KR100979605B1 - 가스 확산 유닛 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 평탄하게 형성된 두 개 이상의 가스 확산 층(3)을 포함하고, 상기 가스 확산 층의 에지에 밀봉부(4)가 배치되어 있는 연료 전지(2)용 가스 확산 유닛(1)에 관한 것이며, 상기 두 개 이상의 가스 확산 층(3)은 서로 관절 형태로 연결되어 있다.

Description

가스 확산 유닛{GAS DIFFUSION UNIT}
본 발명은 평탄하게 형성된 두 개 이상의 가스 확산 층을 포함하고, 상기 가스 확산 층의 에지에 밀봉부가 배치되어 있는 연료 전지용 가스 확산 유닛에 관한 것이다.
연료 전지는 상호 인접하여 배열된 개별 셀로 이루어진다. 개별 셀은 소위 스택 또는 셀 스테이플(staple)을 형성하며, 상기 스택 또는 셀 스테이플 내에는 냉각을 위한 추가의 성분들이 통합되는 경우가 많다. 이 경우 하나의 스택은 500개까지의 개별 셀로 이루어질 수 있다. 하나의 셀은 층 방식의 구조를 특징으로 하며, 이 경우 하나의 셀은 가스 분배기 구조를 갖는 두 개의 2극성 플레이트, 두 개의 가스 확산 층 그리고 촉매 변환된 멤브레인 형태의 하나의 반응 층에 의해서 형성된 배열체로 이루어진다. 이 경우 각각 두 개의 가스 확산 층은 상기 반응 층을 둘러싸고, 하나의 멤브레인-전극-배열체를 형성한다. 누출을 방지하기 위하여 상기 멤브레인-전극-배열체 또는 2극성 플레이트에는 밀봉부가 설치되어 있다. 누출은 연료 전지를 파괴할 수 있고, 연료 전지의 효율을 떨어뜨린다. US 2003/0082430 A1호에는 평탄하게 형성된 가스 확산 층에 밀봉부가 일체로 사출 성형된 가스 확산 유닛이 공지되어 있다. 상기 가스 확산 유닛에서 조립시에는, 가 스 확산 층과 반응 층의 접촉 영역 그리고 가스 확산 층과 2극성 플레이트의 접촉 영역이 누출 없이 밀봉되도록 가스 확산 층들을 상호 정렬시키는 데 어려움이 있다.
본 발명의 과제는, 더 간단하게 그리고 확실하게 밀봉 작용하도록 장착될 수 있는 가스 확산 유닛을 제공하는 것이다.
상기 과제는 청구항 1의 특징들에 의해서 해결된다. 종속 청구항들은 바람직한 실시예들과 관련이 있다.
상기 과제를 해결하기 위하여 두 개 이상의 가스 확산 층이 서로 관절 형태로 연결된다. 이 경우 사용 준비가 완료된 상태에서 가스 확산 층들 사이에는 하나의 멤브레인이 배치되어 있다. 이와 같은 관절 형태의 연결에 의해서는, 가스 확산 층들이 서로 상대적으로 선회 동작할 때에 중심이 되는 규정된 하나의 선회 축이 나타난다. 멤브레인-전극-유닛을 제조하기 위하여 제일 먼저 멤브레인이 층들 사이에 배치되고, 그 다음에 가스 확산 층들이 겹쳐서 선회 동작한다. 지정된 선회 동작에 의해서는, 두 개의 가스 확산 층 및 상기 가스 확산 층들의 밀봉부가 위·아래로 정렬된 상태로 배치될 수 있다. 밀봉부의 정확한 정렬에 의해서는 누출이 신뢰할 수 있을 정도로 방지된다. 다른 실시예들에서 밀봉부는 중합체 제작 재료로 이루어진 캐리어 프레임 상에 배치될 수 있다.
