KR100767925B1 - 연료전지 스택 실링구조 - Google Patents

연료전지 스택 실링구조 Download PDF

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양재춘
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Abstract

본 발명은 연료전지 스택 실링구조에 관한 것으로, 스택의 분리판(10)과 집전판(20) 및 엔드플레이트(30)가 설치된 부분에 있어서, 상기 집전판(20)에 형성된 매니폴드홀(21)이 상기 분리판(10) 및 엔드플레이트(30)에 형성된 매니폴드홀(31) 보다 큰 크기로 형성되어, 상기 집전판(21)의 매니폴드홀(21)내에서 상기 분리판(10)과 엔드플레이트(30)의 사이에 가스켓(50)이 설치된 것을 특징으로 한다.
따라서, 집전판(20)의 단부가 매니폴드(M) 내부로 노출되지 않게 되어 수분에 의한 부식 및 이로 인한 오염이 방지됨으로써 스택의 내구성과 발전성능이 향상되며, 또한 종래 집전판(20) 부식 방지를 위해 실시되던 고가의 도금공정을 실시할 필요가 없게 되어 스택 제작비용이 절감되는 효과가 있다.

Description

연료전지 스택 실링구조{fuel cell stack sealing structure}
도 1은 연료전지 스택의 일측 단부를 분리 상태로 도시한 사시도,
도 2는 도 1의 A-A선 단면도로서, 종래 연료전지 스택의 실링구조 단면도,
도 3은 본 발명에 따른 연료전지 스택의 실링구조 단면도,
도 4는 본 발명의 다른 실시예로서, 커넥터 조립 전 상태도,
도 5는 도 4의 조립 후 상태도이다.
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*
10 : 분리판 20 : 집전판,
30 : 엔드플레이트 11,21,31 : 매니폴드홀
40 : 커넥터 50 : 가스켓
M : 매니폴드
본 발명은 연료전지 스택 실링구조에 관한 것으로, 특히 집전판의 부식을 방지할 수 있도록 된 연료전지 스택 실링구조에 관한 것이다.
연료전지의 스택(stack)은 연료극과 공기극의 두 전극판 및 이들 사이에 개재된 전해질막으로 이루어진 막전극조합체(MEA : Membrane Electrode Assembly)와, 상기 막전극조합체 양측에 설치되는 분리판(Separator, Bipolar plate)으로 구성되는 단위 전지(Cell)가 다수 적층되어 이루어지며, 상기 분리판에는 인접한 전극판에 반응기체(개질가스 및 공기)를 공급하는 통로와 스택 냉각을 위한 냉각수를 순환시키는 통로들이 형성된다.
또한, 상기 단위 전지에서 생산된 전류들을 모아 스택 외부의 전기 기기로 전달하기 위하여 도 1에 도시된 바와 같이, 상기 스택의 최외측 분리판(10) 외측에는 단자 역할을 하는 집전판(Current collector ; 20)이 구비되며, 이 집전판(20)의 외측으로 엔드플레이트(30)가 배치되어, 양쪽 엔드플레이트와 그 사이의 집전판 및 분리판 등을 모두 관통하여 볼트가 체결됨으로써 스택의 결합상태가 유지되도록 되어 있다.(또는 스택 외부에 클램프와 같은 체결수단을 설치할 수도 있다.)
상기와 같은 상태의 스택 내부로 연료가스와 공기 및 냉각수를 공급하고 미반응 가스 및 열교환한 냉각수를 배출하기 위하여 스택에는 전체를 관통하는 매니폴드(manifold ; M)들이 다수 형성되는데, 이 매니폴드(M)들은 상기 스택을 구성하는 부품들 즉, 상기 분리판(10), 집전판(20), 엔드플레이트(30)에 모두 동일한 크기와 형상으로 형성된 매니폴드홀(11,21,31)들이 스택 체결시 상호 밀착 연통됨으로써 형성된다.
한편, 상기 전극판에서 촉매에 의한 반응가스의 이온화와 상기 전해질막을 통한 이온의 전도성을 향상시키기 위하여 스택으로 공급되는 개질가스 및 공기는 가습되어 소정량의 수분을 포함하게 되는데, 상기 매니폴드(M)를 통과하는 상기 수분과 또한 냉각수가 상기 분리판(10)과 집전판(20) 및 엔드플레이트(30)의 사이로 침투되어 반응가스 및 냉각수가 적소로 공급되지 못하거나 또는 부품들을 부식시켜 오염물을 생성시키는 것을 방지하기 위하여 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이 각 부품들의 사이에는 가스켓(50)이 설치되고 있다.
