로 기판 상에 형성된다.

Description

전지 전압을 모니터링하기 위한 장치

본 발명은 청구항 1의 전제부에서 보다 상세하게 정의된 유형에 따른 연료 전지 스택의, 멤브레인 전극 조립체 및 바이폴라 플레이트에 의해 형성된, 개별 전지의 전지 전압을 모니터링하기 위한 장치에 관한 것이다.

연료 전지 스택 내의 개별 전지들의 전지 전압들의 모니터링은 원칙적으로 선행 기술로부터 알려져 있다. 이는 종종 전지 전압 측정(cell voltage measurement; CVM)이라고 언급되거나 약칭된다. 예를 들어, 차량에서 사용되는 것과 같은 연료 전지 스택의 경우, 이러한 CVM은 비교적 복잡하고 고가이며, 상당한 양의 설치 공간을 필요로 한다. 또한, 연료 전지 스택당 일반적으로 200개 내지 400개의 개별 전지들의 전기적 접점부들이 태핑(tap)되어야 하며, 필요한 경우, 측정을 신뢰성 있게 수행할 수 있도록 리드 아웃되어야 한다. 또한, 전체적인 구조가 고전압 환경에서 배열되며, 이에 대응적으로, 예를 들어, 절연 저항, 절연 세기, 및 연면 거리(creepage distance)와 관련하여 안전하도록 구현되어야 한다. 또한, 구조는 일반적으로 연료 전지 스택 주변의 하우징 내에 배열된다. 침투 및 누출로 인해 수소가 여기서 축적될 수 있으므로, 특별한 폭발 보호가 보장되어야 한다. 또한, 전체적인 구조는 전기화학적 부식 측면에서 까다로운 환경에 있다.

이러한 문제들을 해결하기 위해, DE 10 2007 015 735 A1은 이제 연료 전지 스택을 위한 광학 전지 전압 모니터링 디바이스를 제안한다. 측정된 전압의 광 신호를 생성하기 위해, 개별 전지들의 바이폴라 플레이트들 사이에 고정된 측정 디바이스에 광학 장치가 배열된다. 그런 후 연료 전지 스택 내에서 감지된 개별 전지들의 전압들의 측정값들을 연료 전지 스택의 외부 환경으로 전송하기 위해 각 신호 소스들에 할당된 센서들 또는 검출기들에 의해 이러한 광 신호들이 광커플러 방식으로 픽업된다. 이를 위해, 고해상도 검출기들이 사용될 수 있으며, 검출기들의 수는 거울들을 사용함으로써 감소될 수 있다.

구조는, 특히 바이폴라 플레이트들 사이의 조립체 및 이에 대한 연결로 인해 여전히 비교적 고가이고 복잡하다. 또한, 신호 처리를 위해 고해상도 검출기가 필요한데, 이는 한편으로는 오류가 발생하기 쉽고 다른 한편으로는 복잡하고 고가이다.

이제 본 발명의 목적은 언급된 종래 기술을 유리하게 발전시킨 청구항 1의 전제부에 따른 전지 전압을 모니터링하기 위한 개선된 장치를 명시하는 것이다.

본 발명에 따르면, 이 목적은 청구항 1에서의 그리고, 특히 청구항 1의 특징부에서의 피처들을 갖는 장치에 의해 달성된다. 본 발명에 따른 장치의 유리한 설계 및 추가적인 개선예가 종속항들으로부터 초래된다.

본 발명에 따른 장치는 서두에서 언급된 종래 기술에서 기술된 것과 유사한 방식으로, 각각의 개별 전지에 광 신호 송신기를 갖는 측정 디바이스가 할당되는 것을 제공한다. 본 발명에 따르면, 측정 디바이스는 가요성(flexible) 회로 기판 상에 형성되고, 가요성 회로 기판은 프레임형 멤브레인 전극 조립체, 소위 멤브레인 전극 프레임형 조립체(Membrane Electrode Framed Assembly; MEFA)의 프레임에 연결되거나 또는 이것의 일부로서 형성된다. 이 MEFA는 오늘날의 연료 전지 스택에서 매우 중요한 역할을 한다. 이 구조는 전극, 촉매 코팅된 멤브레인 및 가스 확산층의 생산 중에 이미 완료된 것이며, 그 후, 예를 들어 자체 밀봉부가 제공되고, 그 후, 연료 전지 스택이 적층될 때 두 개의 바이폴라 플레이트들 사이에 삽입되어, SMEFA라고 칭해진다. 대안적으로, 밀봉부는 바이폴라 플레이트들에 대응하게 연결되거나 또는, 원칙적으로, 적층 중에 또한 삽입된다. 이와 상관없이, 프레임의 영역에서의 가요성 회로 기판은 매우 간단하고 효율적이며 부분적으로 이것을 형성할 수도 있다. 이러한 회로 기판은 본 발명에 따른 구조의 경우에서, 다양한 기능들을 포함할 수 있으며, 적어도 측정 디바이스는 이에 의해 제어될 수 있는 광 신호 생성기를 갖춘다.

