KR100766155B1 - 연료전지 차량의 스택 오염을 방지하는 가스켓 구조 - Google Patents

연료전지 차량의 스택 오염을 방지하는 가스켓 구조 Download PDF

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Abstract

본 발명은 연료전지 차량의 냉시동성 향상을 위해 냉각수로 사용하는 초순수물 대신에 부동액을 이용할 때 상기 부동액의 누출에 의한 막 전극 접합체의 오염을 방지하여 스택을 안정적으로 사용할 수 있도록 고분자 전해질 막과 전극으로 이루어진 막 전극 접합체; 및 상기 막 전극 접합체의 전,후면에 설치되며 공기, 수소 및 부동액이 유출입 가능하도록 매니폴드가 형성된 분리판과 막 전극 접합체 사이에 개재되어 설치되는 가스켓이 구비되되 상기 가스켓은 분리판의 부동액 매니폴드에서 유출된 부동액이 유입되어 상기 막 전극 접합체의 오염을 방지가능하도록 가스켓의 하면에 형성된 오염방지홈을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 스택 오염을 방지하는 가스켓 구조를 제공한다.
연료전지, 분리판, 가스켓

Description

연료전지 차량의 스택 오염을 방지하는 가스켓 구조{The structure of gasket which prevents stack be imbrued of the fuel cell}
도 1은 본 발명에 의한 연료전지 차량의 스택 오염을 방지하는 가스켓 구조를 도시한 도면.
도 2a 내지 도2b는 본 발명에 의한 연료전지 차량의 스택 오염을 방지하는 가스켓 구조의 사용 상태도.
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*
10 : 막 전극 접합체 20 : 분리판
30 : 가스켓 32 : 오염방지홈
본 발명은 연료전지 차량의 냉시동성 향상을 위해 냉각수로 사용하는 초순수물 대신에 부동액을 이용할 때 상기 부동액의 누출에 의한 막 전극 접합체의 오염을 방지하여 스택을 안정적으로 사용할 수 있는 연료전지 차량의 스택 오염을 방지하는 가스켓 구조에 관한 것이다.
일반적으로 연료전지(Fuel Cell)는 크게 전기화학 반응을 일으키는 전극과, 반응에 의해 발생된 수소이온을 전달하는 전해질 막과, 상기한 전극과 전해질을 지지하는 분리판으로 이루어져 있다.
상기한 연료전지 중 고분자 전해질 연료전지는 다른 형태의 연료전지에 비해 효율이 높고, 전류밀도 및 출력 밀도가 크며 시동시간이 짧은 동시에 고체 전해질을 쓰기 때문에 부식 및 전해질 조절이 필요 없는 장점을 가지고 있으며 배기가스로 순수 물만을 배출하는 친환경적인 동력원이기 때문에 현재 전세계 자동차 업계에서 활발한 연구가 진행 중에 있다.
고분자 전해질 연료전지는 수소와 산소의 전기화학적 반응을 통해 물과 열을 발생시키면서 전기를 발생하는 장치로써, 공급된 수소가 Anode 전극의 촉매에서 수소 이온과 전자로 분리되고, 분리된 수소 이온은 전해질 막을 통해 Cathode로 넘어가게 되며, 이때 공급된 산소와 외부 도선을 타고 들어온 전자와 결합하여 물을 생성하면서 전기에너지를 발생시킨다. 이때 발생되는 이론 전위는 약 1.3V이며 반응식은 다음과 같다.
Anode : H2 → 2H+ + 2e
Cathode : 1/2 O2 + 2H+ + 2e → H2O
실제 자동차용 연료전지에서는 위에서 나타난 전위보다 더 큰 전위를 필요로 하는데, 더 높은 전위를 얻기 위해서는 개별 단위전지를 필요한 전위만큼 적층해야 하며, 이렇게 적층한 것을 스택(Stack)이라 한다.
상기한 스택에서 발생하는 열을 냉각하기 위해서 분리판을 이용하여 냉각을 실시한다. 상기 분리판은 전기 전도도가 커야 전자를 원활하게 전도하게 되며 전기 전도도가 큰 분리판을 사용하게 되면 냉각수는 전기 전도도가 낮은 증류수를 사용 해야만 한다.
