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KR100646954B1 - 연료전지 스택의 셀 전압 측정장치 및 이를 채용한연료전지 시스템 - Google Patents

연료전지 스택의 셀 전압 측정장치 및 이를 채용한연료전지 시스템 Download PDF

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KR100646954B1
KR100646954B1 KR1020050094598A KR20050094598A KR100646954B1 KR 100646954 B1 KR100646954 B1 KR 100646954B1 KR 1020050094598 A KR1020050094598 A KR 1020050094598A KR 20050094598 A KR20050094598 A KR 20050094598A KR 100646954 B1 KR100646954 B1 KR 100646954B1
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KR
South Korea
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wires
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Inventor
안진홍
안성진
Original Assignee
삼성에스디아이 주식회사
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Abstract

연료전지 스택의 셀 전압 측정장치가 개시된다. 개시된 셀 전압 측정장치는 복수의 세퍼레이터에 전기적으로 각각 접속되는 복수의 단자와, 복수의 단자에 전기적으로 각각 접속되는 복수의 전선, 그리고 체결 수단에 포함되며 복수의 전선이 통과하는 중공부 및 복수의 전선 중 적어도 하나의 전선이 통과하는 홀 복수개를 구비하는 체결봉을 포함한다. 상기 구성에 의하면, 연료전지 스택에서 발생되는 높은 열에 의해 전선이 단락되거나 단선되는 것을 방지하며 배선을 용이하게 할 수 있다. 아울러, 연료전지 스택의 각 전지 셀의 전압을 안정적으로 측정할 수 있고, 특정 전지 셀의 열화를 감시하여 연료전지 스택의 예기치못한 동작정지를 방지할 수 있다.
연료 전지, 스택, 전지 셀, 열화, 전압, 측정, 체결

Description

연료전지 스택의 셀 전압 측정장치 및 이를 채용한 연료전지 시스템{Apparatus to detect cell voltage of fuel cell stack and fuel cell system using the same}
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 연료전지 스택의 셀 전압 측정장치를 나타내는 사시도이다.
도 2는 도 1의 셀 전압 측정장치의 전압감지부를 개략적으로 나타내는 블록도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 셀 전압 측정장치가 채용된 연료전지 시스템을 나타내는 개략도이다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
100: 연료전지 스택
110: 막-전극 어셈블리
120: 세퍼레이터
130a, 130b: 엔드 플레이트
140a, 140b, 140c, 140d: 체결 수단
150: 전극 핀
160: 전선
170: 전압감지부
본 발명은 연료전지 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 전선을 보호하고 배선 구조를 단순화시킬 수 있는 연료전지 스택의 셀 전압 측정장치와 이를 이용하는 연료전지 시스템에 관한 것이다.
연료전지(fuel cell)는 연료가 가지고 있는 에너지를 화학반응에 의해 직접 전기에너지로 변환하는 발전 시스템이다. 예를 들면, 연료전지는 수소와 산소로부터 물이 생성되는 반응, 즉 수소의 연소 반응을 이용해 전기 에너지를 얻는다.
연료 전지는 사용되는 전해질(electrolyte)의 종류에 따라, 인산형 연료전지, 용융탄산염형 연료전지, 고체 산화물형 연료전지, 고분자 전해질형 연료전지, 알칼리형 연료 전지 등으로 분류된다. 이들 각각의 연료전지는 기본적으로 같은 원리에 의해 작동되지만 사용되는 연료의 종류, 운전온도, 촉매, 전해질 등이 서로 다르다.
그 가운데, 고분자 전해질형 연료전지(polymer electrolyte membrane fuel cell, PEMFC)는 다른 연료전지에 비하여 출력 특성이 월등히 높고, 작동 온도가 낮으며, 아울러 빠른 시동 및 응답특성과 함께, 휴대용 전자기기용과 같은 이동용(transportable) 전원이나 자동차용 동력원과 같은 수송용 전원은 물론, 주택, 공공건물의 정지형 발전소와 같은 분산용 전원 등 그 응용 범위가 넓은 장점을 가진 다.
