KR100803195B1 - 연료전지 스택의 냉각판의 실링 부재 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 연료전지 스택의 냉각판의 실링 부재에 관하여 개시한다. 개시된 실링부재는: 연료전지 스택의 단위셀 상에 설치된 세퍼레이터 및 상기 냉각판의 서로 대응되는 영역에 각각 형성된 그루브와, 상기 그루브들 사이에 설치된 제1실링부재와 상기 그루브의 바닥에 형성된 제2실링부재를 구비하는 것을 특징으로 한다.

Description

연료전지 스택의 냉각판의 실링 부재{Sealing member of cooling plate for fuel cell stack}
도 1은 일반적인 고온형 고분자 전해질막 연료전지 스택의 구조를 보여주는 사시도이다.
도 2는 냉각판 및 단위셀 사이의 유체의 흐름을 보여주는 분리사시도이다.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 실링부재를 보여주는 분리 단면도이다.
도 4는 냉각 플레이트의 평면도이다.
도 5는 도 3의 실링부재(50, 60)가 형성된 후, 세퍼레이터(4) 및 냉각판(5)을 결합한 때의 단면도이다.
도 6은 본 발명의 제2 실시예에 따른 실링부재를 보여주는 단면도이다.
도 7은 본 발명의 제3 실시예에 따른 실링부재를 보여주는 단면도이다.
*도면의 주요 부분에 대한 부호설명*
1: 캐소드 2: 전해질막
3: 애노드 4: 세퍼레이터
4a, 5a: 유로 4b, 5b: 그루브
5: 냉각판 10: 단위셀
20: 연료전지 스택 21,22: 엔드플레이트
30: 열교환기 50,60,70: 실링부재
본 발명은 고온용 연료전지에서 사용되는 냉각판의 실링 구조에 관한 것이다.
연료전지(fuel cell)는 메탄올, 에탄올, 천연가스와 같은 탄화수소 계열의 물질 내에 함유되어 있는 수소와 산소의 화학반응 에너지를 직접 전기 에너지로 변환시키는 발전 시스템이다. 연료전지는 사용되는 전해질의 종류에 따라, 인산형 연료전지, 용융 탄산염형 연료전지, 고체 산화물형 연료전지, 고분자 전해질형 또는 알칼리형 연료전지 등으로 분류된다. 이들 각각의 연료전지는 근본적으로 동일한 원리에 의해 작동되지만 사용되는 연료의 종류, 운전 온도, 촉매, 전해질 등이 서로 다르다.
고분자 전해질막 연료전지(PEMFC: polymer electrolyte membrane fuel cell)는 다른 연료전지에 비하여 출력 특성이 탁월하며 작동온도가 낮고 아울러 빠른 시동 및 응답 특성을 가지며, 자동차와 같은 이동용 전원은 물론, 주택, 공공 건물과 같은 분산용 전원 및 전자기기용과 같은 소형 전원 등 그 응용범위가 넓은 장점을 가진다.
종래의 PEMFC는, 고분자 전해질막의 건조 문제로 인하여, 주로 100 ℃ 이하의 온도에서, 예를 들면 약 80 ℃에서, 작동되어 왔다. 그러나, 약 100 ℃ 이하의 낮은 작동온도로 인하여, 다음과 같은 문제점이 발생하는 것으로 알려져 있다. 즉, PEMFC의 대표적인 연료인 수소부화가스(hydrogen-rich gas)는 천연가스 또는 메탄올과 같은 유기연료를 개질하여 얻는데, 이러한 수소부화가스는 부산물로서 이산화탄소뿐만 아니라 일산화탄소를 함유한다. 일산화탄소는 캐소드와 애노드에 함유되어 있는 촉매를 피독시키는 경향이 있다. 일산화탄소로 피독된 촉매의 전기화학적 활성은 크게 저하되고 그에 따라 PEMFC의 작동효율 및 수명도 심각하게 감소된다. 주목할 점은, 일산화탄소가 촉매를 피독시키는 경향은 PEMFC의 작동온도가 낮을 수록 심화된다는 것이다.
PEMFC의 작동온도를 약 130 ℃ 이상으로 상승시키면, 일산화탄소에 의한 촉매 피독을 회피할 수 있으며, PEMFC의 온도 제어도 매우 용이하게 되므로, 연료개질기의 소형화 및 냉각장치의 단순화가 가능해지고, 그에 따라, PEMFC 발전 시스템 전체를 소형화할 수 있다.
