KR100820508B1

KR100820508B1 - 연료전지 스택 실링구조

Info

Publication number: KR100820508B1
Application number: KR1020070028501A
Authority: KR
Inventors: 강무성; 양재춘; 정지훈; 임찬
Original assignee: 지에스칼텍스 주식회사
Priority date: 2007-03-23
Filing date: 2007-03-23
Publication date: 2008-04-11

Abstract

본 발명은 연료전지 스택 실링구조에 관한 것으로, 하측 분리판(10)의 접착제 도포홈(10a) 양쪽 측부에 상측 분리판(10') 적층시 접착제(19) 번짐을 차단하는 버퍼홈(10b,10c)이 형성된 것을 특징으로 한다. 또한, 상기 상측 분리판(10')에 상기 버퍼홈(10b,10c)에 삽입되는 삽입돌기(10'd,10'e)가 형성될 수 있으며, 이들 버퍼홈과 삽입돌기는 분리판의 좌우측에 있어서 상호 다른 형상으로 형성될 수 있다.

따라서, 분리판(10,10') 적층시 과량의 접착제(19)가 상기 버퍼홈(10b,10c)에 의해 차단됨으로써 유로나 스택 외부로 누출되지 않고, 상기 삽입돌기(10'd,10'e)에 의해 버퍼홈(10b,10c)내에 접착제가 빈 공간 없이 충진되어 실링성능이 향상될 수 있으며, 또한 상기 삽입돌기가 정렬돌기의 역할을 수행하여 모든 분리판이 정확하게 조립될 수 있으므로 스택의 구조적 안정성이 향상될 뿐만 아니라, 분리판 적층시 오조립을 방지할 수 있게 되는 효과가 있다.

Description

연료전지 스택 실링구조{sealing structure of fuel cell stack}

도 1은 종래 기술에 따른 분리판의 가스켓 설치 상태도,

도 2는 도 1의 I-I선 단면도로서, 접착제를 사용하는 실링구조의 단면도,

도 3은 도 2의 대응도로서, 본 발명에 따른 실링구조의 단면도,

도 4는 본 발명의 변형 실시예,

도 5는 본 발명의 또 다른 실시예이다.

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*

10,10' : 분리판, 10a,10'a : 접착제 도포홈,

10b,10c, 10'b,10'c : 버퍼홈, 10d,10'd,10'e : 삽입돌기,

11~16 : 매니폴드홀, 17 : 채널,

18 : 가스켓, 19 : 접착제.

본 발명은 연료전지 스택의 실링구조에 관한 것으로, 특히 접착제를 사용하여 분리판을 접합하는 스택의 실링구조에 관한 것이다.

연료전지는 막-전극조립체(MEA ; Membrane Electrode assembly)와 분리판(separator)으로 이루어진 단위전지가 다수 적층되어 구성되며, 이를 스택(stack)이라 칭한다.

스택에는 연료가 되는 수소가스와 이와 반응할 산소를 포함한 공기와 냉각을 위한 냉각수가 공급되고, 반응 후 잔여 수소가스와 공기, 발전 반응시 생성된 물, 그리고 열교환한 냉각수가 흘러나오게 된다.

따라서, 도 1에 도시된 바와 같이 각 분리판(10)에는 수소가스, 공기, 냉각수의 공급 및 배출매니폴드를 형성하기 위한 매니폴드홀(11,12,13,14,15,16)들이 형성되고, 이 매니폴드홀(11,12,13,14,15,16)들은 분리판(10)이 적층될 때 상호 연통되어 상기 공급 및 배출매니폴드를 형성하게 된다.

그리고, 일반적으로 상기 매니폴드홀(11,12,13,14,15,16)들은 도시된 바와 같이 분리판(10)의 양쪽에 3개씩 형성되고, 양쪽의 하나씩이 한 쌍을 이루어 채널(17)로 연결됨으로써 각각 수소가스와 공기 및 냉각수의 공급 및 배출통로로서 작용하게 된다.

한편, 상기와 같이 스택에는 유체의 공급과 배출이 이루어지므로 그 유동경로를 제외한 부분으로 유체가 누출되지 않도록 완전하게 실링(sealing)될 것이 필요하며, 이에 따라 종래에는 도시된 바와 같이, 각 매니폴드홀(11,12,13,14,15,16)들과 채널(17) 형성부를 둘러싸는 형상의 가스켓(18)을 설치하여 일측의 공급매니폴드홀을 통하여 유입되고 채널(17)을 흘러 타측의 배출매니폴드홀을 통해 배출되는 수소가스, 공기 또는 냉각수가 자신의 유동경로 외측으로 누출되는 것을 방지하 고 있었다.

