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KR101272323B1 - 연료전지 스택 - Google Patents

연료전지 스택 Download PDF

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KR101272323B1
KR101272323B1 KR1020100130495A KR20100130495A KR101272323B1 KR 101272323 B1 KR101272323 B1 KR 101272323B1 KR 1020100130495 A KR1020100130495 A KR 1020100130495A KR 20100130495 A KR20100130495 A KR 20100130495A KR 101272323 B1 KR101272323 B1 KR 101272323B1
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sealing
rubber
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김용
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Abstract

본 발명은 연료전지의 가스켓 결합구조에 관한 것이다. 본 발명에 따른 연료전지의 가스켓 결합 구조에 포함되는 가스켓 각각은: 상기 분리판의 내측면에 부착된 제1 씰링부와, 상기 제1 씰링부로부터 이격 배치되며 상기 분리판의 외측면까지 연장되어서 상기 분리판의 외곽을 둘러싸도록 배치된 두름부를 포함하며, 상기 제1 씰링부는 합착되는 분리판들의 제1씰링부 사이가 서로 간섭을 가지는 두께를 가지고, 상기 두름부는 합착되는 분리판들의 두름부 사이가 서로 이격되는 두께를 가진다.

Description

연료전지 스택{Fuel Battery Stack}
본 발명은 연료전지의 가스켓 결합구조에 관한 것으로, 보다 상세하게는 연료전지의 분리판 및 가스켓의 결합구조에 관한 것이다.
일반적으로, 연료전지는 물의 전기분해 반응의 역반응으로 수소와 산소를 이용하여 전력을 생산시키는 시스템이다. 연료전지는 다양한 형태를 갖고 있으며, 그 예로는 연료전지 형태가 양자교환막(PEM: Proton Exchange Membrane)을 이용한 것이다.
통상의 연료전지들은 비교적 낮은 전압을 생산한다. 따라서 전력으로 가용될 수 있을 만큼 생산하려면 단위전지 셀이 수십에서 수백 개 모아져 연료전지 스택(stack)을 구성해야 한다.
도 1은 종래의 연료전지 스택의 단위전지 셀을 보인 분리 단면도이고, 도 2는 도 1에 따른 연료전지 스택의 가스켓 결합구조를 보인 단면도이다. 도시된 바와 같이 연료전지 스택은 단위전지 셀들을 다수 적층한 구조로 이루어진다. 상기 단위전지 셀은, 크게 한쌍의 분리판(10)과, 상기 분리판의 사이를 밀봉하는 가스켓(20)과, 상기 분리판의 사이에 구비되는 막전극접합체(40)로 구성된다. 막전극접합체(40)는 고분자전해질막(42)과, 상기 고분자전해질막의 양면에 형성된 한 쌍의 전극인 연료극(44)과 공기극(46)으로 구성된다.
상기 분리판(10)은 흑연 등 도전성 소재로 구성되며, 상기 막전극접합체(40)를 기계적으로 고정함과 동시에, 인접한 막전극접합체 사이를 서로 전기적으로 직렬 또는 병렬로 접속시킨다.
상기 분리판(10)에는 수소와 공기의 반응에 따른 부산물인 물이 수용되는 매니폴더(30) 및 기체통로(15)가 형성된다. 가스켓(20)은 상기 물과 가스 등이 외부로 누출되지 않도록 상기 매니폴더(30)의 주위를 감싸도록 형성된다.
그러나, 도 2에 도시된 바와 같이, 단위전지 셀이 수백 개 적층되는 연료전지의 구조적 특징상 수백장의 분리판(10)이 상호 인접되게 적층되며, 하중 또는 외부적 요인으로 분리판(10)의 외측부에 처짐 발생시 인접 분리판과 접촉되어 쇼트가 발생될 우려가 있었다.
또한, 가스켓(20)이 분리판(10)의 단부 내측에 구비됨으로써, 매니폴더가 물에 노출되어 부식이 발생되는 문제점이 있었다.