또한, 고분자 전해질형 연료전지의 일종으로 액상의 메탄올 연료를 직접 사용하는 직접 메탄올 연료전지(direct methanol fuel cell, DMFC)는 고분자 전해질형 연료전지와 달리 개질기를 사용하지 않기 때문에 소형화에 더욱 유리하다.
또한, 고분자 전해질형 연료전지는 고출력에 적합하도록 스택 구조로 제작될 수 있다. 여기서, 스택은 하나의 연료전지를 구성하는 막전극 어셈블리와, 이 막전극 어셈블리의 전극들에 연료와 산화제를 공급하는 유로들을 구비한 세퍼레이터를 적층하여 이루어지는 구조체를 말한다.
종래의 대부분의 연료전지 스택에 있어서 스택 전압은 출력 단자의 전압을 측정하는 방식이 채용되고 있다. 그러나 종래의 방식은 적층된 전지셀 각각의 특성을 고려할 수 없으므로, 특정 전지셀의 열화가 다른 전지셀의 열화보다 심한 경우에도 스택의 출력 전압이 일정 값 이상이면 스택을 그대로 운전하여 사용하게 된다. 전술한 경우, 스택 내의 다른 전지 셀보다 열화가 더 심한 전지 셀은 더욱 급속히 열화되어 결국 스택을 갑자기 정지시키게 되는 문제점이 있다.
게다가, 고분자 전해질막을 이용하는 연료전지 스택은 대략 60~90℃의 운전온도를 갖는다. 따라서, 스택에 접촉될 우려가 있는 전선 등은 별도의 고 내열성 및 절연성 재료로 피복되어 있는 케이블을 사용해야 한다. 전술한 경우, 고가의 전선을 사용하므로 제조 비용이 증가하고 배선이 어렵다는 단점이 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 연료전지 스택의 각 전지 셀에 전기 적으로 접속되는 복수의 전선을 보호하며 배선 구조가 용이한 연료전지 스택의 셀 전압 측정장치를 제공하는 데 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 제1 측면에 의하면, 복수의 막-전극 어셈블리와, 막-전극 어셈블리 양면에 적층되는 세퍼레이터와, 막-전극 어셈블리와 세퍼레이터의 적층 구조의 양면을 지지하는 한 쌍의 엔드 플레이트, 및 한 쌍의 엔드 플레이트를 연결하는 체결 수단을 구비한 연료전지 스택에서 각 전지 셀의 전압을 측정하기 위한 장치로서, 복수의 세퍼레이터에 전기적으로 각각 접속되는 복수의 단자; 복수의 단자에 전기적으로 각각 접속되는 복수의 전선; 및 체결 수단에 포함되며 복수의 전선이 통과하는 중공부 및 복수의 전선 중 적어도 하나의 전선이 통과하는 측면 개구부를 구비하는 체결봉을 포함하는 연료전지 스택의 셀 전압 측정장치가 제공된다.
본 발명의 제2 측면에 의하면, 전해질막과 이 전해질막의 양면에 위치하는 애노드 전극 및 캐소드 전극을 구비하는 막-전극 어셈블리 복수개와, 막-전극 어셈블리 양면에 적층되는 세퍼레이터와, 막-전극 어셈블리와 세퍼레이터의 적층 구조의 양면을 지지하는 한 쌍의 엔드 플레이트, 및 한 쌍의 엔드 플레이트를 연결하는 체결 수단을 구비하는 연료전지 스택; 및 복수의 세퍼레이터에 전기적으로 각각 접속되는 복수의 단자와, 복수의 단자에 전기적으로 각각 접속되는 복수의 전선, 및 체결 수단에 포함되며 복수의 전선이 통과하는 중공부와 복수의 전선 중 적어도 하나의 전선이 통과하는 측면 개구부를 가진 체결봉을 구비하는 셀 전압 측정장치를 포함하는 연료전지 시스템이 제공된다.