그러나, 상기와 같이 가스켓(18)을 사용할 경우 분리판 간의 전기적인 접촉을 위하여 필수적으로 가스켓홈을 형성하여야 하였으므로 분리판의 두께가 두꺼워질 수밖에 없게 되는 단점이 있었다.(분리판이 두꺼워지면 스택의 체적이 증가되고 따라서 체적당 발전효율이 저하된다.)

따라서, 다른 방편으로서 도 2의 (a),(b)에 도시된 바와 같이, 상기 가스켓(18)의 형상대로 접착제(19)를 도포한 후 분리판(10)을 적층함으로써 가스켓(18)의 경우에 비하여 분리판(10)에 형성되는 접착제 도포홈(10a)의 깊이를 감소시킴으로써 분리판의 두께를 감소시킬 수 있었으나, 이 경우에는 접착제(19)를 정량으로 도포하기가 어렵기 때문에 분리판 적층시 과량의 접착제가 접착제 도포홈(10a)을 벗어나 인접한 유로(I-I선 단면도로서 도면상 인접 유로는 16번 매니폴드홀이나 분리판 상의 모든 매니폴드홀 및 채널에 해당된다.)로 흘러들어 유로를 막거나 분리판 외측 즉, 스택의 외측으로 누출되어 장치의 외관을 저하시키는 문제점이 있었다.

이에 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 접착제를 사용하여 스택을 실링함에 있어서 분리판 적층시 과량의 접착제가 인접한 유로로 침투하거나 외부로 누출되어 유로를 막거나 외관미를 저하시키는 것을 방지할 수 있도록 된 연료전지 스택 실링구조를 제공함에 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은,

분리판의 표면에 접착제 도포홈이 형성되고, 상기 접착제 도포홈에 접착제가 도포되며, 그 상부로 또 다른 분리판이 적층되어 스택이 구성됨으로써 상기 접착제에 의해 스택의 실링이 이루어지는 연료전지 스택 실링구조에 있어서,

상기 분리판의 접착제 도포홈 양쪽 측부에 분리판 적층시 접착제 번짐을 차단하는 버퍼홈이 형성된 것을 특징으로 한다.

따라서, 상기 버퍼홈에 과량의 접착제가 흘러들어 모이고 그 외측부분으로 흘러가는 것이 차단됨으로써 접착제가 유로로 흘러들거나 스택 외부로 누출되는 현상을 방지할 수 있게 된다.

이하, 본 발명을 첨부된 예시도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 3은 본 발명에 따른 연료전지 스택 실링구조의 단면도로서, 본 발명은 실링재로서 접착제를 사용하는 스택에 적용되는 것이다.

도 3의 (a)에 도시된 바와 같이, 분리판(10)에는 유로(16; 종래와 동일한 부분의 단면(I-I선 단면)을 예로 들어 설명하므로 해당 유로는 16번 매니폴드홀이 된다.)를 둘러싸서 유로(16)로부터 그 외측으로 유체의 누출이 발생하지 않도록 접착제 도포홈(10a)이 형성되고, 그 접착제 도포홈(10a)에 접착제(19)가 도포된다.

상기 접착제 도포홈(10a)의 양쪽 측부에는 즉, 접착제 도포홈(10a)과 상기 유로(16)의 사이 및 접착제 도포홈(10a)과 분리판(10)의 외측단부 사이에는 각각 접착제 도포홈(10a)과 동일한 깊이의 버퍼홈(10b,10c)이 형성된다.

따라서, 도 3의 (b)에 도시된 바와 같이, 상기 분리판(10)의 상부에 또 다른 분리판(10')를 덮었을 때 상기 접착제 도포홈(10a)에 도포된 접착제중 과량은 분리판 사이에서 압착되어 양쪽 옆으로 흘러나가게 되며 이때 흘러나오는 양이 상기 버퍼홈(10b,10c)에 모여 고이게 됨으로써 버퍼홈(10b,10c) 외측 부분으로 진행하지 않게 된다.

즉, 상기 버퍼홈(10b,10c)은 분리판(10,10') 적층시 압착되어 양쪽 방향으로 퍼져 나가는 접착제(19)를 차단하는 역할을 하게 된다.

따라서, 상기 접착제(19)가 유로(16; 모든 매니폴드홀과 채널도 해당)로 흘러들어 유로를 막는 현상이 해소됨으로써 작동유체가 채널(17) 내를 원활히 흐를 수 있게 되어 보다 원할한 발전 반응이 이루어지게 된다.

