KR101029034B1 - 연료전지 분리판용 가스켓 - Google Patents

Abstract

본 발명은 다중의 밀봉구조를 갖는 가스켓과 스택의 체결 위치에 따른 가스켓에 부과되는 압력의 차이를 비대칭 구조를 이용하여 압력 분포를 완화해 주는 구조를 갖는 연료전지 분리판용 가스켓에 관한 것이다.

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Description

연료전지 분리판용 가스켓{Gasket fuel cell bipolar plate}

본 발명은 다중의 밀봉 구조를 갖는 연료전지 분리판용 가스켓에 관한 것이다. 더욱 상세하게는 분리판과 막 전극 접합체 사이에 위치하여 연료와 산화제의 밀봉을 유지하고 냉각수가 흐르는 분리판 사이에 위치하여 냉각수의 밀봉을 유지하는 가스켓에 있어서 다중의 밀봉구조를 갖는 가스켓과 스택의 체결 위치에 따른 가스켓에 부과되는 압력의 차이를 완화해 주는 구조를 갖는 연료전지 분리판용 가스켓 구조에 관한 것이다.

연료전지는 물의 전기분해에 착안하여 그 반대 원리를 적용한 것으로 수소와 산소의 전기화학적 반응에 의해 직접 전기에너지를 생성하는 일종의 발전 장치로서 순수 수소뿐 아니라 메탄올, 천연가스 등 수소를 포함한 다양한 연료를 사용할 수 있는 유용한 장치이다.

그리고, 연료전지는 수소를 연료로 사용하기 때문에 NO_x나 SO_x와 같은 유해가스의 배출이 거의 없어서 환경문제를 해결 할 수 있는 동시에 기존의 에너지 변환 방식에 비하여 높은 에너지 효율을 얻을 수 있으며, 분산용 현지 설치용 발전 시스템, 무공해 차량의 동력원, 이동용 전원 등 용도에 따라 다양한 크기와 용량으로 제작될 수 있기 때문에 대체청정에너지원으로 주목 받고 있는 차세대 에너지 발전장치이다.

연료전지는 사용되는 전해질의 종류에 따라 고분자 전해질 연료전지(PEMFC), 인산 연료전지(PAFC), 알칼리 연료전지(AFC), 용융탄산염 연료전지(MCFC), 그리고 고체산화물 연료전지(SOFC) 등과 고분자 전해질 연료전지와 원리는 같으나 메탄올을 직접 사용하는 직접 메탄올 연료전지(DMFC)가 있다.

그 중 고분자 전해질 연료전지는 액체가 아닌 수소 이온교환 특성을 갖는 고체고분자막을 전해질로 사용하기 때문에 전해질에 의한 부식과 증발의 위험이 없고, 다른 종류의 연료전지에 비하여 작동온도가 낮기 때문에 구조가 간단하고 빠른 시동과 응답특성을 가지며, 우수한 내구성을 지니고 있는 동시에 전류 밀도 및 출력 밀도가 높고 다양한 연료를 사용할 수 있기 때문에 자동차 동력원, 분산용 전원, 이동용 전원 등 다양한 분야에 응용이 가능하여 가장 활발히 연구되고 있다.

일반적으로 단위전지로는 전압이 매우 낮아서 원하는 출력을 얻을 수 없기 때문에 용도에 맞게 원하는 출력을 얻기 위해서 여러 개의 단위전지를 직렬로 연결하는데 이것을 스택이라고 한다. 연료전지 스택은 도 1 및 도 2에 예시한 바와 같이, 분리판(11), 가스켓(12), 막 전극접합체(13), 가스확산층(14), 집전판(도면에 도시하지 않음), 엔드판(도면에 도시하지 않음) 등으로 구성되어 있다.