그러나, 도 2에 도시된 바와 같이, 종래에는 집전판(20)의 단부(매니폴드홀(21)을 형성하는 부분)가 가스켓(50)의 내부로 돌출되어 매니폴드(M)를 흐르는 수분에 노출되어 있기 때문에 근본적으로 부식의 발생을 막을 수 없었고, 이때 생성된 오염물질이 매니폴드(M)에 연결된 각 공급관로로 유입될 경우 예들 들어 전극판에 담지된 촉매를 오염시킴으로써 반응가스의 이온화 정도를 저하시키게 되었다.
즉, 부식에 따른 직접적인 스택의 내구성 저하 및 스택의 발전 성능 저하를 초래하는 문제점이 있었다.
따라서, 종래에는 상기 집전판(20)을 금(Au) 또는 백금(Pt)과 같은 내식성이 강한 물질로 도금하여 매니폴드(M) 내로 돌출된 부분의 부식을 방지하였으나, 이 경우 상기 도금 물질들이 고가이어서 스택 제작 비용이 증가하게 되는 문제점이 있었다.
(미설명 부호 40은 스택에 공급되는 개질가스, 공기, 냉각수의 공급관을 연결하기 위한 커넥터로서 원형의 관 형태를 이루며, 엔드플레이트(30)의 매니폴드홀(31)에 장착된다. 또한, 부호 25는 절연체로서 엔드플레이트(30)가 두랄루민과 같은 전도성의 금속재질로 제작될 경우에 사용되며, 반면 엔드플레이트(30)가 엔지니 어링플라스틱과 같은 비전도성 재질로 제작될 경우에는 제외된다.)
이에 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 집전판에 도금을 실시하지 않고 이의 부식을 방지할 수 있게 됨으로써 도금으로 인한 비용증가를 회피하고 부식으로 인한 내구성 저하 및 오염, 이로 인한 스택의 발전 성능 저하를 방지할 수 있도록 된 연료전지 스택 실링구조를 제공함에 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은,
분리판과 집전판 및 엔드플레이트가 적층되고, 이들을 관통하는 매니폴드가 형성되며, 상기 매니폴드로부터 상기 분리판, 집전판, 엔드플레이트의 사이로 수분이 침투되는 것을 막는 가스켓이 구비된 연료전지 스택에 있어서,
상기 집전판의 매니폴드홀이 상기 분리판과 엔드플레이트의 매니폴드홀 보다 크게 형성되어, 상기 집전판의 매니폴드홀내에서 상기 분리판과 엔드플레이트의 사이에 상기 가스켓이 설치된 것을 특징으로 한다.
또한, 상기와 같은 구조에 있어서, 상기 엔드플레이트의 매니폴드홀이 상기 집전판의 매니폴드홀과 같은 크기로 형성되어, 상기 가스켓이 상기 엔드플레이트의 매니폴드홀에 삽입 장착되는 커넥터와 상기 분리판의 사이에 설치된 것을 특징으로 한다.
따라서, 상기 가스켓에 의하여 집전판의 단부가 매니폴드 내부로 노출되지 않으므로 집전판의 부식이 방지되며, 이로써 집전판의 부식방지를 위한 도금을 실시할 필요가 없게 된다.
이하, 본 발명을 첨부된 예시도면을 참조하여 설명한다.
도 3은 본 발명의 제 1실시예로서, 집전판(20)이 설치되는 스택의 일측 단부의 단면을 도시하고 있다.
도시된 바와 같이, 상기 집전판(20)은 최외측 분리판(10)과 엔드플레이트(30)의 사이에 설치되어 있으며, 이들 각각에는 동일한 위치에 매니폴드홀(11,21,31)이 형성되어 스택 조립시 상호 연이어져 매니폴드(M)를 형성한다. 이 중 상기 엔드플레이트(30)의 매니폴드홀(31)에는 외부로부터 공급되는 반응가스나 냉각수의 공급관을 연결하기 위한 커넥터(40)가 설치된다.
(미설명 부호 25는 엔드플레이트(30)가 전도성 물질로 제작될 경우에 사용되는 절연체이고, 이 절연체(25)에는 집전판(20)에 형성되는 매니폴드홀(21)과 동일한 크기의 매니폴드홀이 형성됨은 물론이다. 이 절연체(25)에 관한 사항은 이후 설명되는 실시예에서도 동일하며 추가 설명은 생략한다.)
상기와 같은 구조에 있어서, 본 발명은 상기 집전판(20)의 매니폴드홀(21)이 상기 분리판(10)과 엔드플레이트(30)의 매니폴드홀(11,31) 보다 크게 형성되고, 이와 같이 집전판(20)의 매니폴드홀(21)이 형성됨으로써 새로이 형성된 공간 즉, 집전판(20)의 매니폴드홀(21) 경계와 매니폴드(M)의 경계 내에서 상기 분리판(10)과 엔드플레이트(30) 사이에 가스켓(50)이 설치된 것을 특징으로 한다.