바람직하게, 셀 전압 측정장치는 중공부로부터 인출되는 복수의 전선이 전기적으로 접속되며 복수의 전선에 인가되는 전압을 감지하는 전압감지부를 추가적으로 포함한다.
또한, 상기 전압감지부는, 복수의 입력 단자와 하나의 출력 단자를 구비하며 복수의 입력 단자 중에서 선택된 어느 하나의 입력 단자와 출력 단자를 전기적으로 접속하는 적어도 두 개의 스위칭부; 및 적어도 두 개의 스위칭부의 두 출력 단자에 인가되는 전압을 감지하며 적어도 두 개의 스위칭부를 제어하는 스위칭 제어부를 구비한다.
또한, 상기 스위칭 제어부는 디지털 신호처리 장치이다.
또한, 상기 체결봉은 그 재질이 금속 또는 복합 재료로 이루어진다.
또한, 상기 개구부는 세퍼레이터의 위치에 대응하는 위치에 설치되는 복수의 홀로 이루어진다.
또한, 상기 단자는 세퍼레이터의 측면에 위치하는 홈에 삽입고정되는 전극 핀을 포함한다.
이하, 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 스택의 셀 전압 측정장치를 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 연료전지 스택의 셀 전압 측정장치를 나타내는 사시도이다.
도 1을 참조하면, 셀 전압 측정장치는 단순화된 배선으로 연료전지 스택(100)에 결합되며 연료전지 스택(100) 내의 각 전지 셀의 전압을 안정적으로 측정한다. 연료전지 스택(100)은 막-전극 어셈블리(110), 세퍼레이터(120), 엔드 플레이트(130a, 130b) 및 체결 수단(140a, 140b, 140c, 140d)을 포함한다. 셀 전압 측정장치는 각 세퍼레이터(120)에 삽입 고정되는 복수의 전극(150), 각 전극(150)에 전기적으로 접속되는 복수의 전선(160), 및 상기 체결 수단의 하나로서 복수의 전선(160)이 통과하는 중공부(146)와 복수의 전선(160) 중 적어도 하나의 전선이 통과하는 측면 개구부(147)를 구비하는 체결봉(140a)을 구비한다. 또한, 셀 전압 측정장치는 복수의 전선(160)에 전기적으로 연결되며 전선(160)에 인가되는 전압을 검출하는 전압감지부(170)를 더 구비한다.
보다 구체적으로 설명하면, 막-전극 어셈블리(110)는 고분자 전해질막의 양면에 애노드 전극(일명, "연료극" 또는 "산화전극"이라고 한다)과 캐소드 전극(일명, "공기극" 또는 "환원전극"이라고 한다)이 부착된 구조를 갖는다. 애노드 전극은 연료의 산화반응을 위한 촉매층을 구비하며, 캐소드 전극은 산화제의 환원반응을 위한 촉매층을 구비한다.
세퍼레이터(120)는 애노드 전극에 연료를 공급하기 위한 제1 채널과 캐소드 전극에 산화제를 공급하기 위한 제2 채널을 구비하는 기존의 다양한 바이폴라 플레이트로 구현될 수 있다.
전술한 막-전극 어셈블리(110)와 세퍼레이터(120)는 교대로 적층된다. 이때, 연료와 산화제의 누설을 방지하기 위하여 막-전극 어셈블리(110)와 세퍼레이터 (120)과의 사이에는 개스킷이 개재될 수 있다.
엔드 플레이트(130a, 130b)는 막-전극 어셈블리(110)와 세퍼레이터(120)의 적층 구조의 양측 단부에 위치하며, 상기 적층 구조의 외측면으로부터 중심부를 향하여 소정 압력을 가한다.