이것은 구조를 매우 간단하게 하고 조립을 매우 효율적이게 한다. 가요성 회로 기판은 연료 전지 스택 내의 다른 컴포넌트들에 의해 점유되는 설치 공간을 사실상 필요하지 않아서, 개별 전지들의 전지 전압들을 모니터링하기 위한 장치는 설치 공간을 거의 차지하지 않고서 형성될 수 있다. 종래 기술로부터 원칙적으로 알려진 바와 같이, 광커플러 방식으로 적어도 하나의 광 센서와 상호작용하는 광 신호 생성기의 사용은 또한 어떠한 문제들없이 전기적 안전성 및 폭발 보호에 대한 요건들을 충족시키는 것을 가능하게 한다.

본 발명에 따른 장치의 매우 유리한 추가적인 개선예에 따르면, 측정 디바이스는 가요성 전도체 및/또는 특히 바람직하게는 스프링 접점부를 통해 두 개의 인접한 바이폴라 플레이트들에 전기적으로 연결될 수 있다. 측정 디바이스를 갖춘 가요성 회로 기판과 바이폴라 플레이트 사이에서 전도체 루프를 형성하는 가요성 전도체들을 통한 이러한 연결은 이에 따라 간단하며 연료 전지 스택의 길이가 확장되도록 하는데, 이는 압력 및/또는 온도 변화로 인한 것인지에 상관없이, 동작 동안 피할 수 없는 것이다. 측정 디바이스 또는 측정 디바이스가 제공된 가요성 회로 기판과 인접한 바이폴라 플레이트 사이에서의 스프링 접점부의 사용은 동일한 것을 가능하게 해준다. 또한, 스프링 접점부를 갖는 변형예는 또한 특히 조립하기가 쉬운데, 왜냐면, 측정 디바이스와 접촉하기 위해 특별한 주의를 기울일 필요가 없기 때문인데, 하지만, 이는 가요성 전도체들이 사용될 때, 연료 전지 스택의 요소들이 여전히 연결되어 있는 동안, 예를 들어, 솔더링되어 있는 동안에 적층될 때 자동적으로 발생하기 때문이다.

측정 디바이스 자체는 그 자체로 알려진 방식으로 형성될 수 있다. 본 발명에 따른 장치의 특히 유리한 실시예에 따르면, 측정 디바이스는 어떠한 경우에도 스텝업(step-up) 컨버터를 포함한다. 그러한 스텝업 컨버터는 이제, 예를 들어, 하나 이상의 LED를 포함할 수 있는 광 신호 생성기를 효율적으로 구동하기 위해 개별 전지들의 상대적으로 낮은 전압을 대응하게 스텝업시킬 수 있다. 전력은 각 전지 자체로부터 공급되므로, 본 구조를 연결하기 위한 추가적인 조치가 필요하지 않다.

측정 디바이스에 대한 물리적 입력 변수로서의 전지 전압은 각 개별 전지에 대해 0과 일반적으로 1.23V 사이이다. 바람직하게는 집적 회로의 일부로서 형성되는 대응하는 스텝업 컨버터를 통해, 그리고 클록 또는 주파수 생성기로서의 공진 회로를 통해, 일반적으로 0.6V 위인 이 전지 전압은 DC/DC 스텝업 컨버터로서의 스텝업 컨버터를 통해, 예를 들어, 2.4 내지 4V의 전압 레벨로 스텝업될 수 있는데, 이것은 이에 따라 광 신호 생성기의 LED들을, 특히 다색 LED 또는 여러 개의 LED를 상이한 밝기 레벨, 색상, 점멸 주파수 등으로 제어하기 위함이며, 이 LED들 모두는 접촉없이, 예를 들어, CCD 또는 CIS 센서를 통해 모니터링된 개별 전지의 전압을 수신하고, 이에 따라 이를 평가하여 연료 전지 스택을 제어하기 위해 사용될 수 있다.

본 발명에 따른 장치의 매우 유리한 추가적인 개선예에 따르면, 광 신호 생성기는 측정 디바이스에 의해 상이한 상태들로 제어될 수 있도록 하는 방식으로 형성되며, 제어 가능성은 바람직하게는 네 개의 상이한 상태들을 포함한다. 이러한 상태들 중 첫번째 상태 - 이상적으로 이것은 정상 상태임 - 는 광 신호 생성기가 스위치 오프로 남아 있는 것일 수 있다. 따라서, 광 신호가 활성화되지 않으면, 전지는 지정된 타겟 범위에서 동작한다. 일반적으로 로우(low) 전지라고 불리우는 너무 낮은 전압, 너무 높은 전압(하이(high) 전지)과 같은 문제 또는 개별 전지의 극성의 반전(전지 반전)의 훨씬 더 심각한 문제가 있는 경우, 광 신호 생성기가 그에 따라 측정 디바이스를 통해 활성화된다. 로우 전지에 대한 일반적인 전압은 동작 중에 있는 개별 전지의 600mV 미만이고, 하이 전지의 전압은 약 825mV보다 크다. 전지 반전은 개별 전지가 -10mV 내지 -800mV, 보통은 약 -600mV를 전달할 때 발생한다.