일반적으로, 고분자 전해질 연료전지는 연료로 수소를 사용하고 산화제로 공기중의 산소를 사용한다. 여기서, 연료와 산화제가 섞일 경우 스택의 성능이 크게 저하되고, 산소와 수소의 반응으로 폭발이 일어날 가능성이 있어 매우 위험하다. 또한 냉각수의 밀봉이 되지 않을 경우 냉각수 누출에 따른 미세한 쇼트로 인해 스택의 성능이 저하될 수 있고, 스택 뿐 아니라 주변 기기에도 큰 영향을 미칠 수 있다.

따라서, 연료와 산화제는 서로 섞이거나 누출되어서는 안되고, 냉각수 역시 스택의 외부로 누출되어서는 안 된다. 여기서, 분리판(11)과 막 전극접합체(13) 사이에 위치하여 연료와 산화제의 밀봉을 유지하고 냉각수가 흐르는 분리판 사이에 위치하여 냉각수의 밀봉을 유지하는 역할을 하는 것이 바로 가스켓(12)이다.

연료전지 개발 초기에는 주로 얇은 면으로 이루어진 평판형의 면 가스켓을 주로 사용하였다. 면 가스켓은 얇은 평면의 재료를 분리판의 밀봉 부위에 맞도록 펀칭과 커팅을 이용하여 제작하였고, 원하는 형상을 얻기가 쉽고 스택 체결 시 다루기가 쉬워서 스택 제작이 용이하다. 그러나 적절한 밀봉을 위해서는 상당한 넓이의 접촉 면적을 가져야 하기 때문에 스택의 부피가 커지므로 공간 활용의 효율이 떨어지고, 상당한 크기의 압력을 가해주어야 하기 때문에 체결 장비 활용의 효율이 떨어지며, 많은 셀의 스택 체결에서는 원하는 수준의 기밀성을 유지하지 못하는 경우가 발생한다.

이러한 면 가스켓의 넓은 접촉 면적에 의한 단점들을 보완할 수 있는 가스켓으로 오-링(O-ring) 형태의 가스켓이 개발되고 현재까지 많이 사용되고 있다. 오-링형 가스켓은 면 가스켓에 비하여 접촉 면적을 현저히 줄인 가스켓으로 스택의 공간 효율을 높일 뿐 아니라 단위 면적당 체결압의 상승으로 작은 체결압으로 우수한 밀봉의 효과를 나타낼 수 있다. 그러나 가스켓의 폭이 좁아서 스택 체결 시 다루기가 쉽지 않고 셀 간 배열 위치 차이로 인한 압력의 불균형을 일으켜 밀봉에 실패하거나 분리판의 파손을 일으킬 수 있다. 그리고 작은 접촉 면적과 스택 체결 위치에 따른 압력 불 균일에 따라 밀봉에 실패하는 경우도 종종 있어 왔다.

이에 본 발명은 종래의 오-링형 가스켓을 이용하여 스택을 제작할 때 발생할 수 있는 접촉면에 따른 문제를 다중의 접촉면을 갖는 가스켓의 구조를 이용하여 해결하고, 스택 체결 위치에 따라 가스켓에 부과되는 압력의 불 균일 문제를 좌, 우 비대칭의 형태를 갖는 가스켓의 구조를 이용하여 해결하여 연료전지 스택의 밀봉 성능을 향상시키고자 하는데 그 목적이 있는 것이다.

본 발명의 청구항 1에 기재한 특징에 따르면, 연료전지 분리판용 가스켓은, 분리판 및 막 전극 접합체와 접촉하는 면이 2개 이상의 다중 접촉면을 갖는다.

본 발명의 청구항 2에 기재된 특징에 따르면, 연료전지 분리판용 가스켓은, 도 3과 같이 좌, 우측에 서로 대칭 구조의 요철 형태의 단면 형상을 갖는다.

본 발명의 청구항 3에 기재한 특징에 따르면, 연료전지 분리판용 가스켓은, 도 4와 같이 좌, 우측에 서로 대칭형태로 돌출부가 형성된 단면 구조를 갖는다.

본 발명의 청구항 4에 기재한 특징에 따르면, 연료전지 분리판용 가스켓은, 도 5, 도 6과 같이 좌, 우측에 서로 비대칭 구조의 돌출부가 형성된 단면구조를 갖는다.