또한, 가스켓(20)이 분리판(10)의 상면과 하면에 각각 별개로 구비됨으로써, 단위전지의 내부에 투입되는 수소와 공기의 압력에 의해 가스켓이 밀려나 이탈될 우려가 있었다.
이를 방지하기 위하여, 상기 가스켓을 단순히 상기 분리판을 감싸도록 형성시킬 수 있다. 그러나, 이 경우에는 인접하는 가스켓과의 접촉시에 상호간의 눌림 현상으로 인하여 가스켓이 외부로 밀리는 현상이 발생한다. 이를 방지하기 위하여, 가스켓과 분리판을 접착하게 되면 과도한 압력이 걸리게 되어서 수명이 저하된다는 문제점이 있다.
본 발명은 상술한 바와 같은 종래의 제반 문제점을 해소하기 위해 안출된 것으로, 그 목적은 매니폴더가 부식되는 것을 방지하고, 가스켓의 밀림을 방지할 수 있는 구조를 갖는 연료전지의 가스켓 결합구조를 제공하는 것이다.
상기와 같은 목적을 이루기 위해 본 발명의 실시예에 따른 연료전지의 가스켓 결합 구조에 포함되는 가스켓 각각은: 상기 분리판의 내측면에 부착된 제1 씰링부와: 상기 분리판의 내측면의 상기 제1 씰링부와 이격 배치되고 상기 분리판의 외측면까지 연장되어서 상기 분리판의 외곽을 둘러싸도록 배치된 것으로 상기 제1 씰링부보다 얇은 두께를 갖는 두름부와: 상기 분리판의 외측면에 상기 두름부가 연장 형성된 것으로, 상기 두름부보다 두꺼운 두께를 가지는 제2 씰링부;를 포함하고,
서로 인접하여 합착되는 분리판의 두름부 사이는 최종압착에 의해서도 서로 닫지 않는 두께를 가진다.
이 경우, 상기 제1 씰링부는, 니트릴부타디엔고무(NBR)와, 에틸렌프로필렌고무(EPDM)와, 불소화고무(FKM)와, 아크릴고무(ACM)와, 실리콘고무(VMQ)와, 플루오로실리콘고무(FVMQ)와, 스티렌부타디엔고무(SBR)와, 부타디엔고무(BR)와, 클로로프렌고무(CR) 중에서 선택된 적어도 하나의 폴리머를 포함할 수 있다.
삭제
이 경우, 상기 합착되는 분리판들의 제1씰링부 사이가, 최종 압착시에 서로 닿도록 두께를 가질 수 있다. 또한, 합착되는 분리판들의 제2씰링부 사이가, 최종 압착시에 서로 닿도록 두께를 가질 수 있다.
상기와 같은 구성을 가지는 본 발명은 제1 씰링부에 의하여 씰링(sealing) 작용을 함과 동시에, 두름부 사이는 서로 맞닿지 않도록 구성함으로써, 가스켓의 밀림 현상이 방지되고, 과도한 압력이 걸리는 것이 방지된다.
또한, 상기 두름부가 상기 분리판의 내측면에서 외측면까지 걸쳐서 연장됨으로써, 도전성의 분리판이 부식되지 않도록 한다. 또한, 상기 가스켓이 상기 분리판의 외곽을 잡아줌으로써 가스켓 성형시 분리판의 휨이 발생하는 것도 방지할 수 있다.
도 1은 종래의 연료전지 스택의 단위전지 셀을 보인 분리 단면도이다.
도 2는 도 1에 따른 연료전지 스택의 가스켓 결합구조를 보인 단면도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 연료전지의 가스켓 결합구조를 도시한 단면도이다.
도 4는 도 3의 하나의 가스켓 결합구조를 도시한 단면도이다.