따라서 활성화된 광 신호 생성기는 각각의 개별 전지에 대한 문제를 표시하며 따라서 개별 전지를 포함하는 연료 전지 스택에 대한 문제를 사실상 표시한다. 이상적으로는, 광 신호 생성기가 스위치 온되어 있을 때 광 신호 생성기의 적어도 두 개의 상이한 상태들에 의해 차이가 또한 시각화될 수 있어서, 광 신호 생성기를 사용하여, 개별 전지가 정상적으로 동작하고 있는지 여부, 즉, 광 신호 생성기가 스위치 오프되어 있는지 여부, 전지가 너무 많거나 너무 적은 전압을 공급하고 있기 때문에 광 신호 생성기가 스위치 온되어 있는지 여부, 또는 개별 전지가 자신의 극성을 반전시켰기 때문에 - 이를 일반적으로 전지 반전이라고도 칭함 - 광 신호 생성기가 스위치 온되어 있는지 여부를 결정할 수 있다. 전지 반전은 디스플레이되는 가장 중요한 상태이며, 그 다음은 로우 전지이다. 일반적으로 하이 전지라고 불리우는 과도 전압은 가장 덜 중요한 조건이다.

따라서 가장 간단한 경우는 모든 종류의 문제의 표시일 것이며, 그 다음으로는 하이 전지와 로우 전지를 하나의 상태로 결합시켜서, 문제들을 문제와 전지 반전으로 구별하는 것이거나, 또는 특히 바람직하게는, 노력과 설치 공간 측면에서 손쉽게 가능하다면, 세가지 모든 상태들의 표시를 명시적으로 하는 것일 것이다.

그 자체로 알려진 다양한 가능성들이 개별 상태들을 표현하는 데 사용될 수 있다. 예를 들어, 광 신호 생성기의 하나 이상의 단색 광원의 경우, 상이한 점멸 주파수 등을 사용하여 상태들을 구별할 수 있다. 그러나, 특정 선호도에 따라 상이한 색상들이 사용될 수 있다.

본 발명에 따른 장치의 매우 바람직한 설계에 따르면, 각각의 측정 디바이스의 광 신호 생성기는 적어도 두 개, 바람직하게는 세 개의 광 색상들을 방출할 수 있는 발광 다이오드(LED)에 의해 형성된다. 따라서 발광 다이오드는 특히 소위 다색 LED로서 형성될 수 있다. 상태에 따라, 발광 다이오드는 스위치 오프로 남을 수 있거나(이는 개별 전지의 정상 상태에 대응함), 또는 제1 색상, 예를 들어, 백색을 방출할 수 있거나(이는 개별 전지의 감소된 전압에 대응함), 또는 예를 들어, 적색을 방출할 수 있다(이는 개별 전지의 분극의 반전에 대응할 것임). 선택적으로, 청색은 예를 들어, 개별 전지의 전압이 너무 높다는 것을 표시할 수 있다.

대안적인 설계에서, 각각의 측정 디바이스의 광 신호 생성기는 적어도 두 개의 발광 다이오드들을 가질 수 있다. 광 신호 생성기의 두 개 또는 바람직하게는 세 개의 발광 다이오드들은 모두 동일한 색상을 방출할 수 있지만, 이는 두 개의 상이한 광 센서들을 통한 평가를 필요로 하거나, 또는 발광 다이오드들은 또한 본 발명에 따른 장치의 특히 유리한 추가적인 개선예에 따라 상이한 색상들을 방출할 수 있다. 이 경우, 예를 들어, 기록된 신호들을 푸리에 분석을 받게 함으로써 광 신호 생성기들에서 다색 LED들이 사용될 때 생성되는 상이한 광 색상들 사이를 구별할 수 있는 적절한 평가 전자장치를 단일 광 센서가 갖고 있다면 기본적으로 이 단일 광 센서로도 충분하다.

별개로 형성된 여러 개의 LED들을 사용하여 상이한 광 색상들이 또한 손쉽게 그리고 효율적으로 생성될 수 있으며, 요건들에 따라, 이는 보다 복잡한 다색 다이오드들을 사용하는 것보다 더 간단하고 더 비용 효율적인 변형예일 수 있지만, 여러 개의 발광 다이오드들을 위한 설치 공간을 필요로 하여서, 상황에 따라 하나 또는 다른 변형예가 유리할 수 있다.

두가지 변형예들에 상관없이, 스위치 온되었을 때, 바람직하게는 각각의 개별 전지 내의 다양한 문제들을 표시하기 위해 상이한 색상들을 사용하는 광이 궁극적으로 생성된다. 이제 대응하는 광 센서들을 사용하여 복수의 측정 디바이스들의 각각의 개별 광 신호 생성기에 개별적으로 또는 거울 및 고해상도 센서를 통해 전술된 종래 기술에서 도시된 방식으로 질의하는 것이 가능하다. 그러나, 실제로는, 연료 전지 스택 내의 개별 전지들 중 어느 것이 대응 문제를 야기시키고 있는지는 종종 전혀 상관이 없는데, 왜냐면, 일반적으로는 전체 연료 전지 스택에 영향을 미치는 반응에 대해 대응 조치를 취해야 하거나, 또는 예를 들어 개별 셀들을 스위치 오프시키는 것은 실제로 불가능하기 때문에 추가적인 손상을 회피하기 위해 전체 스택이 스위치 오프되어야 하기 때문이다.

