KR101297798B1 - 연료 전지용 가스켓 - Google Patents

Abstract

본 발명은 연료 전지용 가스켓에 관한 것으로, 강성을 가지는 지지체와, 상기 지지체를 감싸는 탄성체로 이루어져 연료 전지의 스택을 일정한 압축율로 장기간 유지할 수 있어 스택의 성능을 장기간 안정적으로 유지시키는 효과가 있다.
또 본 발명은 연료 전지의 단위 셀에서 실링 효과를 증대시켜 반응 가스 및 냉각수의 유출로 인한 사고 및 연료 전지의 고장 및 불량을 방지하는 효과가 있다.
본 발명은 일정 이상의 강성을 가지고 형상 유지가 가능하여 별도의 부착 작업이 필요 없어 스택 제조 시 공정을 단순화하고 스택의 대량 생산을 가능하게 하는 효과가 있다.

Description

연료 전지용 가스켓{Gasket Structure for Fuel Cell}

본 발명은 연료 전지용 가스켓에 관한 것으로 더 상세하게는 연료 전지의 스택에 일정한 압축율을 제공할 수 있도록 발명된 것이다.

일반적으로 연료전지는 연료의 산화에 의해 발생되는 화학 에너지를 직접 전기 에너지로 변환시켜 전기를 발생시키는 것이다.

상기 연료전지는 탄화 수소 계열의 연료를 개질하여 정제된 수소 또는 탄화수소 계열의 연료와 공기를 직접 연료전지 스택에 공급하여 전기화학적으로 반응시킴으로써 전기 에너지를 발생시키는 것이다.

더 상세히 설명하면, 다음과 같다.

연료전지 스택은 양극(Anode)과 음극(Cathode), 상기 양극(Anode)과 음극(Cathode) 사이에 개재되는 전해질 막을 포함한 막-전극 접합체(MEA)의 양 측에 분리판이 배치된 단위 셀이 복수로 적층된 구조를 가지는 것이다.

상기 양극에는 수소 또는 수소를 포함한 가스가 공급되고, 상기 음극에는 산소를 포함한 가스가 공급되는 것이다.

그러면, 양극에서는 수소의 전기화학적 산화가 발생하고, 음극에서는 산소의 전극 화학적 환원이 발생하는 것이다.

상기 산화, 환원 반응은 전자를 생성하게 되고, 상기 전자는 상기 양극에서 음극으로 이동하면서 전기를 발생시키게 되는 것이다.

한편, 상기 단위 셀에서 상기 분리판 사이에는 스택이 일정한 간격으로 체결될 수 있도록 상기 단위 셀의 압축력을 지탱하는 역할을 할 뿐만 아니라 상기 분리판 사이에서 수소극과 공기극을 차단해 반응가스가 서로 유입되거나 외부로 유출되는 것을 방지하는 역할을 한다.

연료전지 스택은 각 단위셀에 균등한 압축율을 부여 해야만 높은 성능과 내구성을 가지게 된다.

상기 가스켓은 실링을 고려하여 일반적으로 고무 재질로 제조된다. 고무 재질로 제조된 가스켓은 연료전지 운전 시 지속적으로 압력과 열을 받아 물리적, 화학적 열화가 진행되어 고유의 탄성이 감소하고, 이는 스택의 압축률 변화로 이어져 스택의 성능을 저하시키는 문제점을 유발했던 것이다.

또 연료 전지의 수요가 날로 증가됨에 따라 대량 생산을 위해 연료 전지의 스택을 표준화할 필요가 있는 것이다.

그런데 상기 가스켓이 고무 재질로 제조되는 경우 고무의 유연성으로 가스켓을 분리판 또는 막-전극 접합체에 고정하는 공정이 어렵고 시간이 많이 소요되므로 대량 생산에 문제가 있는 것이다.

본 발명의 목적은 스택을 일정한 압축율로 장기간 유지할 수 있게 하고, 대량 생산에 적합한 연료 전지용 가스켓을 제공하는 데 있다.