또한, 상기 접착제(19)가 분리판(10,10')의 외측 즉, 스택의 외부 표면으로 누출되지 않으므로 누출된 접착제로 인해 스택의 외부 표면이 지저분해져 외관이 저하되는 것이 방지된다.

한편, 상측에 적층되는 상기 분리판(10')에는 접착제 도포홈(10a)과 동일 폭 및 깊이(상방으로의 깊이)를 가진 홈(10'a)이 형성되어 도포된 접착제(19)가 대응하는 두 홈(10a,10'a)으로 이루어진 내부 공간에 완전히 충진될 수 있도록 되어 있다.

또한, 상기 분리판(10')의 상기 홈(10'a) 양쪽 측부에는 상기 하측 분리판(10)의 양쪽 버퍼홈(10a,10c)과 동일한 위치에 동일한 폭과 깊이의 버퍼홈(10'b,10'c)을 형성하여, 상기 하측 분리판(10)의 버퍼홈(10b,10c)과 더불어 보 다 넓은 공간을 형성토록 함으로써 버퍼홈 내로 흘러드는 과량의 접착제를 모두 수용하기에 충분한 공간을 확보토록 할 수 있다.

한편, 상기 상측에 적층되는 분리판(10')에 버퍼홈(10'b,10'c)을 형성하지 않고 대신 도 4의 (a)와 같이 동일한 위치에 하층 분리판(10)의 버퍼홈(10b,10c)에 삽입되는 삽입돌기(10'd,10'e)를 형성할 수 있다.

이와 같은 삽입돌기(10'd,10'e)는 그 돌출 정도를 조절함으로써 상기 하측 분리판(10)의 버퍼홈(10b,10c)으로부터 그 외측으로 접착제가 누출되지 않으면서도 삽입돌기와 버퍼홈의 사이에 빈 공간이 존재하지 않도록 접착제를 완전히 충진시킬 수 있게 되어 분리판(10,10') 사이의 실링성을 보다 견고히 할 수 있게 된다.

그리고, 상기와 같은 삽입돌기와 버퍼홈은 도 4의 (b)에서와 같이 하측 분리판(10)과 상측 분리판(10')의 접착제 도포홈(10a,10'a) 양측에 각각 반대되는 형상으로 형성될 수 있다. 즉, 도시된 바와 같이 접착제 도포홈(10a,10'a) 외측부분에는 하측 분리판(10)에 버퍼홈(10c)이 형성되고 상측 분리판(10')에 삽입돌기(10'e)가 형성되며, 접착제 도포홈(10a,10'a) 내측부분에는 반대로 하측 분리판(10)에 삽입돌기(10d)가 형성되고 상측 분리판(10')에 버퍼홈(10'b)이 형성될 수 있는 것이다.

한편, 상기 삽입돌기들은 버퍼홈 내로 삽입되어 버퍼홈내에 빈 공간 없이 접착제를 충진시키는 작용 이외에도 정렬돌기로서 작용하게 된다.

즉, 상/하 분리판(10,10')의 상호 대응되는 위치에 상호 결합되는 홈과 돌기가 형성되는 것이므로 양자의 결합은 이들이 상호 결합됨으로써 이루어지게 된다.

따라서, 상기 삽입돌기와 버퍼홈의 결합에 의하여 상/하 분리판(10,10')들은 항상 일정하게 정렬된 상태로 적층될 수 있게 된다.

따라서, 분리판 적층시 모든 분리판의 각 매니폴드홀들이 정확히 연결되고 또한 각 막전극조합체(MEA)와 각 채널이 정확히 일치하여 면착하게 되므로 막전극조합체의 양쪽 전극과 수소가스 및 공기가 최대의 반응면적을 확보하게 되므로 스택의 발전성능과 작동 안정성이 향상된다.

한편, 상기와 같이 분리판을 적층하여 스택을 구성할 때 분리판의 양쪽 측부에 모두 동일한 형상의 버퍼홈과 삽입돌기가 형성된 경우(예를 들어 도시된 바와 같이 모두 사각 단면의 직선형으로 형성된 경우)라면, 분리판 적층시 분리판을 올바른 상태로 하지 않고 180°회전되거나 또는 뒤집어 적층하는 경우에도 적층이 가능한 경우가 발생하므로 이를 방지하기 위하여 도 5에 도시된 바와 같이 분리판의 좌측과 우측 중 일측에 형성되는 매니폴드홀(도면에서는 11,12,13)들을 둘러싸는 접착제(19) 도포라인 양측의 버퍼홈과 삽입돌기를 도 5의 (a),(b),(c)와 같이 요철모양, 물결모양 또는 지그재그모양 등 다양한 모양으로 형성할 수 있다.