본 발명에 따른 장치의 매우 바람직하고 비용 효율적인 추가적인 개선예에서, 이에 따라 연료 전지 스택의 모든 광 신호 생성기들의 신호들은 적어도 하나의 도광체를 통해 적어도 하나의 광 센서에 연결된다. 따라서 본 발명의 이러한 특히 유리한 설계는 도광체들의 사용을 제공할 수 있다. 원칙적으로, 개별 광 신호 생성기들의 각각의 개별 발광 다이오드 또는 각각의 광원에는 이제 자체 도광체가 제공되어, 광을 공통 광 센서로 또는 소수의 광 센서로 유도할 수 있다. 그러나, 본 구조는, 본 발명에 따른 장치의 유리한 설계에 따라, 광 신호 생성기들이 자신들의 광을 스트립 형상 도광체의 종방향측(longitudinal side)들 중 하나 내로 결합시키고 적어도 광 센서가 이 스트립 형상 도광체의 단부면들 중 적어도 하나 상에 배열되는 방식으로, 적어도 하나의 스트립 형상 도광체가 활용된다면, 특히 간단하고 효율적이 된다.

예를 들어, 적층 방향으로 연료 전지 스택을 따라 뻗어 있고 각각의 측정 디바이스들의 광 신호 생성기들이 활성화될 때 광을 제어하는 단일 도광체는 예를 들어, 하나의 단일 광 센서로 모든 신호 생성기들을 동시에 제어하기에 충분할 수 있다. 그런 후 이러한 도광체를 사용하여 하나의 광 센서로 스택 내의 문제를 검출할 수 있다. 반응이 스택의 셧다운이라면, 이는 완전히 충분하며 개별 전지 전압 모니터링에 대해 이전에 발생한 비용을 상당히 감소시킬 수 있다.

본 사상의 매우 유리한 추가적인 개선예에 따르면, 평가 전자장치는 색상을 구별하도록 설정된 광 센서에 할당될 수 있다. 예를 들어, 적색 광 색상이 적절한 정도로 발생하는 경우 적색 광 색상은 광 센서에 의해 기록된 데이터의 푸리에 분석을 통해 필터링될 수 있다. 이것은 단일 센서, 및, 필요한 경우, 여러 개의 개별 전지들로부터의 여러 개의 활성 광 신호 생성기들이 사용되어 개별 전지들 중 하나 또는 모두가 "로우 전지" 또는 "하이 전지" 문제를 겪고 있는지 여부 또는 이들 중 하나 이상이 분극 반전을 문제로서 갖는지 여부를 검출할 수 있다는 것을 의미한다.

이것은 상이한 색상을 생성할 수 있는 단일 다색 LED를 사용한 경우와, 상이한 색상의 LED들을 사용할 때 모두에서 잘 동작하며, 양자는 각자의 광을 하나의 동일한 도광체 내로 방사시킨다.

바람직하게는 상이한 광 색상들을 갖는 적어도 두 개의 개별 LED들을 갖는 변형예의 대안적 설계는 또한, 예를 들어, 광 신호 생성기의 개별 LED들이 또한 나란히 배열되고 적층 방향에 대해 횡방향으로 오프셋되어 있는 동안, 예를 들어, 병렬로 배열되어 있는 적어도 두 개의 스트립 형상 도광체들이 존재하는 것을 제공할 수 있다. 그 후 하나의 LED로부터의 광과 다른 LED로부터의 광은 스택을 따라 뻗어 있는 두 개 또는 세 개의 도광체들을 통해 타겟화된 방식으로 스택의 단부들 중 하나의 단부의 영역 내로 안내될 수 있다. 각각의 도광체용 센서를 사용하여, 그 후 하나 또는 다른 LED 및 그에 따른 하나 또는 다른 상태, 즉 적어도 하나의 로우 전지, 하나의 하이 전지의 존재 또는 반전된 극성을 갖는 적어도 하나의 전지의 존재가 복잡한 소프트웨어 분석없이 검출될 수 있다.

개별 전지들의 수와 연료 전지 스택의 길이에 따라, 이는 유리할 수도 있으며, 그리고, 스트립 형상 도광체를 갖는 상술된 설계 변형예에 대해, 연료 전지 스택의 단부들 각각마다, 즉 도광체의 양 단부면들 상에, 광 센서를 배열시켜서, 광 센서들의 영역에서 낮은 광 출력으로 신뢰성을 증가시키는 것이 또한 가능하다.

본 발명에 따른 장치의 추가적인 유리한 설계는 또한 도면들을 참조하여 보다 상세하게 표현되는 예시적인 실시예로부터 초래된다.

도면들은 다음을 도시한다:
도 1은 연료 전지 스택의 개략도이다.
도 2는 본 발명에 따른 장치를 갖는 연료 전지 스택의 단면이다.
도 3은 본 발명에 따른 장치의 특히 바람직한 설계를 갖는 도 1에서의 것과 유사한 표현이다.
도 4는 제1 가능한 실시예에서의 장치 및 연료 전지 스택의 섹션에 기초한 본 발명에 따른 장치의 가능한 설계의 표현이다.
도 5는 제2 가능한 실시예에서의 장치 및 연료 전지 스택의 섹션에 기초한 본 발명에 따른 장치의 가능한 설계의 표현이다.
도 6은 제3 가능한 실시예에서의 장치 및 연료 전지 스택의 섹션에 기초한 본 발명에 따른 장치의 가능한 설계의 표현이다.
도 7은 제4 가능한 실시예에서의 장치 및 연료 전지 스택의 섹션에 기초한 본 발명에 따른 장치의 가능한 설계의 표현이다.