이러한 본 발명의 과제는 강성을 가지는 지지체와, 상기 지지체를 감싸는 탄성체를 포함하며, 연료전지 스택의 막-전극 접합체가 삽입되는 삽입부 및 복수의 반응 가스 매니폴드, 냉각수 매니폴드가 형성된 연료 전지용 가스켓을 제공함으로써 해결되는 것이다.

강성을 가지는 지지체와, 상기 지지체를 감싸는 탄성체를 포함하며, 연료전지 스택의 막-전극 접합체가 삽입되는 삽입부 및 복수의 반응 가스 매니폴드, 냉각수 매니폴드가 형성된 것을 특징으로 하는 연료 전지용 가스켓을 제공으로써 해결되는 것이다.

상기 지지체는 금속, 비금속, 고분자 필름, 고분자 중합체 중 어느 한 재질로 형성되는 것을 특징으로 한다.

상기 삽입부의 외측 둘레로 분리판에 의해 압착되는 제 1 탄성 돌기부가 형성된 것을 특징으로 한다.

상기 반응 가스 매니폴드의 외측 둘레로 분리판에 의해 압축되는 제 2 탄성 돌기부가 형성된 것을 특징으로 한다.

상기 냉각수 매니폴드의 외측 둘레로 분리판에 의해 압축 되는 제 3 탄성 돌기부가 형성된 것을 특징으로 한다.

본 발명은 연료 전지의 스택을 일정한 압축율로 장기간 유지할 수 있어 스택의 성능을 장기간 안정적으로 유지시키는 효과가 있다.

또 본 발명은 연료 전지의 단위 셀에서 실링 효과를 증대시켜 반응 가스 및 냉각수의 유출로 인한 사고 및 연료 전지의 고장 및 불량을 방지하는 효과가 있다.

본 발명은 일정 이상의 강성을 가지고 형상 유지가 가능하여 별도의 부착 작업이 필요 없어 스택 제조 시 공정을 단순화하고 스택의 대량 생산을 가능하게 하는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 사시도
도 2는 도 1의 A -A'단면도
도 3은 본 발명의 사용 상태를 도시한 분해사시도
도 4 내지 도 5는 본 발명의 일 실시 예를 도시한 단면도

본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면에 의하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

이하, 도 1 내지 도 2에서 도시한 바와 같이 본 발명인 연료 전지용 가스켓(1)은 강성을 가지는 지지체와, 상기 지지체(10)를 감싸는 탄성체(20)를 포함한다.

상기 지지체(10)는 금속, 비금속, 고분자 필름, 고분자 중합체 중 어느 한 재질로 형성되는 것을 일 예로 하며, 일정 이상의 강도를 가져 상기 탄성체(20)의 탄성력을 보강 지지하고, 상기 탄성체(20)의 과도한 압축을 방지하는 어떠한 재질로도 성형 가능한 것이다.

또 상기 탄성체(20)는 합성 고무, 고무재, 실리콘 등 탄성을 가지고 실링 역할이 가능한 재질로 형성되며, 상기 지지체(10)의 몸체를 완전히 감싸도록 성형된다.

상기 연료 전지용 가스켓(1)은 강성을 가지는 지지체(10)가 내부에 포함되어 있어 상기 탄성체(20)의 과압축이 방지된다.

즉, 본 발명인 연료 전지용 가스켓(1)은 도 3 내지 도 5에서 도시한 바와 같이 연료 전지의 막-전극 접합체(3)의 양 면에 배치되어, 막-전극 접합체(3)의 일 면과 분리판(2) 사이에서 압축되는 것이다.

상기 막-전극 접합체(3)는 양극(Anode)과 음극(Cathode), 상기 양극(Anode)과 음극(Cathode) 사이에 개재되는 전해질 막(3a)을 포함한 것이다.