한편, 상기한 연료전지에는 수소와 공기가 반응하는 반응영역 및 각 매니폴드로부터 수소, 공기 및 냉각수가 누설되는 것을 방지하기 위한 실링수단이 포함되어야 하며 연료전지의 경우 그 특성상 운전 및 정지가 자주 반복되고 운전 중에는 화학반응으로 인한 열발생에 의한 수축팽창이 빈번하게 일어나게 된다.
상기한 연료전지용 실링구조는 잦은 수축팽창이 일어나는 경우에도 밀폐성을 유지해야 하며, 팽창 및 수축 과정에서 연료전지의 각 구성요소에 발생되는 응력분포가 가능한 균일해야 피로로 인한 파괴를 방지할 수 있다.
최근에는 영하의 온도에서 작동하지 못하는 문제점을 개선하고자 기존의 히터를 이용하여 스택을 가열하는 방식을 탈피하여 냉각수를 부동액으로 바꿔서 사용하기 위한 노력을 기울이고 있다.
현재까지 개발된 냉각 부동액은 연료전지의 막 전극 접합체에 오염을 야기시켜 원활한 이온 교환성을 떨어뜨림으로써 연료전지의 성능을 저하시키게 되는 문제점을 발생시켜 이에 대한 시급한 대처를 필요로 했다.
이를 위해서 전극 및 매니폴드 주위에는 가스켓이 배치된다. 연료전지 실링을 위한 가스켓으로는 제작이 용이하고 두께 편차가 적은 장점 때문에 유리섬유로 강화시킨 실리콘 시트(sheet)나 테프론 시트가 많이 사용된다.
그러나, 상기한 가스켓이 실제로 스택에 설치될 때 원하는 만큼의 실링효과 가 나타나지 않아 이에 대한 대처를 필요로 했다.
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 냉각수로 사용되는 초 순수물 대신에 부동액을 사용하여 연료전지 차량의 냉시동성 향상과 함께, 상기 부동액 사용에 따른 막 전극 접합체의 오염을 방지할 수 있는 연료전지 차량의 스택 오염을 방지하는 가스켓 구조를 제공하는 데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위해 본 발명에 의한 연료전지 차량의 스택 오염을 방지하는 가스켓 구조는 고분자 전해질 막과 전극으로 이루어진 막 전극 접합체; 및 상기 막 전극 접합체의 전,후면에 설치되며 공기, 수소 및 부동액이 유출입 가능하도록 매니폴드가 형성된 분리판과 막 전극 접합체 사이에 개재되어 설치되는 가스켓이 구비되되 상기 가스켓은 분리판의 부동액 매니폴드에서 누설된 부동액에 의해 상기 막 전극 접합체의 오염이 방지가능하도록 가스켓의 하면을 따라 오염방지홈이 형성되도록 구성된다.
상기 오염방지홈은 가스켓의 하면을 따라 연통 형성되도록 구성된다.
상기 오염방지홈은 동일 깊이로 형성되도록 구성된다.
상기 오염방지홈은 직사각형 형상 또는 반원 형상 및 삼각형 형상중의 어느 하나로 형성되도록 구성된다.
상기와 같은 연료전지 차량의 스택 오염을 방지하는 가스켓 구조의 실시예를 도면을 참조하여 설명한다.
도 1은 본 발명에 의한 연료전지 차량의 스택 오염을 방지하는 가스켓 구조를 도시한 도면이고, 도 2a 내지 도2b는 본 발명에 의한 연료전지 차량의 스택 오염을 방지하는 가스켓 구조의 사용 상태도 이다.
고분자 전해질 막과 전극으로 이루어진 막 전극 접합체(10); 및 상기 막 전극 접합체(10)의 전,후면에 설치되며 공기, 수소 및 부동액이 유출입 가능하도록 매니폴드가 형성된 분리판(20)과 막 전극 접합체(10) 사이에 개재되어 설치되는 가스켓(30)이 구비되되 상기 가스켓(30)은 분리판(20)의 부동액 매니폴드에서 누설된 부동액에 의해 상기 막 전극 접합체(10)의 오염이 방지가능하도록 가스켓(30)의 하면을 따라 오염방지홈(32)이 형성되도록 구성된다.
상기 오염방지홈(32)은 가스켓(30)의 하면을 따라 연통 형성되도록 구성된다. 상기 오염방지홈(32)은 동일 깊이로 형성되도록 구성된다.