가스 확산 층들의 밀봉부는 서로 연결될 수 있다. 이와 같은 연결에 의해서는, 간단한 수단에 의해서 그리고 추가의 소자들 없이도 가스 확산 층들의 운동 가능한 연결이 만들어질 수 있다.
밀봉부들은 재료 통일적으로 그리고 일체형으로 형성될 수 있다. 그럼으로써, 가스 확산 층들의 밀봉부는 서로 연결된다. 밀봉부는 저렴하게 제조될 수 있다.
밀봉부들은 연결 스트립에 의해 서로 연결될 수 있다. 본 경우에 연결 스트립은 박막 힌지(hinge)로서 형성되며, 이와 같은 박막 힌지에 의해서는 가스 확산 층들이 선회 동작 가능하게 서로 연결된다. 그와 동시에 연결 스트립은 제조시 재료의 과류를 가능하게 하는 규정된 영역으로서 이용된다.
추가의 한 실시예에서 밀봉부들은 바(bar)에 의해서 서로 연결될 수 있다. 상기 바도 마찬가지로 가스 확산 층들의 선회 가능한 그리고 더 나아가서는 재료 절약적인 연결을 만들어준다.
연결 스트립 또는 바는 적어도 한 측에 세로 방향으로 진행하는 절단부(kerf) 또는 협착부를 가질 수 있다. 이와 같은 절단부 또는 협착부에 의하여 운동 축은 보다 정확하게 규정되고, 그로 인해 가스 확산 층들의 정렬이 개선되며, 이로써 재차 밀봉 작용도 결과적으로 개선된다.
밀봉부는 탄성적인 중합체 제작 재료로 이루어질 수 있다. 탄성 중합체 제작 재료는 탄력이 있고, 변형 가능성이 우수하며, 간단하게 가공될 수 있다. 밀봉부는 예를 들어 실리콘, FKM(플루오르 탄성 중합체), EPDM(에틸렌-프로필렌-디엔-단량체), PIB(폴리이소부틸렌), PU(폴리우레탄), BR(부타디엔) 또는 그 혼합물로 이루어질 수 있다. 혼합에 의하여 상기 개별 제작 재료들의 바람직한 특성들은 의도한 바대로 조합될 수 있다. 플루오르 탄성 중합체는 연료 전지 환경에서 특히 바람직하게 나타나는, 온도 및 화학 약품에 대한 우수한 안정성을 특징으로 한다.
다른 실시예들에서는 열가소성 제작 재료, 예를 들어 열가소성 탄성 중합체(TPE)가 밀봉부 제작 재료로서 고려될 수 있다. 열가소성 탄성 중합체의 특별한 장점은, 이 제작 재료가 열가소성 재료들과 마찬가지로 짧은 클록 사이클(clock cycle)로 가공될 수 있다는 것이다.
전술된 모든 제작 재료들의 한 가지 공통된 장점은, 이 제작 재료들이 성형 방법으로 가공될 수 있다는 것이다.
가스 확산 층에 밀봉부를 제공하기 위하여 고려될 수 있는 제조 방법들은 사출 성형, 프레스, 접착 및 캐스팅이다. 그 중에서 프레스 방법은 특히 저렴한 공구- 및 기계 비용으로 인해 유리한 제조 방법으로 증명되었으며, 이와 같은 프레스 방법에 의해서는 연료 전지에 통상적인 좁은 공차를 갖고 치수 정확도가 매우 높은 밀봉부가 제조될 수 있다.
접착 방법은 다양한 밀봉부 실시예들이 다양한 가스 확산 층 실시예들과 조합될 수 있는 컨스트럭션 킷(construction kit) 방식의 제조를 가능하게 하고, 자체 유연성으로 인해 부품의 개수가 적은 경우에 특히 적합하다.