상기 분리판(2)은 막-전극 접합체(3) 내에 반응 가스를 분배하는 가스 유로 및 연료전지 스택의 냉각수가 흐르는 냉각수 유로를 구비한다.

상기 분리판(2)은 중앙부에 상기 막-전극 접합체(3)가 배치되어 실질적인 화학 반응이 발생하는 접합체 배치부(2a)가 형성되며, 상기 접합체 배치부(2a)에 반응 가스를 분배하는 가스 유로가 형성되는 것이다.

상기 막-전극 접합체(3)와, 두 개의 분리판(2)은 하나의 단위 셀을 형성하며, 연료 전지의 스택은 도시하지는 않았지만, 복수로 적층된 상기 단위 셀과 상기 단위 셀의 양 측에서 상기 단위 셀을 압축 고정하는 압축판을 포함한다.

본 발명인 연료 전지용 가스켓(1)을 포함한 각 단위 셀은 연료 전지의 스택 제작시 상기한 바와 같이 상기 압축판에 의해 압축된다.

본 발명인 연료 전지용 가스켓(1)은 내부에 강성을 가지는 상기 지지체(10)가 삽입되어 상기 압축판에 의해 상기 과도한 압력 인가에도 항상 정해진 압축율을 유지할 수 있는 것이다.

따라서 본 발명을 사용하여 제작되는 스택은 과도한 압력 인가에도 항상 정해진 압축율로 체결되어 유지된다.

또 상기 지지체(10)는 스택 운전시 발생되는 열과 압력을 견디며 스택의 모든 셀에 동일한 압력을 부여해 압축율 변동을 최소화하는 것이다.

또한 상기 지지체(10)는 장기 운전시 열과 압력에 의한 탄성체(20)의 열화현상의 영향을 감소시켜 스택 내구성을 증가 시킨다.

반면에 기존 고무 가스켓은 고유의 특성 때문에 다루기가 쉽지 않지만 상기 지지체(10)가 내부에 삽입된 본 발명인 연료 전지용 가스켓(1)은 쉽게 휘지 않으므로 다루기 쉽고 별도의 가스켓 고정공정이 필요하지 않은 독립형 가스켓으로 공정시간 단축 및 생산성 향상에 기여한다.

본 발명인 연료 전지용 가스켓(1)의 치수 안정성 측면에서 20% 압축율을 가져야하며 이를 위해 지지체(10)는 200㎛ ±10㎛, 탄성체(20)는 80㎛ ±20㎛ 이내의 치수를 적용하는 것이 바람직한 것이다.

상기 분리판(2)은 상기 접합체 배치부(2a)의 상부에 제 1 반응 가스 유입 매니폴드(2b), 제 2 반응 가스 유입 매니폴드(2c), 제 1 냉각수 매니폴드(2f)가 형성된다.

또한 상기 분리판(2)은 상기 접합체 배치부(2a)의 하부에 제 1 반응 가스 배출 매니폴드(2d), 제 2 반응 가스 배출 매니폴드(2e), 제 2 냉각수 매니폴드(2g)가 형성된다.

본 발명인 연료 전지용 가스켓(1)은 연료전지 스택의 막-전극 접합체(3)가 삽입되는 삽입부(1a) 및 복수의 반응 가스 매니폴드(1b), 냉각수 매니폴드(1c)가 형성된다.

상기 삽입부(1a)는 상기 막-전극 접합체(3)의 양극판과 음극판이 각각 삽입되는 형상으로 형성된다.

상기 복수의 반응 가스 매니폴드(1b)는 상기 분리판(2)의 제 1, 2 반응 가스 유입 매니폴드(2b, 2c), 제 1 , 2 반응 가스 배출 매니폴드(2d, 2e)에 각각 대응되게 형성된다.

상기 냉각수 매니폴드(1c)는 상기 분리판(2)의 제 1, 2 냉각수 매니폴드(2f, 2g)에 각각 대응되게 형성된다.