본 발명의 청구항 5에 기재한 특징에 따르면, 연료전지 분리판용 가스켓은, 도 7, 도 8과 같이 좌, 우측에 서로 비대칭 구조의 돌출부가 형성된 단면 구조를 갖되 상기 돌출부의 접촉면이 일정한 각도로 서로 같은 방향으로 경사진 구조로 이 루어져 있다.

본 발명의 청구항 6에 기재한 특징에 따르면, 연료전지 분리판용 가스켓의 돌출부는 그 형상이 다각형 또는 타원형이거나, 다각형과 타원형의 2개 이상이 조합된 것이다.

본 발명의 연료전지 분리판용 가스켓으로 구성한 연료전지 스택은 종래의 연료전지 스택과 비교하여 밀봉 율이 높으며, 연료와 산화제의 누출과 혼합에 의한 위험 요소를 제거할 수 있고 성능 감소를 방지할 수 있으며, 냉각수의 누출에 의한 문제점도 제거하여 성능 감소 및 주변 기기의 수명 감소를 방지할 수 있는 장점이 있다.

본 발명에서 제시한 다중의 밀봉 구조를 갖는 가스켓은 면 가스켓에 비하여 작은 접촉면을 가지기 때문에 높은 체결압을 요구하지 않아 스택 제작이 용이하고, 스택 체결의 위치에 따라서 돌출부의 크기와 형상을 다르게 제작함으로써 접촉면에 가해지는 압력의 불 균일을 해소하여 분리판 및 막 전극 접합체의 파손을 방지하고, 밀봉의 효율을 높일 수 있는 효과가 있다.

본 발명은 다중의 밀봉 구조를 갖는 연료전지 분리판용 가스켓에 관한 것으로, 분리판과 막 전극 접합체 사이에 위치하여 연료와 산화제의 밀봉을 유지하고, 냉각수가 흐르는 분리판 사이에 위치하여 냉각수의 밀봉을 유지하는 가스켓으로, 다중의 밀봉구조를 갖는 가스켓과 스택의 체결 위치에 따른 가스켓에 부과되는 압 력의 차이를 완화해 주는 구조를 갖는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 다중의 접촉면을 갖는 가스켓은 기존 가스켓이 분리판과 접촉하는 면이 한 곳이어서 발생할 수 있는 연료, 산화제, 냉각수의 유출 문제를 2중, 3중 또는 그 이상으로 밀봉을 함으로써 밀봉의 효율을 높일 수 있다.

이와 같은 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 통하여 다음에서 자세히 설명하기로 한다. 이하에서 동일 부품에 대해서는 동일 부호를 사용하기로 한다.

첨부 도면 중 도 1은 일반적인 연료전지에서 분리판(11)에 대한 가스켓(12)의 위치를 보여주기 위한 것이고, 도 2는 일반적인 단위전지의 단면을 나타낸 것이다. 도 2에서 부호 13은 막 전극접합체이고, 부호 14는 기체확산층이다.

도 3은 본 발명의 제 1실시예에 따른 다수의 접촉면을 갖는 연료전지 분리판용 가스켓(12)의 단면도이다. 도 3에 도시된 가스켓(12)의 단면을 보면 좌, 우측이 서로 대칭을 이루는 요철 구조의 단면 형상을 가지며, 분리판(11)과 접촉하는 면은 3개이고, 막 전극 접합체(13)와 접촉하는 면은 2개로서 각각 2개 이상의 접촉면을 갖고 있다. 이러한 다중 접촉면으로 인하여 밀봉의 효율을 높일 수 있다.

도 4는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 다수의 접촉면을 갖는 연료전지 분리판용 가스켓(12)의 단면도로서, 도 4에 도시된 가스켓(12)의 단면을 보면 좌, 우측이 서로 대칭을 이루는 돌출부(15)을 가지며, 좌, 우측은 물론 상, 하도 대칭을 이루고, 분리판(11)과 막 전극 접합체(13)와 접촉하는 면은 각각 2개로서 스택의 체결 압력이 고르게 분포되는 형태의 스택에서 밀봉의 효율을 높일 수 있다.