도 1의 표현에서, 1로 표시된 연료 전지 스택은 매우 대략적인 측면에서 도시된 것이다. 2로 각각 표시되는 두 개의 단부 플레이트들 사이에는, 3으로 표시되는 복수의 개별 전지들이 있으며, 한편으로는 여기에서는 그 모두가 표현된 것은 아니며 다른 한편으로는 표현된 것 모두에 참조 번호가 제공된 것은 아니다. 이러한 연료 전지 스택(1)의 구조는 당업자에게 알려져 있다. 여기서 표현된 연료 전지 스택(1)은 PEM 개별 전지들, 즉 촉매 코팅된 양성자 전도성 멤브레인을 갖는 전지들을 갖는 저온 연료 전지이여야 한다.

도 2의 표현에서, 연료 전지 스택의 섹션이 확대된 표현으로 도시되어 있다. 여기에서 도시된 중간 개별 전지(3)는 상단 부분만 도시되어 있으며, 한편으로는 촉매 코팅된 멤브레인을 포함하고 다른 한편으로는 가스 확산층 및 전극을 포함하는 소위 멤브레인 전극 조립체(4)를 포함한다. 이 멤브레인 전극 조립체는 여기서 프레임(5)에 접착된다. 이 구조를 프레임형 멤브레인 전극 조립체 또는 멤브레인 전극 프레임 조립체(Membrane Electrode Frame Assembly; MEFA)라고도 칭한다. 이 MEFA(4, 5)에는 여기서 표현되지 않은 자체 밀봉이 제공될 수 있다. 그 후 이를 SMEFA라고 칭한다. 이에 대한 대안으로서, 각각의 경우 MEFA(4, 5)에 인접하게 배열된 바이폴라 플레이트(6)에서 적층되거나 배열될 때 밀봉이 또한 삽입될 수 있다. 이들 바이폴라 플레이트들(6) 중 두 개가 도 2의 표현에서 표현되어 있다. 이들은 일측 상에서 수소 함유 가스를 분배하기 위한 유동장(flow field)(여기서는 표현되지 않음)을, 그리고, 타측 상에서 산소 함유 가스를 두 개의 인접한 개별 전지들에 분배하기 위한 유동장(여기서는 표현되지 않음)을 갖는다. 냉각 매질용 유동장은 일반적으로 바이폴라 플레이트(6)의 내부 사이에 배열된다. 이 모든 것은 연료 전지 분야의 당업자에게 알려져 있다. 바이폴라 플레이트(6)는 금속 또는 전기 전도성 충전재가 제공된 플라스틱 또는 전기 전도성 코팅을 갖는 플라스틱 물질로 제조될 수 있다. 이 모든 것은 본 발명에서 이차적으로 중요한 것이므로, 더 이상 논의하지 않을 것이다.

프레임(5)과 연결되거나 또는 프레임(5)의 일부로서, 여기서 표현되지 않은 가요성 회로 기판이 형성되는데, 이는 여기서 프레임(5) 상에 있는 것으로 표현되는, 7로 표시된 측정 디바이스를 지닌다. 이 측정 디바이스(7)는 스텝업 컨버터 및 연결된 프레임(5)을 소유하는 개별 전지(3)의 전압을 검출하기 위한 디바이스와 같은 다양한 컴포넌트들을 포함한다. 프레임(5)에 연결되거나 또는 프레임(5)에 의해 형성된 가요성 회로 기판 상에 배열된 측정 디바이스(7)는 바람직하게는 탄성 전기적 접점부(8)를 통해, 두 개의 인접한 바이폴라 플레이트들(6)과 전기적으로 접촉하는데, 즉, 일측 상에서는 대응하는 바이폴라 플레이트(6)의 양극 표면과, 그리고 타측 상에서는 음극 표면과 전기적으로 접촉한다. 그 결과, 할당받은 연료 전지 스택(1)의 개별 전지(3)의 전압이 측정 디바이스(7)를 통해 모니터링될 수 있다.

연료 전지 스택(1)의 동작을 위해, 이제부터는 상이한 전압 상태들 사이를 구별하는 것이 필수적이다. 한편, 이것은 정상 상태, 전지 전압이 감소된 상태("로우 전지"라고 칭함), 전압이 증가된 상태("하이 전지"라고 칭함), 및 개별 전지(3)의 전기 극성의 반전이 일어난 상태이다. 이 상태를 종종 용어 "전지 반전"이라고 칭한다. 연료 전지 스택(1)의 제어를 위해, 이제 모든 개별 전지(3)가 정상적으로 작동 중에 있는지 여부 또는 하나 이상의 개별 전지가 방금 설명한 임계 상태들 중 하나를 갖는지 여부가 결정적으로 중요하며, 여기서 로우 전지 및 하이 전지 상태들은 전지 반전의 상태만큼 꽤 중요하지는 않다.

