[논문]진동에 의한 연료전지 집전판의 접점 열화

박은하; 김주한; 김재훈; 김윤형; 한상옥; 금영범; 정귀성; 고형진

진동에 의한 연료전지 집전판의 접점 열화
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박은하 (충남대학교) , 김주한 (충남대학교) , 김재훈 (충남대학교) , 김윤형 (충남대학교) , 한상옥 (충남대학교) , 금영범 (현대자동차 환경기술연구소) , 정귀성 (현대자동차 환경기술연구소) , 고형진 (현대자동차 환경기술연구소)

본 연구에서는 수소 연료전지의 엔드플레이트와 외부 연결 부분의 금속을 진동시험기를 이용하여 접촉저항을 측정하였다. 수소 연료전지의 집접판에서의 전류밀도의 변화와 온도 분포의 변화를 비교해 볼 수 있었으며, 접촉저항을 측정 할 수 있었다. 진동시험기는 5~50 Hz의 범위까지 설계하였으며 진동에 대한 접촉저항의 변화도 확인 할 수 있었다.

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문제 정의

따라서 본 논문에서는 진동환경에 노출되는 수소 연료전지차량 집전 판의 전류인출부를 모의하여 진동조건이 접촉저항에 미치는 영향과 그로 인한 줄열과의 관계에 대해 알아보고자 하였다.
본 논문에서는 수소 연료전지의 집전판 전류인출부과 외부 연결접점에서의 진동에 의한 접촉저항을 측정하고 시간에 대해 비례하는 것을 실험결과로 확인하였다. 또한 수소 연료전지의 집전판 전류인출부의 온도변화와 전자계 FEM 소프트웨어을 이용한 전류밀도 분포를 비교하였다.

제안 방법

본 논문에서는 수소 연료전지의 집전판 전류인출부과 외부 연결접점에서의 진동에 의한 접촉저항을 측정하고 시간에 대해 비례하는 것을 실험결과로 확인하였다. 또한 수소 연료전지의 집전판 전류인출부의 온도변화와 전자계 FEM 소프트웨어을 이용한 전류밀도 분포를 비교하였다. 하지만 집전판 전류인출부 연결부분에서 완전 접합이 되지 않았기 때문에 예측한 결과와 다르게 접촉저항 오차가 있는 것으로 예측된다.
모의한 연료전지 집전판을 와 같이 모델링하여 전자계 FEM 소프트웨어를 이용하여 전류인출부의 전류밀도를 계산하였으며, 이를 통해 전류인출부 각 부위의 발열량과 비교해보고자 하였다.
반복실험을 통해 와 같이 집전판의 전류인출부의 온도 측정 부위의 온도 변화를 과 같이 나타냈으며, 와 같이 전자계 FEM 소프트웨어를 이용한 전류밀도 분포와 비교하였다.
집전판 전류인출부의 진동시험을 위해 본 실험에서는 KS R 1034 자동차 부품 진동 시험 방법을 참고하여 실험을 진행하였다. 시험의 방법은 진동을 주고 있을 때의 부품 기능을 조사하는 진동 기능시험을 선택 하였다. 진동시험 조건은 <표 1>의 진동수의 범위인 5∼50 Hz사이의 범위 안에서 실험을 진행하였으며, 진동시험을 위해 모의 제작한 집전판 전류인출부를 시험장치와 동일한 토크로 체결한 후 상하방향으로 진동을 인가하였다.
실험 장비는 과 같이 본체와 제어부로 나누어져 있으며 모터를 이용하여 상하, 수직 진동 및 모터 rpm을 제어할 수 있게 설계되었다.
<그림 5>와 같이 집전판 전류인출부에서의 진동에 의한 온도변화를 일곱 부분으로 나누어 측정하였다. 구리의 기준온도에 따른 20℃에서의 구리 저항률 값은 약 17μΩ·㎜, 온도계수는 0.
실험 장비는 <그림 3>과 같이 본체와 제어부로 나누어져 있으며 모터를 이용하여 상하, 수직 진동 및 모터 rpm을 제어할 수 있게 설계되었다. 진동수 범위는 모터의 rpm으로부터 환산하였으며 집전판 전류인 출부의 접촉저항과 발열량은 각각 마이크로 옴미터와 적외선 온도계를 이용하였다.
진동시험 조건은 의 진동수의 범위인 5∼50 Hz사이의 범위 안에서 실험을 진행하였으며, 진동시험을 위해 모의 제작한 집전판 전류인출부를 시험장치와 동일한 토크로 체결한 후 상하방향으로 진동을 인가하였다.

이론/모형

집전판 전류인출부의 진동시험을 위해 본 실험에서는 KS R 1034 자동차 부품 진동 시험 방법을 참고하여 실험을 진행하였다. 시험의 방법은 진동을 주고 있을 때의 부품 기능을 조사하는 진동 기능시험을 선택 하였다.

성능/효과

또한 과 같이 인가전류와 진동 주파수의 변화에 대한 실험에선 계측기에서 발생할 수 있는 오차 범위의 작은 저항 값을 고려하면 단시간에서의 주파수의 변화는 접촉저항에 큰 영향을 못미치는 것을 알 수 있었다.
반복실험을 통해 <그림 4>와 같이 집전판의 전류인출부의 온도 측정 부위의 온도 변화를 <그림 6>과 같이 나타냈으며, <그림 7>와 같이 전자계 FEM 소프트웨어를 이용한 전류밀도 분포와 비교하였다. 반복된 실험값을 분석해 본 결과 집전판과 전류인출부의 체결부 납땜이 불량하여 해당부위에서 온도차이가 심한 것으로 확인되었다.
적외선 온도계를 이용하여 온도와 습도를 알 수 있었으며 습도는 24%이다. 또한 저항률 구하는 식에 의해서 저항률을 알 수 있었다.

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