본 발명인 연료 전지용 가스켓(1)은 상기 반응 가스 매니폴드(1b)의 외측 둘레로 분리판(2)에 의해 압착되는 제 1 탄성 돌기부(21)가 형성된다.

본 발명인 연료 전지용 가스켓(1)은 상기 삽입부(1a)의 외측 둘레로 분리판(2)에 의해 압착되는 제 1 탄성 돌기부(21)가 형성된다.

또, 본 발명인 연료 전지용 가스켓(1)은 상기 반응 가스 매니폴드(1b)의 외측 둘레로 분리판(2)에 의해 압축되는 제 2 탄성 돌기부(22)가 형성된다.

또한, 본 발명인 연료 전지용 가스켓(1)은 상기 냉각수 매니폴드(1c)의 외측 둘레로 분리판(2)에 의해 압축 되는 제 3 탄성 돌기부(23)가 형성된다.

상기 제 1 탄성 돌기부(21), 제 2 탄성 돌기부(22), 제 3 탄성 돌기부(23)는 상기 탄성체(20)와 일체로 돌출되는 것으로 상기 분리판(2)과 압축되면서 실링 효과를 극대화 하고 서로 다른 반응가스 유입 및 외부로의 유출을 방지하는 특징을 가지는 것이다.

본 발명인 연료 전지용 가스켓(1)은 막-전극 접합체(3)가 삽입되는 삽입부(1a), 반응 가스가 통과되는 반응 가스 매니폴드(1b), 냉각수가 통과되는 냉각수 매니폴드(1c) 등과 같이 주요 실링부의 외측 둘레에 단차를 형성하여 스택 체결시 압력에 의해 압축되어 확실한 실링을 보장하고 고무의 열화현상이 발생한다 해도 실링기능을 쉽게 잃지 않는 특징을 가지는 것이다.

본 발명은 상기한 실시 예에 한정되는 것이 아니라, 본 발명의 요지에 벗어나지 않는 범위에서 다양하게 변경하여 실시할 수 있으며 이는 본 발명의 구성에 포함됨을 밝혀둔다.

1 : 연료 전지용 가스켓 2 : 분리판
3 : 막-전극 접합체 10 : 지지체
20 : 탄성체 21 : 제 1 탄성 돌기부
22 : 제 2 탄성 돌기부 23 : 제 3 탄성 돌기부

Claims (5)

1. 막-전극 접합체; 및
   상기 막-전극 접합체를 상하에서 접촉 압박하는 연료 전지용 가스켓;을 포함하고,
   상기 가스켓은 탄성체와, 상기 탄성체 내부에 삽입되고 강성을 갖는 지지체를 포함하며,
   상기 탄성체는 상기 막-전극 접합체에 접촉하며,
   상기 지지체에 의해 상기 탄성체가 상기 막 전극 접합체에 일정한 압력을 가하는, 연료전지 스택.
   
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 지지체는 금속, 비금속, 고분자 필름, 고분자 중합체 중 어느 한 재질로 형성되는 것을 특징으로 하는 연료 전지 스택.
   
3. 청구항 1에 있어서,
   상기 가스켓은 연료전지 스택의 막-전극 접합체가 삽입되는 삽입부를 더 구비하고, 상기 삽입부의 외측 둘레로 분리판에 의해 압착되는 제 1 탄성 돌기부가 형성된 것을 특징으로 하는 연료 전지 스택.
   
4. 청구항 1에 있어서,
   상기 가스켓은 복수의 반응 가스 매니폴드를 더 구비하고, 상기 반응 가스 매니폴드의 외측 둘레로 분리판에 의해 압축되는 제 2 탄성 돌기부가 형성된 것을 특징으로 하는 연료 전지 스택.
   
5. 청구항 1에 있어서,
   상기 가스켓은 복수의 냉각수 매니폴드를 더 구비하고, 상기 냉각수 매니폴드의 외측 둘레로 분리판에 의해 압축되는 제 3 탄성 돌기부가 형성된 것을 특징으로 하는 연료 전지 스택.

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