이하, 본 발명의 바람직한 일 실시예를 첨부된 도면을 참고하여 상세하게 설명한다. 이 경우, 연료전지 스텍은 복수개의 단위전지 셀들이 적층되어서 이루어진다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 스택에서 연료전지 스택의 가스켓(120) 결합구조를 도시한 단면도이고, 도 4는 도 3의 하나의 가스켓(120) 결합구조를 도시한 단면도이다.
도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 단위전지 셀(100)은 크게 막전극 접합체(40; 도 1 참조), 분리판(110), 가스켓(120)으로 이루어진다.
막전극 접합체는, 수소 이온을 선택적으로 수송하는 고분자전해질막(42; 도1 참조)과, 상기 고분자전해질막의 양면에 형성된 한 쌍의 전극인 연료극(44; 도 1 참조)과 공기극(46; 도 1 참조)으로 구성된다. 상기 연료극과 공기극은 고분자 전해질막의 표면에 형성된 촉매층과, 상기 촉매층의 바깥면에 형성되고 통풍성과 전자전도성을 함께 가진 기체확산층을 구비하여 이루어진다.
분리판(110)(separator plate)은 상기 막전극 접합체의 일측 밑 타측에 배치된다. 상기 분리판(110)은 도전성 소재로 이루어진다. 상기 분리판(110)은 막전극 접합체를 기계적으로 고정함과 동시에, 인접한 막전극 접합체를 서로 전기적으로 직렬 또는 병렬로 접속시킨다.
상기 분리판(110)에는 수소와 공기의 반응에 따른 부산물인 물이 수용되는 매니폴더와 기체통로가 형성될 수 있다. 상기 분리판(110)은 상기 막전극 접합체를 사이에 두고 일측 및 타측에 각각 형성된 제1 분리판(110a) 및 제2 분리판(110b)일 수 있다.
상기 분리판(110)에는 가스켓(120)이 접착된다. 상기 가스켓(120)은 상기 연료극과 공기극에 공급되는 연료가스 및 산화제가스가 외부로 누설되거나 두 종류의 가스가 서로 혼합되지 않도록 씰링(sealing) 작용을 한다. 따라서 상기 제1 분리판(110a)에 접착된 제1 가스켓(120a)과, 상기 제2 분리판(110b)에 접착된 제2 가스켓(120b)이 서로 압착됨으로써 씰링 가능하게 된다.
상기 가스켓(120)은 니트릴부타디엔고무(NBR)와, 에틸렌프로필렌고무(EPDM)와, 불소화고무(FKM)와, 아크릴고무(ACM)와, 실리콘고무(VMQ)와, 플루오로실리콘고무(FVMQ)와, 스티렌부타디엔고무(SBR)와, 부타디엔고무(BR)와, 클로로프렌고무(CR)의 그룹들 중에서 적어도 하나가 선택되는 폴리머를 배합제와 컴파운딩하여 이루어질 수 있다.
니트릴부타디엔고무는 아크릴로니트릴과 부타디엔과의 공중합으로 만들어져 내유성(耐油性), 내마모성이 우수하고, 불소화고무는 내열성과 내약품성이 우수하고, 클로로프렌고무는 접착력이 우수한 특징이 있으므로, 연료전지의 특성에 맞추어 선택될 수 있다.
상기 가스켓(120)은 제1 씰링부(122)와, 두름부(124)와, 제2 씰링부(126)를 포함한다.
상기 제1 씰링부(122)는 상기 분리판(110)의 내측면에 부착되며, 인접하는 제1 씰링부와 합착되어서 상기 연료극과 공기극에 공급되는 연료가스 및 산화제가스가 외부로 누설되거나 두 종류의 가스가 서로 혼합되지 않도록 씰링(sealing) 작용을 한다.
상기 두름부(124)는 상기 제1 씰링부(122)로부터 이격 형성된다. 상기 두름부(124)는 상기 분리판(110)의 내측면으로부터 분리판(110)의 외측면까지 연장되어서 상기 분리판(110)의 외곽을 둘러싸도록 배치된다. 상기 두름부(124)의 내측면 단부는 상기 제1 씰링부(122)의 외곽측에 배치된다.