상기 오염방지홈(32)은 직사각형 형상 또는 반원 형상 및 삼각형 형상중의 어느 하나로 형성되도록 구성된다.
상기와 같이 구성되는 연료전지 차량의 스택 오염을 방지하는 가스켓 구조의 작동 상태를 도면을 참조하여 설명한다.
첨부된 도 2a를 참조하면, 연료전지 차량의 주행이 이루어지면서 부동액이 유동하는 분리판(20)(도 1참조)에 설치된 가스켓(30)의 냉각수 매니폴드(30b)에서 외부로 부동액이 누출(화살표 방향)하게 되면 상기 냉각수 매니폴드(30b)의 상하에 위치한 수소 매니폴드(30a)와 공기 매니폴드(30c)의 영역으로 부동액이 유입되지 않고 상기 가스켓(30)의 하측으로 부동액이 유입된다.
도면에 도시된 바와 같이 가스켓(30)의 하측으로 유입된 부동액은 오염방지홈(32)을 따라 유입되어 이동하되 상기 오염방지홈(32)이 가스켓(30)의 하면을 따라 연통되어 있어서 수소 매니폴드(30a)와 공기 매니폴드(30c)의 영역으로 부동액이 유입되지 않고 오염방지홈(32)을 따라 이동하게 된다.
첨부된 도 2b를 참조하면, 분리판(20)이 다수 적층된 스택(미도시)이 정상적으로 작동하게 되면서 상기 스택의 온도는 80℃까지 상승하게 된다. 상기와 같이 스택 자체 온도가 고온으로 상승 되면서 냉각수 매니폴드(30b)에서 누설된 부동액은 오염방지홈(32)상에서 증발되어 수소 매니폴드(30a)와 공기 매니폴드(30c) 및 막 전극 접합체(10)의 영역으로 침투하지 않게 되어 스택 운전에 별다른 영향을 가하지 않게 된다.
한편, 본 발명은 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변경 실시가 가능할 것이다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 연료전지 차량의 스택 오염을 방지하는 가스켓 구조는 부동액을 냉각수로 사용하는 연료전지 차량에서 상기 부동액의 누설에 의한 스택의 오염을 방지하여 안정적인 주행이 이루어질 수 있는 효과가 있다.

Claims (4)

  1. 고분자 전해질 막과 전극으로 이루어진 막 전극 접합체; 및
    상기 막 전극 접합체의 전,후면에 설치되며 공기, 수소 및 부동액이 유출입 가능하도록 매니폴드가 형성된 분리판과 막 전극 접합체 사이에 개재되어 설치되는 가스켓이 구비되되 상기 가스켓은 분리판의 부동액 매니폴드에서 누설된 부동액에 의해 상기 막 전극 접합체의 오염이 방지가능하도록 가스켓의 하면을 따라 오염방지홈이 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 스택 오염을 방지하는 가스켓 구조.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 오염방지홈은 가스켓의 하면을 따라 연통되게 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 스택 오염을 방지하는 가스켓 구조.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 오염방지홈은 동일 깊이로 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 스택 오염을 방지하는 가스켓 구조.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 오염방지홈은 직사각형 형상 또는 반원 형상 및 삼각형 형상중의 어느 하나로 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 스택 오염을 방지하는 가스켓 구조.
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