측정 디바이스(7)는 이제 이러한 상태들을 검출할 수 있다. 연료 전지 스택(1)의 개별 전지(3)의 전압을 모니터링하기 위한 종래의 구조화된 디바이스들과는 대조적으로, 프레임(5) 상에 통합되는 것으로 여기서 설명된 유형의 측정 디바이스(7)는, 전지의 생산 중에 직접 설치되고 나중에 설치되지 않으며 별개로 전기적으로 접촉될 필요가 없다는 장점을 갖는다. 연료 전지 스택(1)으로부터의 수소 누출 가능성으로 인한 폭발 보호와 관련하여 또한 중요한 영역에서 신호를 신뢰할 수 있게 전송하기 위해, 측정 디바이스(7)는 광 신호 생성기(9)를 갖는다. 이 광 신호 생성기(9)는 이제 특히, 예를 들어, 전압이 정상일 때 스위치 오프로 남고, 그리고 가장 간단한 경우에서, 나머지 다른 상태들 중 하나에서는 점등됨으로써, 개별 전지(3)의 전압의 상기 언급된 상태들을 대응적으로 표현할 수 있다.

원칙적으로, 광 신호 생성기로부터의 신호는, 그 후, 예를 들어, 일련의 검출기들을 통하거나 또는 광을 고해상도 검출기로 편향시킴으로써 종래 기술로부터 알려진 방식으로 검출되고 평가될 수 있다. 이 모든 것이 원칙적으로는 구상이 가능하지만, 필요한 설치 공간과 비용 측면에서 비교적 복잡하다. 종종, 특히 차량 응용에서, 연료 전지 스택(1)의 개별 전지(3) 중 적어도 하나가 대응하는 문제를 갖는다는 것이 알려진다면 그것으로 충분하다. 이 경우, 전체 연료 전지 스택(1)을 셧다운하는 것에 의해 또는 그에 따라 그 매질 공급을 변경하는 것에 의한 의심의 경우, 응답이 행해져야 한다.

이제 본 구조의 가장 간단한 변형예가 도 1에서의 것과 유사한 연료 전지 스택(1)을 사용하여 도 3의 표현에서 도시되어 있다. 표현된 개별 전지(3)는 각각 광 신호 생성기(9)를 갖는 측정 디바이스(7)를 갖는다. 예를 들어, 직육면체의 단면 형상을 갖는 스트립 형상 도광체로서 형성된 도광체(10)는 전체 연료 전지 스택(1)을 따라 적층 방향(s)으로 뻗어 있으며, 이에 의해 모든 개별 전지(3)의 모든 측정 디바이스(7)의 광 신호 생성기(9)는 자신들의 광을 도광체(10)의 종방향측으로 횡으로 결합시킨다. 광 센서(11)는 이제, 바람직하게는 연료 전지 스택(1)의 단부 플레이트들(2)과 대면하거나 또는 이들의 영역에서 종단되는 단부면들의 영역에서, 적어도 하나의 단부면 상에 또는 선택적으로 두 개의 단부면들 상에 배열된다. 원칙적으로는, 하나의 광 센서(11)이면 충분하다. 그러나, 대응적으로 많은 수의 개별 전지들(3) 및 이에 따라 적층 방향(s)으로의 연료 전지 스택(1)의 긴 길이로 인해, 단하나의 광 센서(11)로부터 적층 방향(s)을 따라 비교적 멀리 떨어져 있는 측정 디바이스(7)의 자신의 광 신호 생성기(9)를 통해 개별 셀(3)만이 신호를 생성하고 이에 따라 측정 디바이스(7)에 의해 신뢰할 수 있게 검출될 수 없는 경우에도 신뢰할 수 있는 결과를 획득하기 위해, 제2 단부 플레이트(2)의 영역에서 추가적인 선택적 광 센서(11)를 제공하는 것이 유리할 수 있다.

위에서 이미 언급한 바와 같이, 이제 광 센서(11)를 통해 로우 전지, 하이 전지의 문제 및/또는 전지 반전의 문제가 검출되었는지 여부가 알려지면 유리할 수 있다. 원칙적으로, 이에 대한 다양한 가능성들이 있으며, 이것들은 도 4 내지 도 7의 아래의 표현들에서 그에 따라 표현되고 설명된다. 세 개의 개별 전지들(3) 및 이들의 측정 디바이스들(7)과 함께 단부 플레이트들(2) 중 하나의 것의 섹션이 각각의 경우에서 표현되어 있다.

도 4에서의 표현의 경우, 각각의 측정 디바이스(7)는 광 신호 생성기(9)로서 발광 다이오드(12)를 갖는다. 이 발광 다이오드(12)는 상이한 색상들을 표현할 수 있는 다색 LED로서 형성된다. 각각의 개별 전지(3)의 전압이 정상이면, 발광 다이오드(12)는 스위치 오프된 상태로 남는다. 발광 다이오드(12)는, 로우 전지의 경우, 제1 색상, 예컨대, 황색을 방출하고, 하이 전지의 경우, 제2 색상, 예컨대, 청색을 방출하며, 반전된 극성을 갖는 전지, 즉 전지 반전의 경우, 제3 색상, 예컨대, 적색을 방출한다. 도광체(10)에 의해 방출되고 수집되며 센서(11)의 영역에서 안내되는 광은 이제 두 개의 단부 플레이트들(2) 상에 배열된 하나 또는 선택적으로 두 개의 광 센서들(11)을 통해 수신되고 그에 따라 평가 전자장치(13)에 의해 평가된다. 특히, 센서(11)에 의해 검출된 광에서의 상이한 광 색상을 분석하기 위해 이 평가 전자장치(13)에서는 푸리에 분석이 수행될 수 있다. 광이 단하나의 색상인 경우, 예를 들어, 황색광이 존재하면, 평가 전자장치(13)를 통해 하나 이상의 로우 전지의 문제가 추가로 보고될 수 있다. 광이 적색광만을 포함한다면, 그에 따라 하나 이상의 전지 반전의 문제가 보고될 수 있다. 광이 청색광만을 포함한다면, 하나 이상의 하이 전지의 문제가 추가로 보고될 수 있다. 광이 세가지 모든 광 색상들을 포함한다면, 로우 전지들과 전지 반전 둘 다가 존재한다는 대응하는 메시지가 그에 따라 포워딩될 수 있다. 하드웨어와 관련하여, 이것은 다색 LED(12)를 필요로 하고, 소프트웨어와 관련하여, 평가 전자장치(13)에서 대응하는 평가가 필요하다.