상기와 같이 분리판 일측의 버퍼홈과 삽입돌기를 직선형이 아닌 다양한 절곡 또는 굴곡 형상을 가진 형상으로 형성하면 분리판이 정위치가 아닌 180°회전되거나 뒤집힌 상태로는 버퍼홈과 삽입돌기가 상호 결합되지 않게 되므로 분리판을 적층하는 것이 불가하게 되어 분리판의 오조립이 방지될 수 있게 된다.

따라서 모든 분리판이 정확한 위치에 장착되어 양호한 정렬상태의 스택을 구성할 수 있게 되므로 스택이 기계적으로 안정되게 되고, 각 작동유체의 경로 및 반 응 면적이 정확하게 형성되어 스택의 작동 성능이 향상 및 안정적이게 된다.

이상 설명한 바와 같이 본 발명에 따르면, 분리판의 접착제 도포홈 양측에 버퍼홈이 형성됨으로써 과량으로 도포된 접착제가 분리판 적층시 압착되면서 인접한 유로나 분리판의 외측으로 누출되어 유로를 막거나 스택의 외관을 지저분하게 하는 현상을 방지할 수 있게 된다.

또한, 또한 상기 버퍼홈이 형성된 분리판에 적층되는 또 다른 분리판의 대응면에 상기 버퍼홈에 삽입되는 삽입돌기가 형성됨으로써 버퍼홈에 접착제가 완전하게 충진됨으로써 시일성능이 향상되는 효과가 있다.

또한, 상기 삽입돌기가 상기 버퍼홈에 삽입되어야만 분리판의 적층이 이루어지게 되므로 분리판이 항상 올바른 정렬상태로 적층될 수 있게 되는 효과가 있다.

또한, 분리판에 있어서 좌/우측 부분 중 일측의 버퍼홈과 삽입돌기의 형상을 다양한 굴곡 및 절곡 형상을 가지는 모양으로 형성하여 타측의 직선형 버퍼홈과 삽입돌기와 차별되도록 함으로써 분리판을 180°회전시키거나 뒤집은 상태에서는 상호 결합이 불가능하도록 함으로써 분리판 적층시 오조립을 방지할 수 있게 되는 효과가 있다.

Claims

분리판(10)의 표면에 접착제 도포홈(10a)이 형성되고, 상기 접착제 도포홈(10a)에 접착제(19)가 도포되며, 그 상부로 또 다른 분리판(10')이 적층되어 스택이 구성됨으로써 상기 접착제(19)에 의해 스택의 실링이 이루어지는 연료전지 스택 실링구조에 있어서,

상기 분리판(10)의 접착제 도포홈(10a) 양쪽 측부에 분리판(10') 적층시 접착제(19) 번짐을 차단하는 버퍼홈(10b,10c)이 형성된 것을 특징으로 하는 연료전지 스택 실링구조.
청구항 1에 있어서, 상기 상측 분리판(10')에 하측 분리판(10)의 접착제 도포홈(10a)과 일치하는 동일한 크기의 홈(10'a)이 형성되고, 이 홈(10'a) 양쪽 측부에 상기 하측 분리판(10)의 양쪽 버퍼홈(10a,10c)과 일치하는 동일한 크기의 버퍼홈(10'b,10'c)이 형성된 것을 특징으로 하는 연료전지 스택 실링구조.
청구항 1에 있어서, 상기 상측 분리판(10')에 상기 하층 분리판(10)의 버퍼홈(10b,10c)에 삽입되는 삽입돌기(10'd,10'e)가 형성된 것을 특징으로 하는 연료전지 스택 실링구조.
청구항 3에 있어서, 상기 버퍼홈(10b,10c)과 상기 삽입돌기(10'd,10'e)중 상 호 결합되는 어느 한 쌍이 상기 하측 분리판(10)과 상측 분리판(10')에 각각 뒤바뀌어 형성된 것을 특징으로 하는 연료전지 스택 실링구조.
청구항 1에 있어서, 상기 분리판(10,10')의 좌측과 우측 중 일측에 형성되는 버퍼홈과 삽입돌기가 직선형상으로 형성되고, 타측에 형성되는 버퍼홈과 삽입돌기는 상기 직선형상과 일치하지 않는 굴곡 및 절곡된 형상으로 형성되어, 상기 분리판(10,10') 중 어느 하나가 180°회전 또는 뒤집혔을 경우 상호 조립되지 않도록 된 것을 특징으로 하는 연료전지 스택 실링구조.