상기 두름부(124)는 상기 제1 씰링부(122)로부터 분리되어서 배치된다. 따라서 상기 제1 씰링부가 눌러지더라도 상기 두름부에는 영향을 미치지 않게 된다.
상기 두름부(124)는 상기 분리판(110)의 외측면뿐만 아니라 내측면까지도 연장 형성됨으로써, 도전성의 분리판(110)이 부식되지 않도록 한다. 또한, 상기 가스켓(120)이 상기 분리판(110)의 외곽을 잡아줌으로써 가스켓(120) 성형시 분리판(110)의 휨이 발생하는 것도 방지할 수 있다.
상기 제2 씰링부(126)는 상기 분리판(110)의 외측면에 결합되는 것으로 상기 두름부(124)와 이격 또는 일체로 배치된다.
상기 제1 가스켓(120a)의 제1 씰링부(122)는 상기 제2 가스켓(120b)의 제1 씰링부(122)와 압착된다. 이에 따라서 상기 제1 씰링부(122)의 두께는 압착 완료 상태에서 상기 인접하는 분리판(110)들 사이의 간격이 설정 간격 범위 내에 있도록 하는 것이 바람직하다.
즉, 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 제1 씰링부(122)의 두께(K)는 상기 압착완료시의 두께(H)보다 더 두껍도록 형성된다. 상기 제1 씰링부(122)는 고무 재질로 형성되어서 탄성력이 우수하다. 따라서 각각 제1, 2 분리판(110)에 형성된 제1 씰링부(122)들이 서로 압착되어서, 상기 단위전지 셀(100) 내부가 적절한 두께를 가지게 된다.
또한, 상기 두름부(124)는 상기 제1 씰링부(122)보다 두께가 더 얇다. 보다 바람직하게는, 상기 두름부(124)의 두께는, 상기 제1 분리판(110a)과 제2 분리판(110b)이 서로 합착되었을 경우, 상기 제1 분리판(110a)의 두름부(124) 및 제2 분리판(110b)의 두름부(124)가 서로 맞닿지 않는 범위 내에서 이루어지는 것이 바람직하다. 즉, 두름부의 두께는, 분리판 사이가 압착완료시의 두께(H)보다 작은 두께인 것이 바람직하다.
이에 따라서 상기 제1 씰링부(122)끼리는 합착 및 압착됨으로써 씰링력이 우수하게 된다. 또한 상기 두름부(124)끼리는 서로 맞닿지 않게 되어서, 가스켓(120) 사이에 과도한 압력이 걸리지 않게 되어서, 수명이 저하되지 않으며, 가스켓(120)이 외부로 밀려나지 않게 된다.
이 경우, 분리판(110)의 내측면이란, 상기 분리판(110)에서 막전극 접합체를 향하는 면을 의미하고, 외측면은 상기 내측면의 반대 면을 의미한다.
한편, 본 발명은 제2 씰링부(126)를 더 포함할 수 있다. 제2 씰링부(126)는 상기 분리판(110)의 외측면에 결합되는 것으로 상기 두름부(124)와 일체로 또는 별개로 분리되어서 배치된다. 상기 제2 씰링부(126)는 상기 분리판(110)의 외측면에 배치되어서 인접하는 단위전지 셀(100)에 포함된 분리판(110) 사이를 밀봉한다.
이 경우, 상기 제2 씰링부(126)의 두께는 상기 두름부(124)보다 더 두껍다. 보다 상세히 설명하면, 상기 두름부(124)의 두께는, 서로 인접하는 단위전지 셀(100)에 포함된 분리판(110)의 두름부(124) 사이가 서로 닿지않는 두께를 가진다. 반면, 상기 제2 씰링부(126)의 두께는, 서로 인접하는 단위전지 셀(100)에 포함된 분리판(110)의 제2씰링부 사이가 서로 닿도록 하는 두께를 가진다. 이에 따라서 상기 제2 씰링부(126)는 서로 압착됨으로써 씰링성을 가지게 되고, 상기 두름부(124)가 상기 제2 씰링부(126)와 별개의 부품으로 이루어짐으로써 상기 제2 씰링부(126)가 압착되어서 밀리더라도 상기 두름부(124)에 영향을 주지 않게 된다.