대안으로서 또는 원칙적으로 또는 상이한 광 색상들에 더하여, 연료 전지 스택(1) 내의 개별 전지들(3) 중 적어도 하나의 개별 전지의 상이한 상태들이 적어도 하나의 광 센서(11)를 통해 검출가능해지도록 하기 위해, 상이한 점멸 주파수 또는 시퀀스, 즉, 특정 점멸 패턴의 시퀀스가 또한 여기에서 사용될 수 있다.

본 구조는 다색 LED(12)가 완전히 생략될 수 있는 방식으로 변경될 수 있다. 원칙적으로 도 4에서의 표현과 유사하게 이해되는 도 5에서의 구조는 이제, 예를 들어, 각각의 광 신호 생성기(9)에 대해, 두 개의 상이한 색상의 다이오드들(14, 15)을 제공한다. 설치 공간이 충분하다면, 이것은 다색 LED를 사용하는 것보다 훨씬 비용 효율적인 변형예일 수 있다. 이 변형예에서, 상이한 색상의 양자의 LED들(14, 15)은 위에서 설명한 것과 동일한 방식으로 도광체(10) 내로 자신들의 광을 결합시킨다. 그런 후 적어도 하나의 센서(11)를 통한 검출 및 평가 전자장치(13)에서의 평가가 유사하게 일어난다. 따라서 여기서 예시로서 도시된 두 개의 상이한 LED들(14, 15)은 "스위치 오프" 상태와 함께 총 세 개의 상태들을 전달할 수 있다. 예를 들어, 이것은 양자의 LED들(14, 15)이 스위치 오프되어 있는 정상적인 기능일 수 있고, LED들 중 하나, 예를 들어 LED(14)가 스위치 온되어 있는 하이 전지 또는 로우 전지의 문제일 수 있으며, 예를 들어 LED(15)가 스위치 온되어 있는 전지 반전의 문제일 수 있다. 물론, 이 구조는 적어도 하나의 광 센서(11)에 도달하는 신호에서 하이 전지 상태와 로우 전지 상태 사이를 구별할 수 있도록 하기 위해 제3 LED로 대응하게 확장될 수 있다.

추가적인 변형예가 또한 도 6의 표현에 도시되어 있다. LED들(14, 15)을, 예를 들어, 광 신호 생성기로서 각각의 측정 디바이스(7)에서 적층 방향으로 인접하게 배열하는 것 대신에, LED들(14, 15)은 또한, 도 6의 표현에서 살펴볼 수 있는 바와 같이, 평행하게 뻗어 있는 두 개의 도광체들(10, 16) 내로 자신들의 광을 결합시키는 방식으로 적층 방향에 대해 횡방향으로 오프셋되어 배열될 수 있다. 이들은 상이한 색상일 수 있지만, 동일한 색상의 LED가 또한 활용될 수 있다. 이 경우, 예를 들어, 도 6의 표현에서 위에 도시된 LED(14)는 활성화되면 로우 전지 또는 하이 전지를 표시하고, 도 6의 표현에서 아래에 제2 도광체(16)의 영역에 배열된 광 신호 생성기(9)의 LED(15)는 전지 반전을 표시한다. 그런 후 로우 전지의 문제가 광 색상과 관련된 추가적인 평가를 필요로 하지 않고서 그 자체로 알려진 방식으로 광 센서(11)를 통해 직접 표시되고 대응하는 제어 디바이스들로 전달될 수 있으며, 하나 이상의 전지 반전의 문제가 그에 따라 나머지 다른 도광체(16)의 단부면 상의 광 센서(17)를 통해 처리될 수 있다.

도 6에서 표현된 이 구조는 이제 위에서 원칙적으로 이미 설명한 바와 같이 두 개의 LED들(14, 15)에 더하여 제3 LED(18)에 의해 확장될 수 있고, 이 경우 또한 추가적인 도광체(19) 및 추가적인 광 센서(20)에 의해 대응하게 확장될 수 있다. 이것은 안그랬으면, 도 4 내지 도 6의 표현과 유사한 것으로 이해되는 도 7의 표현에서 그에 따라 표현된다. 이러한 구조로, 관심 상태들 중 하나가 그 후 도광체들(10, 16, 19) 중 각각의 개별 도광체에서 표시될 수 있다.