즉, 상기 가스켓(50)은 상기 엔드플레이트(30)에 의해 분리판(10)에 밀착됨으로써 분리판(10)과 엔드플레이트(30)의 사이로 매니폴드(M)로부터 수분이 침투하는 것을 방지하게 된다.
이때 상기 집전판(20)의 단부는 상기 가스켓(50)의 외측에 위치하게 되므로 매니폴드(M)의 수분에 의해 집전판(20)이 부식되는 현상이 확실히 방지된다.
따라서, 부식으로 인한 스택의 내구성 저하와 부식에 의해 생성된 오염물이 스택 내부를 순환하면서 부품을 오염시켜 스택의 발전성능을 저하시키는 것이 방지된다.
또한, 집전판(20)의 부식방지를 위해 금이나 백금과 같은 고가 재질의 도금을 실시할 필요가 없게 되므로 스택 제작에 소요되는 비용을 절감할 수 있게 된다.
한편, 본 발명은 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이 변형 실시될 수 있다.
이 실시예 역시 분리판(10)과 엔드플레이트(30)의 사이에 집전판(20)이 위치되고, 이들 각각에는 매니폴드(M)를 구성하는 매니폴드홀(11,21,31)들이 형성되어 있으며, 상기 엔드플레이트(30)의 매니폴드홀(31)에는 커넥터(40)가 장착되어 있다.
상기와 같은 구조에 있어서, 상기 실시예는 상기 집전판(20)의 매니폴드홀(21)이 분리판(10)의 매니폴드홀(11)보다 크게 형성된 것에 더하여 상기 엔드플레이트(30)의 매니폴드홀(31)이 상기 집전판(20)의 매니폴드홀(21)과 동일한 크기로 형성되고, 가스켓(50)이 상기 분리판(10)과 상기 커넥터(40)의 사이에 설치되는 것을 특징으로 한다.
이를 위하여 상기 커넥터(40)의 단부에 수나사(41)가 형성되고 엔드플레이트(30)의 매니폴드홀(31)에는 암나사(31a)가 형성되어 상호 나사체결됨으로써 상기 커넥터(40)가 매니폴드(M)를 따라 전후방향으로 이동할 수 있도록 되어 있다.
또한, 상기 커넥터(40)의 두께(t)는 상기 가스켓(50)을 가압할 수 있도록 가스켓(50)이 압축변형 되었을 때의 폭 보다 큰 크기로 형성된다.
따라서, 도 4에 도시된 바와 같이 가스켓(50)을 집전판(20)의 매니폴드홀(21)내에 위치시키고 상기 커넥터(40)를 조여 매니폴드(M)의 내측으로 후진시키면 커넥터(40)에 의해 가스켓(50)이 압축되어 도 5와 같이 분리판(10)과 커넥터(40)의 사이가 실링된다.
따라서, 상기 집전판(20)의 부식을 방지할 수 있게 되며, 이로써 집전판(20) 부식 방지를 위한 도금을 실시할 필요가 없게 되는 본 발명의 목적을 달성할 수 있다.
상기와 같은 본연의 목적 달성과 더불어, 상기 도 4,5에 도시된 실시예는 또 다른 작용효과를 가진다.
즉, 제 1실시예에 비하여 집전판(20)과 엔드플레이트(30)에 형성되는 매니폴드홀(21,31)의 크기가 동일해짐에 따라 구조가 단순화되어 이들을 제작하기가 용이해진다.
또한, 상기 커넥터(40)의 삽입량(후진량)을 조절할 수 있음으로써 가스켓(50)의 변형률 및 응력을 간편하게 조정할 수 있게 된다.(이를 위해 종래에는 스택의 체결강도와 가스켓 자체의 두께를 조절하였었다.)
또한, 상기 제 1실시예에서는 집전판(20, 절연체(25) 포함)과 가스켓(50)이 모두 분리판(10)과 엔드플레이트(30)의 사이에 설치되어 가압되므로 두께 설정에 있어 상호간에 제약을 주었으나, 상기 제 2실시예에서는 집전판(20)은 분리판(10)과 엔드플레이트(30)의 사이에서 가압되고 가스켓(50)은 분리판(10)과 커넥터(40)의 사이에서 가압되므로 상호간에 두께에 영향을 주지 않아 자유로운 치수 설정이 가능하다.
즉, 집전판(20)은 스택에서 요구되는 집전 용량을 충족할 만큼의 두께로 자유로이 제작가능하고, 가스켓(50) 또한 상기 집전판(20)의 두께에 상관없이 자유로이 제작되거나 기생산 제품 중에서 자유로이 선택할 수 있다.
이상 설명한 바와 같이 본 발명에 따르면, 집전판의 부식 및 이에 의해 초래되는 스택 내부의 오염이 방지됨으로써 스택의 내구성 및 발전성능의 저하를 예방할 수 있게 되는 효과가 있다.
또한, 종래 집전판의 부식방지를 위한 도금공정을 실시할 필요가 없게 됨으로써 스택 제작이 용이해지고, 비용이 절감되는 효과가 있다.
또한, 가스켓의 변형률 및 응력을 조정할 수 있게 되고, 가스켓과 집전판(절연체 포함)의 두께를 상호간에 관계없이 자유로이 설정할 수 있게 되는 장점이 있다.