도 1은 일반적인 고온형 고분자 전해질막 연료전지 스택의 구조를 보여주는 사시도이며, 도 2는 냉각판 및 단위셀 사이의 유체의 흐름을 보여주는 분리사시도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, PEMFC 스택(20)에는 복수의 단위 셀(10)이 적층되어 있다. 각 단위셀(10)은 전해질막(2)과 전해질막(2)의 양면에 배치된 캐소드 전극(1) 및 애노드 전극(3)을 구비한다. 단위셀(10) 사이에는 각 전극에 산화제 또는 수소개스가 흐르는 유로(4a)가 형성된 세퍼레이터(4)가 설치되어 있다. 전극 및 세퍼레이터(4) 사이에는 실링을 위한 가스켓(6)이 설치된다.
연료전지의 전기화학반응 과정에서는 전기 뿐 아니라 열도 같이 발생하기 때문에, 연료전지의 원활한 가동을 위해서는 냉각과정이 필요하다. 연료전지의 냉각을 위해 연료전지 스택에는 냉각판(5)과 열교환기(30)가 설치된다. 스택(20)에는 열교환용 냉각수가 지나가기 위한 냉각판(5)이 여러 장의 단위셀(10) 마다 설치되어 있다. 냉각수가 이 냉각판(5)의 유로(5a; 도 3 참조)를 통과하면서 스택(20) 내의 열을 냉각수가 흡수하고, 이렇게 열을 흡수한 냉각수는 열교환기(30) 안에서 2차 냉각수에 의해 열을 빼앗긴 후 다시 스택(20) 안으로 순환하게 된다.
연료전지 스택의 양단에는 각각 엔드 플레이트(21, 22)이 설치된다. 엔드 플레이트(21)에는 산소(공기)의 공급홀과 회수홀, 연료(수소 개스)의 공급홀과 회수홀이 설치되어 있으며, 엔드 플레이트(22)에는 냉각수의 공급홀 및 회수홀이 형성되어 있다. 냉각판(5), 단위셀(10) 및 세퍼레이터(4)에는 각각 상기 홀들이 형성되어서 상기 홀로부터 연료(공기, 수소개스) 또는 냉각수를 공급받고, 상기 홀을 통해 연료 또는 냉각수를 배출한다.
한편, 냉각판(5)과 열교환기(30) 사이를 순환하는 냉각수는 물과 상기 물이 기화된 기체 상태의 물이 혼합된 상태로 존재하며, 이들 기체로 인하여 연료전지 스택(20)에서의 압력이 3~5 기압으로 상승한다.
냉각수의 누수를 방지하기 위해서 이들 냉각판(5)과 세퍼레이터(4) 사이에는 가스켓(gasket) 또는 오링(o-ring)이 설치된다.
그러나, 이들 가스켓 또는 오링은 고열로 인하여 딱딱해지며 따라서 시간이 지나면서 실링효과가 감소한다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 고온용 연료전지 스택에서의 냉각판과 세퍼레이터 사이의 실링 성능이 개선된 실링부재를 제공하는 것이다.
상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 스택의 냉각판의 실링부재는:
상기 세퍼레이터 및 상기 냉각판의 서로 대응되는 영역에 각각 형성된 그루브와, 상기 그루브들 사이에 설치된 제1실링부재와 상기 그루브의 바닥에 형성된 제2실링부재를 구비하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 상기 제1실링부재는 불소계 고무로 이루어진 오링(o-ring)인 것이 바람직하다.
상기 제2실링부재는 상기 제1실링부재 보다 소프트한 코팅으로서, JIS 경도가 20 ~ 40 Hs 이다.
본 발명에 따르면, 상기 제2실링부재는 RTV 코팅이다.
본 발명에 따르면, 상기 제2실링부재는 0.1 mm ~ 0.2 mm 두께로 형성된다.
상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지 스택의 냉각판의 실링부재는: 상기 세퍼레이터 및 상기 냉각판의 서로 대응되는 영역 중 적어도 어느 하나의 영역에 형성된 그루브와, 상기 그루브에 설치된 제1실링부재와, 상기 제1실링부재를 감싸는 제2실링부재를 구비하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 상기 그루브의 바닥에는 제3실링부재가 더 형성될 수 있 다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 고온용 연료전지 시스템을 상세히 설명한다. 이 과정에서 도면에 도시된 층이나 영역들의 두께는 명세서의 명확성을 위해 과장되게 도시된 것이다.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 실링부재를 보여주는 분리 단면도이며, 도 4는 냉각 플레이트의 평면도이다. 도 1 및 도 2의 구성요소와 실질적으로 동일한 구성요소에는 동일한 참조번호를 사용하고 상세한 설명은 생략된다.