밀봉부는 가스 확산 층에 일체로 사출 성형될 수 있다. 사출 성형 방법은 대규모에 적합한 제조 방법이다. 가스 확산 층에 일체로 사출 성형을 하면, 가스 확산 층들 사이에 배치된 반응 층을 완전히 둘러싸는 밀봉부가 형성됨으로써, 누출이 피해진다. 사출 성형의 경우에는, 가스 확산 층에 일체로 사출 성형되는 밀봉 재료를 가스 확산 층 내부로 주입하는 것이 바람직하다. 밀봉 재료의 주입은 특히 부직포 재료로 형성된 가스 확산 층에서 이루어진다. 그럼으로써, 밀봉 작용 그리고 취급 가능성이 더욱 개선된다.
밀봉부는 적어도 부분적으로 주변을 둘러싸는 적어도 하나의 밀봉 비드(bead)를 가질 수 있다. 밀봉 비드는 특히 V자 모양으로 형성될 수 있다. 밀봉 비드는 밀봉 작용을 개선하고, 멤브레인-전극-유닛의 조립을 간소하게 한다. 조립을 위하여, 상호 연결된 가스 확산 층들은 예를 들어 2극성 플레이트들 간에 이루어지는 나사 연결에 의해서 상기 가스 확산 층들 사이에 배치된 멤브레인과 서로 프레스 된다. 밀봉 비드의 접촉면이 작기 때문에, 압착력은 처음에는 작지만 압축이 증가함에 따라 계속해서 상승한다. 밀봉 비드가 완전히 압축된 후에는, 평탄하게 형성된 이웃하는 밀봉 영역이 결합되어 압착력이 과잉 비율적으로(disproportionately high) 상승하게 되며, 이와 같은 현상은 정확한 압착력 및 그와 더불어 밀봉력에 대한 지침(indicator)으로서 이용될 수 있다. 그럼으로써, 지나치게 큰 압착력에 의한 밀봉부의 과도한 압축이 피해진다. 또한, 밀봉 비드는 밀봉할 표면에서의 비평탄성 및 공차를 보상한다.
가스 확산 층의 두께는 2 mm 미만일 수 있다. 이와 같은 두께는 이동식 적용 분야 또는 소형 전기 장치들을 위해 특히 콤팩트한 연료 전지의 형성을 가능하게 한다.
밀봉부는 적어도 부분적으로 주변을 둘러싸는 적어도 하나의 밀봉 비드 그리고 주변을 둘러싸는 적어도 하나의 리세스를 가질 수 있으며, 이 경우 리세스는 밀봉 비드에 이웃하여 배치된다. 상기 리세스는 압착력의 증가시에 밀봉 비드의 재료가 밀려 들어갈 수 있는 공간을 갖는다. 이와 같은 공간에 의해서는 밀봉 비드의 파열 또는 꺾임을 야기할 수 있는 강한 팽창이 피해진다. 밀봉 작용도 개선된다.
밀봉부는 추가로 2극성 플레이트 내부에 반응- 및 냉각 매체를 공급하기 위한 관통구 주변을 둘러쌀 수 있다. 상기 영역들이 조립시의 밀봉부 부정합(offset)에 대하여 특히 민감하게 반응하기 때문에, 본 발명은 이 경우에 추가의 장점들을 제공한다. 이와 같은 방식에 의해서, 연료 전지 밀봉부에 대하여 제기되는 다양한 요구 조건들이 단 하나의 밀봉 부재에 의해 경제적으로 충족된다.
가스 확산 층은 부직포를 포함할 수 있다. 부직포는 저렴하고, 안정된 가스 확산 층을 형성한다. 또한, 부직포는 밀봉 재료를 위한 우수한 접착 베이스를 형성하는데, 그 이유는 부직포의 기공성으로 인해 밀봉부의 재료가 부직포 내부로 침투할 수 있기 때문이다. 본 경우의 부직포는 일반적으로 탄화된 상태다. 본 경우에 가스 확산 층은 탄소 섬유-대상물 또는 탄소-대상물을 포함하는 부직포를 가질 수 있다. 탄소 섬유는 가스 확산 층의 전기 전도성을 개선한다.