Claims (5)

  1. 분리판(10)과 집전판(20) 및 엔드플레이트(30)가 적층되고, 이들을 관통하는 매니폴드(M)가 형성되며, 상기 매니폴드(M)로부터 상기 분리판(10), 집전판(20), 엔드플레이트(30)의 사이로 수분이 침투되는 것을 막는 가스켓(50)이 구비된 연료전지 스택에 있어서,
    상기 집전판(20)의 매니폴드홀(21)이 상기 분리판(10)과 엔드플레이트(30)의 매니폴드홀(11,31) 보다 크게 형성되어, 상기 집전판(21)의 매니폴드홀(21)내에서 상기 분리판(10)과 엔드플레이트(30)의 사이에 상기 가스켓(50)이 설치된 것을 특징으로 하는 연료전지 스택 실링구조.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 엔드플레이트(30)의 매니폴드홀(31)이 상기 집전판(20)의 매니폴드홀(21)과 같은 크기로 형성되어, 상기 가스켓(50)이 상기 엔드플레이트(30)의 매니폴드홀(31)에 삽입 장착되는 커넥터(40)와 상기 분리판(10)의 사이에 설치된 것을 특징으로 하는 연료전지 스택 실링구조.
  3. 제 2항에 있어서, 상기 커넥터(40)는 상기 엔드플레이트(30)의 매니폴드홀(31)에 나사결합되어 전후로 이동가능한 것을 특징으로 하는 연료전지 스택 실링구조.
  4. 제 2항에 있어서, 상기 커넥터(40)는 상기 가스켓(50)이 압축되었을때의 두께 보다 넓은 두께를 가지는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택 실링구조.
  5. 제 1항 또는 제 2항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 엔드플레이트(30)가 전도성 재질로 제작되고, 상기 엔드플레이트(30)와 집전판(20)의 사이에 절연체(25)가 구비되며, 상기 절연체(25)에는 상기 집전판(20)의 매니폴드홀(21)과 동일한 크기의 매니폴드홀이 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택 실링구조.
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