도 3을 참조하면, 세퍼레이터(4) 및 냉각판(5)의 마주보는 면에는 그루브(4b, 5b)가 형성되어 있다. 상기 그루브(4b, 5b)는 도 4에 도시된 바와 같이 유로(5a)가 형성된 영역을 포위하는 형상일 수 있다. 그루브들(4b, 5b) 상에는 각각 제2실링부재(60)가 형성되어 있다. 그리고, 제2실링부재(60) 사이에는 제1실링부재(50), 예컨대 오링(o-ring)이 설치되어 있다. 상기 오링은 내열성 재질, 예컨대 불소계 고무로 형성될 수 있다.
도 5는 도 3의 실링부재(50, 60)가 형성된 후, 세퍼레이터(4) 및 냉각판(5)을 결합한 때의 단면도이다. 도 5를 참조하면, 제1실링부재(50)의 양면 상으로 제2실링부재(60)가 형성되어 있다. 제1실링부재(50)의 직경은 1.9 mm 이며, 각 그루브(4b, 5b)의 깊이가 0.75 mm 인 경우, 제1실링부재(50)는 결합시 도 5에서처럼 타원형으로 변형된다.
제2실링부재(60)는 상기 제1실링부재(50) 보다 소프트한 재질의 코팅이다. 예컨대, 제1실링부재(50)인 불소계 고무의 경도가 JIS 규격 경도 60~80 Hs 인 데 비해, 제2실링부재(60)인 RTV 코팅의 경도가 JIS 규격 경도 20 ~ 40 Hs 수준이다. 이러한 제2실링부재(60)는 상온에서도 소프트하며 내열성(200 ℃ 에서도 형상을 유지함)을 가지므로 고온용 PEMFC 스택의 운전온도(대략 150 ℃)에서도 안정하면서 기밀성을 유지한다. 또한, 제2실링부재(60)는 그루브(4b, 5b)의 바닥에서의 표면이 거칠어서 발생되는 가스 리크를 방지할 수 있다.
제2실링부재(60)는 0.1~0.2 mm 두께로 형성되는 것이 바람직하다.
RTV(room temperature vulcanizing) 코팅을 그루브(4b, 5b) 상에 고르게 도포하기 위해서는 RTV 코팅, 예컨대 다우코닝 3140(상품명)을 톨루엔과 1:1 무게비로 혼합하여 사용한다. 톨루엔과 혼합된 RTV 코팅은 주사기를 사용하여 그루브(4b, 5b)에 도포할 수 있다.
도 6은 본 발명의 제2 실시예에 따른 실링부재를 보여주는 단면도이며, 제1 실시예의 구성요소와 실질적으로 동일한 구성요소에는 동일한 참조번호를 사용하고 상세한 설명은 생략한다.
도 6을 참조하면, 냉각판(5)의 세퍼레이터(4)를 마주보는 면에는 그루브(5b)가 형성되어 있다. 상기 그루브(5b)는 도 4에 도시된 바와 같이 유로(5a)가 형성된 영역을 포위하는 형상일 수 있다. 그루브(5b) 상에는 제1실링부재(50)와 상기 제1실링부재(50)를 감싸는 제2실링부재(70)가 형성되어 있다. 상기 제1실링부재(50)는 냉각판(5) 및 세퍼레이터(4)의 결합시 타원형상이 된다.
제2실링부재(70)는 제1실링부재(50)와 제1실링부재(50)가 접촉하는 면과의 사이의 기밀성을 향상시키며 따라서 세퍼레이터(4) 및 냉각판(5) 사이의 실링 성능 을 향상시킨다.
제2 실시예에서는 냉각판(5)에만 그루브(5b)가 형성되어 있으나 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 즉, 제1 실시예처럼 세퍼레이터(4)에도 냉각판(5)의 그루브(5b)에 대응되는 그루브가 형성될 수 있다. 또한, 냉각판(5)의 그루브(5b) 대신 세퍼레이터(4)에만 그루브(4b)가 형성될 수도 있다.
제2실링부재(70)는 0.1~0.2 mm 두께로 형성되는 것이 바람직하다.
도 7은 본 발명의 제3 실시예에 따른 실링부재를 보여주는 단면도이며, 제1 및 제2 실시예의 구성요소와 실질적으로 동일한 구성요소에는 동일한 참조번호를 사용하고 상세한 설명은 생략한다.
도 7을 참조하면, 세퍼레이터(4) 및 냉각판(5)의 마주보는 면에는 그루브(4b, 5b)가 형성되어 있다. 상기 그루브(4b, 5b)는 도 4에 도시된 바와 같이 유로(5a)가 형성된 영역을 포위하는 형상일 수 있다. 그루브들(4b, 5b) 상에는 각각 제2실링부재(60)가 형성되어 있다. 그리고, 제2실링부재(60) 사이에는 제1실링부재(50), 예컨대 오링(o-ring)과 상기 제1실링부재(50)를 감싸는 제3실링부재(70)이 형성되어 있다.