본 발명에 따른 가스 확산 유닛의 실시예들은 도면을 참조하여 아래에서 상세하게 설명된다.
도 1은 연결 스트립을 갖는 가스 확산 유닛의 개략도고;
도 2는 연결 바를 갖는 가스 확산 유닛의 개략도며;
도 3은 사출 성형 과정 후의 가스 확산 유닛의 개략도고;
도 4는 반응 층이 삽입된 가스 확산 유닛의 개략도며;
도 5는 사용 준비가 완료된 가스 확산 유닛의 개략도고;
도 6은 본 발명에 따른 가스 확산 유닛을 구비한 연료 전지의 개략도며;
도 7은 가스 확산 유닛의 좁아진 관절형 연결부를 도시한 개략도고;
도 8은 가스 확산 유닛의 절단된 관절형 연결부를 도시한 개략도며;
도 9는 반응 매체 공급 영역 주변에 연결 스트립 및 밀봉 소자들을 갖춘 가스 확산 유닛의 개략도다.
도 1은 평탄하게 형성된 두 개의 가스 확산 층(3)으로 이루어진 연료 전지(2)용 가스 확산 유닛(1)을 보여준다. 가스 확산 층(3)은 탄화된 부직포로 이루어지며, 이 경우 가스 확산 층(3)의 에지에는 밀봉부(4)가 배치되어 있다. 본 실시예에서 밀봉부(4)는 실리콘과의 합성에 의해서 이루어지고, 사출 성형에 의해 가스 확산 층(3)에 일체로 고정되었으며, 이 경우 밀봉 재료는 부직포의 기공 안으로 침투된다. 다른 실시예들에서 밀봉부는 열가소성 탄성 중합체, EPDM(에틸렌-프로필렌-디엔-단량체), PIB(폴리이소부틸렌), PU(폴리우레탄), BR(부타디엔)로 이루어지거나 또는 실리콘을 포함한 상기 제작 재료들의 합성에 의해서도 이루어질 수 있다. 두 개 가스 확산 층(3)의 밀봉부(4)는 재료 통일적이고, 일체형으로 형성되었으며, 본 실시예에서는 연결 스트립(5)을 통해 서로 연결되어 있다. 상기 연결 스트립(5)에 의해 두 개의 가스 확산 층(3)은 서로 관절 형태로 연결되어 있다.
도 2는 도 1에 따른 가스 확산 유닛(1)을 보여주며, 본 실시예에서 밀봉부(4)는 바(6)에 의해 서로 연결되어 있다.
도 3 내지 도 5에는 가스 확산 유닛(1)의 제조 단계들이 도시되어 있으며, 본 제조 단계에서 멤브레인(9)은 가스 확산 층들(3) 사이에 배치된다. 멤브레인(9)은 중합체로 이루어진다. 제조를 위하여 멤브레인(9)이 하나의 가스 확산 층(3) 상에 배치되고, 두 개의 가스 확산 층(3)이 겹쳐서 선회 동작함으로써, 멤브레인(9)은 가스 확산 층들(3) 사이에 배치된다. 가스 확산 층들(3)의 관절 형태의 연결에 의해 상기 가스 확산 층들의 선회 동작이 결정됨으로써, 두 개의 가스 확산 층(3)은 자동으로 센터링 되고, 밀봉부(4)는 상호 인접하게 되며, 그로 인해 멤브레인(9)은 양측에서 밀봉된다.
밀봉부(4)는 주변을 둘러싸는 밀봉 비드(7)를 가지며, 상기 밀봉 비드는 조립 후에는 멤브레인(9)으로부터 떨어져서 마주한 측에 배치되어 있고, (도면에 도시되지 않은) 2극성 플레이트의 방향을 향한다. 도 5에 도시된 밀봉부(4)는 밀봉 비드(7) 외에 주변을 둘러싸는 두 개의 리세스(8)를 추가로 가지며, 상기 두 개의 리세스는 양측이 밀봉 비드(7)에 이웃하여 배치되어 있다.