체결 수단(140a, 140b, 140c, 140d)은 한 쌍의 최외곽 세퍼레이터(120)를 연결하며, 한 쌍의 엔드 플레이트(130a, 130b)에 소정의 체결력을 부여한다. 본 실시예에서 체결 수단(140a, 140b, 140c, 140d)은 양단부(142a, 143a; 142b, 143b; 142c, 143c; 142d, 143d)에 나사산부를 구비한 체결봉(141a, 141b, 141c, 141d)과 상기 엔드 플레이트(130a, 130b)를 개재하고, 체결봉의 양단부(142a, 143a; 142b, 143b; 142c, 143c; 142d, 143d)에 나사 결합되는 너트(144a, 145a; 144b, 145b; 144c, 145c; 144d, 145d)로 구현되어 있다.
또한, 본 실시예에서 적어도 하나의 체결봉(141a)은 중공부(146)를 구비하며, 세퍼레이터(120)에 접속되는 적어도 하나의 전선(160)이 통과하는 측면 개구부(147)를 구비한다. 개구부(147)는 각 세퍼레이터(120)에 대응하는 위치에 설치된 복수의 홀로 구현되는 것이 바람직하다.
전극(150)은 세퍼레이터(120)에 전기적으로 접속된다. 전극(150)은 전극 핀으로 구현될 수 있다. 전극 핀으로 이루어진 전극(150)을 사용하면, 천(cloth)에 바늘을 꽂듯이 애노드 전극 및 캐소드 전극을 구성하는 탄소천(carbon cloth)에 전극(150)을 꽂아 이들 간의 안정적인 전기적인 접속을 손쉽게 얻을 수 있다.
전선(160) 각각은 각 전극(150)에서 발생되는 전압을 전압감지부(170)에 전 달한다. 전선(160)은 그 일단이 전극(150)에 연결되며, 체결봉(140a)의 개구부(147)와 중공부(146)를 통해 연장되고, 그 타단이 전압감지부(170)에 연결된다. 전선(160)은 그 일부분이 전선의 절연 및 보호를 위한 피복층을 갖는 케이블(160a)로 구현될 수 있다.
전압감지부(170)는 복수의 전선(160)에 의해 연료전지 스택(100)의 각 전지 셀에 접속된 각 전극(150)에 연결되며, 각 전지 셀의 전압을 측정한다. 전압감지부(170)에 대한 구체적인 구성의 일례는 아래의 설명에서 상세히 언급될 것이다.
도 2는 도 1의 셀 전압 측정장치의 전압감지부를 나타내는 개략도이다.
도 2를 참조하면, 셀 전압 측정장치의 전압감지부(170a)는 복수의 전지 셀 각각에 대한 전압을 측정하기 위하여 두 개의 스위칭부(172, 174), 및 두 개의 스위칭부(172, 174)를 제어하는 스위칭 제어부(176)를 구비한다.
제1 스위칭부(172)는 제어신호(CS1)에 응답하여 온오프 동작하는 복수의 스위칭 수단(173)을 구비한다. 복수의 스위칭 수단(173)은 예컨대 연료전지 스택의 전지 셀 중 홀수번째의 전지 셀에 연결된 단자들에 순차적으로 각각 접속되는 입력 단자(173a)와, 스위칭 제어부(176)에 각각 접속되는 출력 단자(173b), 및 제어 단자(173c)를 구비한다. 복수의 스위칭 수단(173)은 스위칭 제어부(176)의 제어신호(CS1)에 응답하여 선택적으로 온오프 동작한다.
상기 제1 스위칭부(172)와 유사하게, 제2 스위칭부(174)는 제어신호(CS2)에 응답하여 온오프 동작하는 복수의 스위칭 수단(175)을 구비한다. 복수의 스위칭 수단(175)은 예컨대 연료전지 스택의 전지 셀 중 짝수번째의 전지 셀에 연결된 단자 들에 순차적으로 각각 접속되는 입력 단자(175a)와, 스위칭 제어부(176)에 각각 접속되는 출력 단자(175b), 및 제어 단자(175c)를 구비한다. 복수의 스위칭 수단(175)은 스위칭 제어부(176)의 또 다른 제어신호(CS2)에 응답하여 선택적으로 온오프 동작한다.