상기 돌출부(15)의 형상은 다각형이거나 타원형일 수 있으며, 다각형과 타원형이 2개 이상 조합된 형태일 수 있다.

도 5와 도 6은 본 발명의 제3실시예에 따른 다수의 접촉면을 갖는 연료전지 분리판용 가스켓(12)의 단면도이다. 도 5와 도 6은 돌출부(15)의 형상은 사각형이지만 좌, 우측의 형태는 비대칭인 돌출부(15)의 단면 형상을 갖는다.

도7과 도 8은 본 발명의 제 4 실시예에 따른 다수의 접촉면을 갖는 연료전지 분리판용 가스켓(12)의 단면도이다. 도 7과 도 8돌출부(15)의 형상은 사각형이지만 좌, 우측이 비대칭이며, 접촉하는 접촉면이 일정한 각도로 동일한 방향으로 경사를 이루고 있다. 도 7과 도 8의 돌출부(15)는 분리판(11)과 막 전극 접합체(13)와 접촉하는 면이 각각 2개이며, 좌, 우의 형상은 비대칭으로 스택의 체결이 외부 또는 내부에서 이루어져 가스켓(12)의 내측과 외측에서 작용하는 압력이 고르게 분포되지 않을 경우 돌출부(15)의 형상과 두께에 의해 접촉하는 면에 걸리는 압력을 고르게 분포시켜 밀봉의 효율을 높일 수 있다.

도 1은 일반적인 연료전지 분리판에 가스켓을 장착한 평면도이다.

도 2는 일반적인 연료전지의 단위전지 단면도이다.

도 3은 본 발명의 제 1실시예에 따른 다중 밀봉 구조를 갖는 가스켓의 단면도이다.

도 4는 본 발명의 제 2실시예에 따른 상, 하가 대칭의 구조를 이루는 가스켓의 단면도이다.

도 5와 도 6은 본 발명의 제 3실시예에 따른 좌, 우 비대칭의 구조를 갖는 가스켓의 단면도이다.

도 7과 도 8은 본 발명의 제 4실시예에 따른 접촉면과 경사를 이루는 구조를 갖는 가스켓의 단면도이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

11 ---- 분리판

12 ---- 가스켓

13 ---- 막 전극접합체

14 ---- 기체확산층

15 ---- 돌출부

Claims (7)

1. 연료전지 분리판용 가스켓에 있어서, 분리판 및 막 전극 접합체와 접촉하는 면이 2개 이상의 다중 접촉면을 갖도록 좌, 우측에 서로 대칭 구조의 요철 형태의 단면 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 연료전지 분리판용 가스켓.
2. 삭제
3. 제 1항에 있어서, 상기 연료전지 분리판용 가스켓은, 좌, 우측에 서로 대칭형태로 돌출부가 형성된 단면 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 연료전지 분리판용 가스켓.
4. 제 1항에 있어서, 상기 연료전지 분리판용 가스켓은, 좌, 우측에 서로 비대칭 구조의 돌출부가 형성된 단면 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 연료전지 분리판용 가스켓.
5. 제 1항에 있어서, 상기 연료전지 분리판용 가스켓은, 좌, 우측에 서로 비대칭 구조의 돌출부가 형성된 단면 구조를 갖되 상기 돌출부의 접촉면이 일정한 각도로 서로 같은 방향으로 경사진 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 연료전지 분리판용 가스켓.
6. 제 3항에 있어서, 상기 돌출부는 그 형상이 다각형 또는 타원형인 것을 특징으로 하는 연료전지 분리판용 가스켓.
7. 제 3항에 있어서, 상기 돌출부는 그 형상이 다각형과 타원형의 2개 이상이 조합된 것을 특징으로 하는 연료전지 분리판용 가스켓.

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