도 6은 이동식 적용 분야를 위한 연료 전지(2)를 보여준다. 연료 전지(2) 내에 배치된 가스 확산 유닛(1)은 1 mm 미만의 두께를 갖는다.
도 7은 가스 확산 층(3)의 연결부를 보여주며, 상기 연결부는 도 1에 따른 실시예에서는 연결 스트립(5)으로 형성되었고, 도 2에 따른 실시예에서는 바(6)로 형성되었다. 상기 연결부는 대략 중앙에서 양측에 절단부(10)를 갖는다. 도 8에 따른 실시예에서 상기 연결부는 대략 중앙에서 양측에 원 세그먼트 모양의 협착부(11)를 갖는다.
도 9는 도 1에 따른 가스 확산 유닛을 보여주며, 이 경우 밀봉부(4)는 추가로 반응 매체 공급부(12)의 영역을 둘러싸고 있다.

Claims (14)

  1. 연료 전지(2)용 가스 확산 유닛(1)으로서,
    평탄하게 형성된 두 개 이상의 가스 확산 층(3)을 포함하고, 상기 가스 확산 층의 에지에 밀봉부(4)가 배치되어 있으며,
    상기 두 개 이상의 가스 확산 층(3)은 서로 관절 형태로 연결되는,
    가스 확산 유닛.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 가스 확산층(3)의 밀봉부(4)는 서로 연결된 것을 특징으로 하는 가스 확산 유닛.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 밀봉부(4)는 재료 통일적이고 일체형으로 형성된 것을 특징으로 하는 가스 확산 유닛.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 밀봉부(4)는 연결 스트립(5)에 의해 서로 연결된 것을 특징으로 하는 가스 확산 유닛.
  5. 제 2 항에 있어서,
    상기 밀봉부(4)는 바(6)에 의해 서로 연결된 것을 특징으로 하는 가스 확산 유닛.
  6. 제 4 항 또는 제 5 항에 있어서,
    상기 연결 스트립(5) 또는 바(6)는 적어도 하나의 측면에 상기 연결 스트립(5)의 세로 방향으로 진행하는 절단부(10)(kerf) 또는 협착부(11)를 갖는 것을 특징으로 하는 가스 확산 유닛.
  7. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 밀봉부(4)는 탄성적인 중합체 제작 재료로 이루어지는 것을 특징으로 하는 가스 확산 유닛.
  8. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 밀봉부(4)는 실리콘, FKM(플루오르 탄성 중합체), EPDM(에틸렌-프로필렌-디엔-단량체), PIB(폴리이소부틸렌), TPE(열가소성 탄성 중합체) 또는 그 혼합물로 이루어지는 것을 특징으로 하는 가스 확산 유닛.
  9. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 밀봉부(4)는 성형 방법으로 제조되는 것을 특징으로 하는 가스 확산 유닛.
  10. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 밀봉부(4)는 가스 확산 층(3)에 일체로 사출 성형되는 것을 특징으로 하는 가스 확산 유닛.
  11. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 밀봉부(4)는 적어도 부분적으로 주변을 둘러싸는 적어도 하나의 밀봉 비드(7)를 갖는 것을 특징으로 하는 가스 확산 유닛.
  12. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 가스 확산 층(3)의 두께는 2 mm 미만인 것을 특징으로 하는 가스 확산 유닛.
  13. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 밀봉부(4)는 적어도 부분적으로 주변을 둘러싸는 적어도 하나의 밀봉 비드(7) 그리고 적어도 부분적으로 주변을 둘러싸는 적어도 하나의 리세스(8)를 가지며, 상기 리세스는 상기 밀봉 비드(7)에 이웃하여 배치된 것을 특징으로 하는 가스 확산 유닛.
  14. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 밀봉부(4)는 2극성 플레이트 내부에 반응 매체(12)를 공급하기 위한 관통구를 추가로 밀봉하는 것을 특징으로 하는 가스 확산 유닛.
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