상기 스위칭 수단(173, 175)은 전계효과 트랜지스터 등의 반도체 소자로 구현될 수 있고, 상기 제1 및 제2 스위칭부(172, 174)는 반도체 칩으로 구현될 수 있다.
스위칭 제어부(176)는 제1 및 제2 스위칭부(172, 174)의 출력 단자에 연결되는 입력단(177)과, 제1 및 제2 스위칭부(172, 174)의 제어 단자에 연결되는 출력단(178)을 구비한다. 스위칭 제어부(176)는 제1 및 제2 스위칭부(172, 174)의 두 출력 단자에 인가되는 전압을 감지한다. 다시 말해서, 스위칭 제어부(176)는 제어 신호(CS1, CS2)를 발생시키고, 발생된 제어 신호(CS1, CS2)를 제1 스위칭부(172)의 어느 하나의 스위칭 수단(173)과 제2 스위칭부(174)의 어느 하나의 스위칭 수단(175)에 인가하여 모든 전지 셀의 전압을 순차적으로 감지하거나 특정 전지 셀의 전압을 감지한다. 제어신호(CS1, CS2)는 신호 증폭을 통해 제어 단자(173c, 175c)에 인가될 수 있다.
상기 입력단(177)은 아날로그 디지털 변환기로 구현될 수 있고, 상기 스위칭 제어부(176)는 마이크로프로세서(microprocessor unit, MPU)와 같은 디지털 신호처리 장치(digital processing unit, DPU)로 구현될 수 있다.
예컨대, 디지털 신호처리 장치는 계산을 수행하기 위한 ALU(Arithmetic Logic Unit)와, 데이터 및 명령어의 일시적인 저장을 위한 레지스터, 및 연료전지 스택의 동작을 제어하기 위한 컨트롤러를 구비하는 기존의 다양한 연료전지 제어장치를 포함한다. 또한, 상기 디지털 신호처리 장치는 디지털(Digital) 사의 알파(Alpha), MIPS 테크놀로지, NEC, IDT, 지멘스(Siemens) 등의 MIPS, 인텔(Intel)과 사이릭스(Cyrix), AMD 및 넥스젠(Nexgen)을 포함하는 회사의 x86 및 IBM과 모토롤라(Motorola)의 파워PC(PowerPC)와 같이 다양한 아키텍처(Architectrue)를 갖는 프로세서 중 적어도 하나를 포함한다.
도 3은 본 발명에 따른 셀 전압 측정장치를 이용하는 연료전지 시스템을 나타내는 개략도이다. 이하의 상세한 설명에서 연료전지 스택(100)과 셀 전압 측정장치의 구성은 도 1을 참조하여 앞서 설명한 연료전지 스택 및 셀 전압 측정장치의 구성과 실질적으로 동일하다.
도 3을 참조하면, 연료전지 시스템(200)은 연료전지 스택(100), 전선 케이블(160a)과 전압감지부(170)를 구비하는 셀 전압 측정장치, 연료공급부, 및 산화제공급부(190)를 포함한다.
보다 구체적으로 설명하면, 연료전지 스택(100)은 고체고분자막을 전해질막으로 사용하는 막-전극 어셈블리를 구비한다.
전해질막은 수소이온 전도성이 우수한 퍼플루오르계 고분자, 벤즈이미다졸계 고분자, 폴리이미드계 고분자, 폴리에테르이미드계 고분자, 폴리페닐렌설파이드계 고분자 폴리술폰계 고분자, 폴리에테르술폰계 고분자, 폴리에테르케톤계 고분자 폴리에테르-에테르케톤계 고분자 및 폴리페닐퀴녹살린계 고분자로 이루어진 군으로부 터 선택되는 1종 이상의 수소이온 전도성 고분자를 포함하는 것이 바람직하며, 폴리(퍼플루오로술폰산), 폴리(퍼플루오로카르복실산), 술폰산기를 포함하는 테트라플루오로에틸렌과 플루오로비닐에테르의 공중합체, 탈불소화된 황화 폴리에테르케톤, 아릴 케톤, 폴리(2,2'-(m-페닐렌)-5,5'-바이벤즈이미다졸)(poly(2,2'-(m-phenylene)-5,5'-bibenzimidazole)) 및 폴리(2,5-벤즈이미다졸)로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 수소이온 전도성 고분자를 포함하는 것이 더 바람직하다.