전반적으로, 모든 변형예들의 구조는 매우 단순하고 소수의 광 센서들(11, 17, 20)만을 필요하여, 결국 광의 존재 및 가능하게는 광 색상을 검출할 필요만 있고, 예를 들어, 높은 픽셀 해상도 등과 관련된 어떠한 높은 요건들을 갖지 않는다.

원칙적으로, 본 구조들은 임의의 유형의 연료 전지 스택(1)에, 특히 PEM 연료 전지에 적합하다. 본 구조들은 이러한 연료 전지 스택(1)의 차량 사용에 특히 유리한데, 왜냐면 여기서는 한편으로는 설치 공간 제한과 관련된 조건이, 그리고 다른 한편으로는 연료 전지 스택(1)의 조립 및 생산에서의 매우 강한 비용 압박과 관련된 조건이 충족되어야 하기 때문이다.

설명된 가능한 변형 실시예들에서 전지 전압을 모니터링하기 위한 장치들은 이상적인 방식으로 이를 가능하게 한다.

Claims (11)

1. 연료 전지 스택(1)의, 멤브레인 전극 조립체(4) 및 바이폴라 플레이트들(6)에 의해 형성된, 개별 전지(3)의 전지 전압을 모니터링하기 위한 장치로서, 상기 장치는 상기 개별 전지(3) 각각을 위한 측정 디바이스(7)를 갖고, 상기 측정 디바이스(7)는 상기 측정 디바이스(7)에 의해 제어될 수 있는 광 신호 생성기(9)를 포함하고,
   상기 측정 디바이스(7)는 프레임형 멤브레인 전극 조립체(4, 5)의 프레임(5)에 연결되거나 또는 상기 프레임(5)의 일부로서 형성된 가요성(flexible) 회로 기판 상에 형성된 것을 특징으로 하는 개별 전지(3)의 전지 전압을 모니터링하기 위한 장치.
2. 제1항에 있어서,
   상기 측정 디바이스(7)는 가요성 전도체 요소 및/또는 스프링 접점부(8)를 통해 두 개의 인접한 바이폴라 플레이트들(6)에 전기 전도성으로 연결된 것을 특징으로 하는 개별 전지(3)의 전지 전압을 모니터링하기 위한 장치.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 측정 디바이스(7)는 스텝업(step-up) 컨버터를 포함한 것을 특징으로 하는 개별 전지(3)의 전지 전압을 모니터링하기 위한 장치.
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 광 신호 생성기(9)는 적어도 세 개의 상이한 상태들을 갖도록 상기 측정 디바이스(7)에 의해 제어될 수 있는 방식으로 형성된 것을 특징으로 하는 개별 전지(3)의 전지 전압을 모니터링하기 위한 장치.
5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
   각각의 측정 디바이스(7)의 상기 광 신호 생성기(9)는 발광 다이오드(12)에 의해 형성되며, 상기 발광 다이오드(12)는 적어도 두 개의 광 색상으로 발광하도록 설정된 것을 특징으로 하는 개별 전지(3)의 전지 전압을 모니터링하기 위한 장치.
6. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
   각각의 측정 디바이스(7)의 상기 광 신호 생성기(9)는 적어도 두 개의 발광 다이오드들(14, 15, 18)에 의해 형성된 것을 특징으로 하는 개별 전지(3)의 전지 전압을 모니터링하기 위한 장치.
7. 제6항에 있어서,
   각각의 광 신호 생성기(9)의 상기 적어도 두 개의 발광 다이오드들(14, 15, 18)은 상이한 색상들의 광을 생성하는 것을 특징으로 하는 개별 전지(3)의 전지 전압을 모니터링하기 위한 장치.
8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
   모든 측정 디바이스들(7)의 광 신호 생성기들(9)은 적어도 하나의 도광체(10, 16, 19)를 통해 적어도 하나의 광 센서(11)에 연결된 것을 특징으로 하는 개별 전지(3)의 전지 전압을 모니터링하기 위한 장치.
9. 제8항에 있어서,
   상기 적어도 하나의 센서(11)의 데이터를 평가하기 위한 평가 전자장치(13)가 제공되고, 상기 평가 전자장치(13)는 특정 색상 및/또는 점멸 주파수의 발생과 관련하여 검출된 신호들을 평가하도록 설정된 것을 특징으로 하는 개별 전지(3)의 전지 전압을 모니터링하기 위한 장치.
10. 제6항 또는 제7항에 있어서,
    적어도 하나의 광 센서(11, 17, 20)를 각각 갖고, 모든 광 신호 생성기들(9)의 상기 적어도 두 개의 발광 다이오드들에 개별적으로 연결된 적어도 두 개의 도광체들(10, 16, 19)이 제공되는 것을 특징으로 하는 개별 전지(3)의 전지 전압을 모니터링하기 위한 장치.
11. 제10항에 있어서,
    적어도 하나의 도광체(10, 16, 19)는, 상기 광 신호 생성기들(9)이 자신들의 광을 종방향측(longitudinal side)들 중 하나로 결합하도록 배열된 스트립 형상 도광 물질로 형성되며, 상기 적어도 하나의 광 센서(11, 17, 20)는 상기 도광체(10, 16, 19)의 적어도 하나의 단부면 상에 배열된 것을 특징으로 하는 개별 전지(3)의 전지 전압을 모니터링하기 위한 장치.

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