제2실링부재(60)는 0.1~0.2 mm 두께로 형성되며, 제3실링부재도 0.1~0.2 mm 두께로 형성되는 것이 바람직하다.
본 발명의 실시예에 따른 실링부재와, 도 5에서 오링이 설치된 구조(종래의 실링부재)에서의 실링 특성을 실험하였다.
Figure 112006055460516-pat00001
표 1은 종래의 실링부재와 본 발명의 실시예에 따른 실링부재에서의 리크 실험을 한 결과다. 냉각판의 유로로 질소 개스를 0.32~0.35 MPa 압력으로 채운 후, 경과시간에 따른 압력을 측정한 결과, 유로의 압력이 대략 0.25 MPa로 낮아지는 데 걸리는 시간이 종래의 실링부재는 1 시간 이내인 데 비해, 본 발명의 실시예에서는 18~168 시간이 걸렸다. 이는 본 발명의 제2실링부재를 구비한 실시예의 실링부재가 종래의 실링부재에 비해 실링 효과가 높은 것을 보여준다.
표 2는 표 1의 결과로부터 고온용 PEMFC 스택에서의 누수량을 추정한 결과다.
Figure 112006055460516-pat00002
종래 실링부재를 구비한 고온용 PEMFC 스택에서는 운전시, 30 ㎖의 누수시 스택 운전을 중단하고 냉각수를 보충하여 다시 가동하는 DSS(daily stop and start) mode 운전이 불가피하였다. 반면에 본 발명의 실시예에 따른 실링부재를 채용한 스택의 운전시에는 장기간 안정적인 운전이 가능해진다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 고온용 PEMFC 스택의 실링부재는 제1실링부재를 보호하면서 실링특성을 개선하는 제2실링부재를 구비하므로 장기적으로 안정적인 실링부재를 제공한다.
본 발명은 도면을 참조하여 실시예를 참고로 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위에 한해서 정해져야 할 것이다.

Claims (17)

  1. 연료전지 스택의 단위셀 상에 설치된 냉각판의 실링부재에 있어서,
    상기 단위셀 상에 설치된 세퍼레이터 및 상기 냉각판의 서로 대응되는 영역에 각각 그루브가 형성되며,
    상기 그루브들 사이에 설치된 제1실링부재; 및
    상기 그루브의 바닥에 각각 형성된 제2실링부재;를 구비하며,
    상기 제1실링부재는 불소계 고무로 이루어진 오링(o-ring)이며,
    상기 제2실링부재는 상기 제1실링부재 보다 소프트한 코팅인 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 냉각판의 실링부재.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제2실링부재는 JIS 경도가 20 ~ 40 Hs 인 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 냉각판의 실링부재.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 제2실링부재는 RTV 코팅인 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 냉각판의 실링부재.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 제2실링부재는 0.1 mm ~ 0.2 mm 두께로 형성된 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 냉각판의 실링부재.
  7. 연료전지 스택의 단위셀 상에 설치된 냉각판의 실링부재에 있어서,
    상기 단위셀 상에 설치된 세퍼레이터 및 상기 냉각판의 서로 대응되는 영역 중 적어도 어느 하나의 영역에 그루브가 형성되며,
    상기 그루브에 설치된 제1실링부재; 및
    상기 제1실링부재를 감싸는 제2실링부재;를 구비하며,
    상기 제1실링부재는 불소계 고무로 이루어진 오링이며,
    상기 제2실링부재는 상기 제1실링부재 보다 소프트한 코팅인 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 냉각판의 실링부재.
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 제 7 항에 있어서,
    상기 제2실링부재는 JIS 경도가 20 ~ 40 Hs 인 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 냉각판의 실링부재.
  11. 제 7 항에 있어서,
    상기 제2실링부재는 RTV 코팅인 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 냉각판의 실링부재.
  12. 제 7 항에 있어서,
    상기 제2실링부재는 0.1 mm ~0.2 mm 두께로 형성된 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 냉각판의 실링부재.
  13. 제 7 항에 있어서,
    상기 그루브의 바닥에는 제3실링부재가 더 형성된 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 냉각판의 실링부재.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 제3실링부재는 상기 제1실링부재 보다 소프트한 코팅인 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 냉각판의 실링부재.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 제3실링부재는 JIS 경도가 20 ~ 40 Hs 인 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 냉각판의 실링부재.
  16. 제 13 항에 있어서,
    상기 제3실링부재는 RTV 코팅인 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 냉각판의 실링부재.
  17. 제 13 항에 있어서,
    상기 제3실링부재는 0.1 mm ~0.2 mm 두께로 형성된 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 냉각판의 실링부재.
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