상기 전해질막의 양면에 위치하는 애노드 전극 및 캐소드 전극은 촉매층(catalyst layer)과 확산층(diffusing layer)을 구비하는 것이 바람직하다. 확산층은 미세기공층(microporous layer)과 지지층(backing layer)을 구비하는 것이 바람직하다.
촉매층은 각 전극에 공급되는 연료 및 산화제가 화학적으로 빠르게 반응하도록 반응속도를 변화시키는 역활을 한다. 미세기공층은 지지층 상에 탄소층(carbon layer)으로 코팅되어 구현되며, 연료, 물, 공기 등의 분산을 균일하게 하는 연료분산 작용과 생산되는 전기를 모아주는 집전 작용, 및 촉매층의 물질이 유체에 의해 소실되는 것을 막아주는 보호 작용을 한다. 지지층은 탄소천(carbon cloth), 탄소종이(carbon paper)와 같은 탄소 기재로 구현되며, 촉매층 또는 전극을 지지하는 역활을 하면서 촉매층으로 반응물을 확산시켜 반응물이 촉매층으로 쉽게 접근할 수 있도록 하는 역활을 한다.
상기 촉매층은 백금, 루테늄, 오스뮴, 백금-루테늄 합금, 백금-오스뮴 합금, 백금-팔라듐 합금 및 백금-M 합금(M은 Ga, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu 및 Zn으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 전이금속)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 금속 촉매를 포함하는 것이 바람직하다.
또한 상기 촉매층은 담지체에 담지된 백금, 루테늄, 오스뮴, 백금-루테늄 합금, 백금-오스뮴 합금, 백금-팔라듐 합금 및 백금-M 합금(M은 Ga, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu 및 Zn으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 전이금속)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 금속 촉매를 포함할 수도 있다. 담지체는 전도성을 가지는 물질이라면 어느 것이라도 좋으나, 탄소 담지체인 것이 바람직하다.
상기 미세기공층은 흑연, 탄소나노튜브(CNT), 플러렌(C60), 활성탄소, 벌칸, 케첸블랙, 카본블랙 및 탄소나노혼(carbon nano horn)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 탄소물질을 포함하는 것이 바람직하며, 폴리(퍼플루오로술폰산), 폴리(테트라플루오로에틸렌) 및 플로리네이티드 에틸렌-프로필렌으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 바인더를 더 포함할 수 있다.
또한, 연료전지 스택(100)은 막-전극 어셈블리와 교대로 적층되는 세퍼레이터를 구비한다.
세퍼레이터는 연료와 산화제(예, 공기)를 분리하는 비다공성, 우수한 전기전도성, 및 연료전지의 온도 제어를 위한 충분한 열전도율을 가진 임의의 재료로 이루어진다. 또한, 세퍼레이터는 연료전지 스택(100)을 클램핑(clamping)하는 힘을 견딜 정도의 충분한 기계적 강도와 수소 이온에 대한 내부식성을 가진 임의의 재료 로 이루어진다.
전술한 연료전지 스택(100)은 막-전극 어셈블리와 세퍼레이터를 적층하고, 적층된 구조의 양측 단면에 한 쌍의 엔드 플레이트를 위치시킨 후, 체결 수단에 의해 한 쌍의 엔드 플레이트를 소정의 체결력으로 연결시킴으로써 제작된다.