상기와 같이 구성된 연료전지의 가스켓(120) 결합 방법은, 먼저 금형(미도시)의 내부에 분리판(110)을 인서트 하되 상기 분리판(110)의 위치고정을 위해 외측 테두리부를 금형으로 고정하고, 상기 금형의 내부에 액상고무를 주입한다. 금형의 내부로 주입된 액상고무는 분리판(110)의 양측면에 형성된 챔버(미도시)로 충진됨으로써, 금형에 의해 고정된 부분을 제외한 모든 부분을 밀봉하게 된다. 이 경우, 챔버는 제1 씰링부(122)를 위한 제1 캐비티부와, 제2 씰링부(126) 및 두름부(124)를 위한 제2 캐비티부를 포함할 수 있다.
이상에서는 본 발명에서 특정의 바람직한 실시예들에 대하여 도시하고 또한 설명하였다. 그러나 본 발명은 상술한 실시예에 한정되지 아니하며, 특허청구범위에 기재된 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능할 것이다.
100: 단위전지 셀
110: 분리판
120: 가스켓
122: 제1 씰링부
124: 두름부
126: 제2 씰링부

Claims (4)

  1. 복수개의 단위전지 셀들이 적층된 연료전지 스택에 있어서, 하나의 단위전지 셀은, 막전극접합체와, 상기 막전극 접합체를 사이에 두고 일측 및 타측에 각각 서로 대향되도록 배치된 분리판과, 상기 분리판들 사이를 밀봉시키도록 상기 분리판 각각에 접착된 가스켓을 포함하고,
    상기 가스켓 각각은: 상기 분리판의 내측면에 부착된 제1 씰링부와: 상기 분리판의 내측면의 상기 제1 씰링부와 이격 배치되고 상기 분리판의 외측면까지 연장되어서 상기 분리판의 외곽을 둘러싸도록 배치된 것으로 상기 제1 씰링부보다 얇은 두께를 갖는 두름부와: 상기 분리판의 외측면에 상기 두름부보다 두꺼운 두께를 가지는 제2 씰링부;를 포함하고,
    상기 두름부의 두께는, 서로 인접하여 합착되는 분리판의 두름부 사이가 최종압착 완료시에도 서로 맞닫지 않도록 형성된 것을 특징으로 하는 연료전지 스택.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 씰링부는, 니트릴부타디엔고무(NBR)와, 에틸렌프로필렌고무(EPDM)와, 불소화고무(FKM)와, 아크릴고무(ACM)와, 실리콘고무(VMQ)와, 플루오로실리콘고무(FVMQ)와, 스티렌부타디엔고무(SBR)와, 부타디엔고무(BR)와, 클로로프렌고무(CR) 중에서 적어도 하나가 선택되는 폴리머를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 분리판의 제1 씰링부는 상기 분리판과 인접하는 다른 분리판의 제1 씰링부와 대향하도록 배치되고,
    하나의 분리판에 형성된 제1 씰링부의 두께는, 상기 분리판의 제1 씰링부와 인접하여 합착되는 다른 분리판의 제1 씰링부와 최종 압착 완료시에 서로 맞닿도록 형성된 것을 특징으로 하는 연료전지 스택.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 분리판의 제1 씰링부는 상기 분리판과 인접하는 다른 분리판의 제2 씰링부와 대향하도록 배치되고,
    하나의 분리판에 형성된 제1 씰링부의 두께는, 상기 분리판의 제1 씰링부와 인접하여 합착되는 다른 분리판의 제2 씰링부와 최종 압착완료시에 서로 맞닿도록 형성된 것을 특징으로 하는 연료전지 스택.
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