셀 전압 측정장치는 복수의 세퍼레이터에 전기적으로 각각 접속되는 복수의 단자와, 복수의 단자에 전기적으로 각각 접속되는 복수의 전선, 및 체결 수단에 포함되며 복수의 전선이 통과하는 중공부와 복수의 전선 중 적어도 하나의 전선이 통과하는 측면 개구부를 가진 체결봉을 구비한다. 또한, 셀 전압 측정장치는 체결봉의 중공부로부터 인출되는 복수의 전선이 전기적으로 접속되며 복수의 전선에 인가되는 전압을 감지하는 전압감지부를 구비한다. 전술한 셀 전압 측정장치에 대한 추가적인 설명은 설명의 중복을 피하기 위해 생략한다.
연료공급부는 연료 탱크(180), 연료 펌프(182) 및 개질장치(184)를 구비한다. 연료 탱크(180)는 수소를 함유한 연료를 저장한다. 연료 펌프(182)는 연료 탱크(180)에 저장된 연료를 연료전지 스택(100)으로 공급한다. 개질장치(184)는 연료를 개질하여 연료전지 스택(100)의 애노드에 수소 가스가 풍부한 개질 가스를 공급한다. 전술한 개질장치(184)는 연료전지 스택(100)이 액체 연료를 직접 사용하는 연료전지 방식인 경우에 생략될 수 있다.
산화제공급부(190)는 연료전지 스택(100)의 캐소드에 산화제, 예컨대, 산소 가스나 공기를 공급한다. 산화제공급부(190)는 공기 펌프나 송풍기 등으로 구현될 수 있다.
본 발명은 연료전지 스택의 각 전지 셀의 전압을 측정하기 위한 배선을 보호하고 배선 구조를 단순화하여 각 전지 셀의 전압을 안정적으로 측정함으로써, 측정된 각 전지 셀의 상태에 따라 연료전지 스택의 운전을 안정적으로 제어하며, 연료전지 스택의 열화를 감소시켜 수명을 연장시킬 수 있다는 장점을 가진다.
한편, 전술한 실시예의 측면 개구부는 복수의 홀 이외에 적어도 하나의 슬롯(slot)으로 구현될 수 있다.
이상, 본 발명의 바람직한 실시예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상의 범위내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 변형이 가능하다.
전술한 바에 의하면, 연료전지 스택의 셀 전압 측정장치를 이용함으로써 연료전지 스택에서 발생되는 열에 의해 전선이 단락되거나 단선되는 것을 방지할 수 있을뿐 아니라 배선을 단순화시킬 수 있고, 각 전지 셀의 전압을 안정적으로 측정할 수 있다. 아울러, 연료전지 스택의 각 전지 셀의 전압을 안정적으로 측정함으로써, 특정 전지 셀의 전압이 기준전압 이하가 될 때, 연료전지 스택의 운전을 중지시키거나 부하를 분리시켜 연료전지 스택이 갑자기 정지되는 것을 방지할 수 있다.

Claims (17)

  1. 복수의 막-전극 어셈블리와, 상기 막-전극 어셈블리 양면에 적층되는 세퍼레이터와, 상기 막-전극 어셈블리와 상기 세퍼레이터의 적층 구조의 양면을 지지하는 한 쌍의 엔드 플레이트, 및 상기 한 쌍의 엔드 플레이트를 연결하는 체결 수단을 구비한 연료전지 스택에서 각 전지 셀의 전압을 측정하기 위한 장치에 있어서,
    상기 복수의 세퍼레이터에 전기적으로 각각 접속되는 복수의 단자;
    상기 복수의 단자에 전기적으로 각각 접속되는 복수의 전선; 및
    상기 체결 수단에 포함되며, 상기 복수의 전선이 통과하는 중공부 및 상기 복수의 전선 중 적어도 하나의 전선이 통과하는 측면 개구부를 구비하는 체결봉을 포함하는 연료전지 스택의 셀 전압 측정장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 중공부로부터 인출되는 복수의 전선이 전기적으로 접속되며 상기 복수의 전선에 인가되는 전압을 감지하는 전압감지부를 추가적으로 포함하는 연료전지 스택의 셀 전압 측정장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 전압감지부는,
    복수의 입력 단자와 하나의 출력 단자를 구비하며, 상기 복수의 입력 단자 중에서 선택된 어느 하나의 입력 단자와 상기 출력 단자를 전기적으로 접속하는 적어도 두 개의 스위칭부; 및
    상기 적어도 두 개의 스위칭부의 두 출력 단자에 인가되는 전압을 감지하며 상기 적어도 두 개의 스위칭부를 제어하는 스위칭 제어부를 구비하는 연료전지 스택의 셀 전압 측정장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 스위칭 제어부는 디지털 신호처리 장치인 연료전지 스택의 셀 전압 측정장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 체결봉은 그 재질이 금속 또는 복합 재료로 이루어지는 연료전지 스택의 셀 전압 측정장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 개구부는 상기 세퍼레이터의 위치에 대응하는 위치에 설치되는 복수의 홀로 이루어지는 연료전지 스택의 셀 전압 측정장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 단자는 상기 세퍼레이터의 측면에 위치하는 홈에 삽입고정되는 전극 핀 을 포함하는 연료전지 스택의 셀 전압 측정장치.
  8. 전해질막과 상기 전해질막의 양면에 위치하는 애노드 전극 및 캐소드 전극을 구비하는 막-전극 어셈블리 복수개와, 상기 막-전극 어셈블리 양면에 적층되는 세퍼레이터와, 상기 막-전극 어셈블리와 상기 세퍼레이터의 적층 구조의 양면을 지지하는 한 쌍의 엔드 플레이트, 및 상기 한 쌍의 엔드 플레이트를 연결하는 체결 수단을 구비하는 연료전지 스택; 및
    상기 복수의 세퍼레이터에 전기적으로 각각 접속되는 복수의 단자와, 상기 복수의 단자에 전기적으로 각각 접속되는 복수의 전선, 및 상기 체결 수단에 포함되며 상기 복수의 전선이 통과하는 중공부와 상기 복수의 전선 중 적어도 하나의 전선이 통과하는 측면 개구부를 가진 체결봉을 구비하는 셀 전압 측정장치를 포함하는 연료전지 시스템.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 셀 전압 측정장치는 상기 중공부로부터 인출되는 복수의 전선이 전기적으로 접속되며 상기 복수의 전선에 인가되는 전압을 감지하는 전압감지부를 추가적으로 포함하는 연료전지 시스템.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 전압감지부는,
    복수의 입력 단자와 하나의 출력 단자를 구비하며, 상기 복수의 입력 단자 중에서 선택된 어느 하나의 입력 단자와 상기 출력 단자를 전기적으로 접속하는 적어도 두 개의 스위칭부; 및
    상기 적어도 두 개의 스위칭부의 두 출력 단자에 인가되는 전압을 감지하며 상기 적어도 두 개의 스위칭부를 제어하는 스위칭 제어부를 구비하는 연료전지 시스템.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 스위칭 제어부는 디지털 신호처리 장치인 연료전지 시스템.
  12. 제 8 항에 있어서,
    상기 체결봉은 그 재질이 금속 또는 복합 재료로 이루어지는 연료전지 시스템.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 개구부는 상기 세퍼레이터의 위치에 대응하는 위치에 설치되는 복수의 홀로 이루어지는 연료전지 시스템.
  14. 제 8 항에 있어서,
    상기 단자는 상기 세퍼레이터의 측면에 위치하는 홈에 삽입고정되는 전극 핀 을 포함하는 연료전지 시스템.
  15. 제 8 항에 있어서,
    상기 애노드 전극에 수소를 함유한 연료를 공급하는 연료공급부를 추가적으로 포함하는 연료전지 시스템.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 캐소드 전극에 산화제를 공급하는 산화제공급부를 추가적으로 포함하는 연료전지 시스템.
  17. 제 8 항에 있어서,
    상기 전해질막은 고체고분자막을 포함하는 연료전지 시스템.
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