KR101382514B1 - 연료 셀용 가스켓 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 압축성 재료로 형성되며 연료 셀의 내면을 밀봉하기 위한 가스켓에 있어서, 제1 유체 흐름 필드 플레이트와 제2 유체 흐름 필드 플레이트 각각의 대향면에 대해 유체 밀봉을 제공하기 위한 제1 밀봉면과 제2 밀봉면, 및 상기 제2 밀봉면의 내주에 의해 정의된 경계 내에 완전히 포함되며 막 전극 조립체의 제1면의 외주 영역에 대해 밀봉하기 위한 제3 밀봉면을 포함하는 가스켓을 제공한다.
제1 유체 흐름 필드 플레이트, 제2 유체 흐름 필드 플레이트, 제1 대향면, 제2 대향면, 막 전극 조립체, 제1 밀봉면, 제2 밀봉면, 가스켓, 제3 밀봉면, 단차 형태.

Description

연료 셀용 가스켓{GASKETS FOR FUEL CELLS}
본 발명은 가스켓에 관한 것으로서, 특히 연료 셀 조립체에 사용하기 위한 가스켓에 관한 것이다.
종래의 전기화학 연료 셀은 연료와 산화제를 전기 에너지 및 반응 생성물로 변환한다. 종래의 연료 셀(10)의 통상적 레이아웃이 도 1에 도시되어 있는데, 도 1은 명확성을 위해 여러 가지 층을 분해된 형태로 도시하고 있다. 고체 중합체 이온 이송 막(11)은 양극 전극(12)과 음극 전극(13) 사이에 삽입되었다. 통상적으로, 양극 전극(12)과 음극 전극(13)은, 백금 및/또는 다른 귀금속 매체의 작은 입자가 본딩되는 다공성 탄소와 같은 전기 전도성 다공성 재료로부터 형성되었다. 양극 전극(12)과 음극 전극(13)은 자주 막(11)의 각각의 인접면에 직접 본딩된다. 이러한 조합은 일반적으로 집합적으로 막-전극 조립체 또는 MEA(17)라고 지칭된다.
양극 유체 흐름 필드 플레이트(14)와 음극 유체 흐름 필드 플레이트(15)는 중합체 막과 다공성 전극층을 사이에 끼고 있다. 여기에서 "확산기" 또는 확산층이라고도 지칭되는 중간 백킹(backing) 층(12a, 13a)은 양극 유체 흐름 필드 플레이트(14)와 양극(12) 사이, 및 음극 유체 흐름 필드 플레이트(15)와 음극(13) 사이에 이용될 수 있다. 백킹 층은 다공성 성질을 가지며, 양극 및 음극 표면으로부터 또한 그들로 향한 가스의 확산을 확실하게 하고 수증기 및 액상의 물의 관리를 돕도록 조립된다.
양극 유체 흐름 필드 플레이트(14)와 음극 유체 흐름 필드 플레이트(15)는, 양극 전극(12) 또는 음극 전극(13) 각각에 전기 접촉될 수 있게 하는 전기 전도성의 비다공성 재료로 형성된다. 동시에, 유체 흐름 필드 플레이트는 다공성 양극 전극(12)과 음극 전극(13)으로 또한 그들로부터의 유체 연료, 산화제, 및 반응 생성물의 공급 및/또는 배출을 편리하게 한다. 이것은 종래에는 다공성 양극 전극(12) 및 음극 전극(13)에 구비된 표면에 있는 그루브 또는 채널(16)과 같이 유체 흐름 필드 플레이트의 표면에 유체 흐름 통로를 형성함으로써 가능하게 되었다.
또한 도 2의 (a)를 참조하면, 유체 흐름 채널의 한 가지 종래의 구조는, 도 2의 (a)에 도시된 바와 같이 입구 포트(21)와 출구 포트(22)를 구비하는 뱀 모양의 구조(20)를 양극 유체 흐름 필드 플레이트(14)(또는 음극 유체 흐름 필드 플레이트(15))의 면에 구비한다. 종래의 디자인에 따르면, 뱀 모양의 구조(20)는 양극 유체 흐름 필드 플레이트(14)(또는 음극 유체 흐름 필드 플레이트(15))의 표면에 채널(16)을 포함하고, 입구 포트(21)와 출구 포트(22) 각각은 플레이트를 관통하는 애퍼처를 포함하여, 뱀 모양의 구조(20)로의 공급 또는 그로부터의 배출을 위한 유체는 도 2의 (b)에 도시된 A-A 단면에 화살표로 표시된 바와 같이 플레이트에 대해 직각인 방향으로 플레이트의 적층의 깊이를 관통하여 연통될 수 있다.
도 3을 참조하면, 종래의 연료 셀 조립체(30)에서, 플레이트가 적층된다. 이러한 배치에서, 인접 양극 유체 흐름 필드 플레이트와 음극 유체 흐름 필드 플레 이트는, 일면에 양극 채널(32)을 가지고 대향하는 면에 음극 채널(33)을 가지는 단일 쌍극 플레이트(31)를 형성하도록 종래의 방식으로 결합되며, 양극 채널(32)과 음극 채널(33)은 각각 막-전극 조립체(MEA)(34)에 인접한다. 입구 포트 애퍼처(21)와 출구 포트 애퍼처(22)는 전체 적층체에 입구 및 출구 매니폴드를 구비하도록 중첩된다. 적층체의 여러 가지 부재는 명확성을 위해 약간 분리되어 도시되었지만, 그러한 부재들은 본 발명의 목적을 위해 가스켓을 사용하여 함께 압축될 것이라는 것을 이해할 것이다.
도 4를 참조하면, 종래의 MEA 및 확산기 조립체(41)의 부분 개략도가 도시되어 있는데, 확산층(43)은 MEA(44)의 양쪽에 구비된다. 일련의 유체 포트(42)는 MEA(44) 내에 구비된다. 이들 유체 포트(42)는, 대응하는 유체 흐름 플레이트 내의 유체 포트, 및 적층체에 함께 조립되었을 때 MEA의 평면에 대해 직각인 방향으로 유체를 연통시키기 위한 매니폴드를 형성하는 가스켓과 일치하도록 구비된다. 이들 매니폴드는 적층체의 깊이를 통해 확산층(43)으로 향해 또한 그로부터 유체를 운반하기 위해 사용된다.
도 4의 A-A' 선으로 표시된 단면은 도 5에서 부분 개략 단면도로 도시되어 있다. 양쪽 면에 확산층(43a, 43b)이 구비되는 MEA(44)는 2개의 유체 흐름 필드 플레이트(52a, 52b) 사이에 위치된다. 밀봉면(54a 내지 54d)은, 2개의 가스켓(51a, 51b)이 MEA(44)의 양쪽 및 확산층(43a, 43b)에 의해 정의되는 영역의 밖에 위치됨으로써, MEA(44)와 유체 흐름 필드 플레이트(52a, 52b) 사이에 구비된다. 의문점을 피하기 위해, 이들 유체 밀봉면(54a 내지 54d) 및 더욱 설명되는 다른 유 체 밀봉체는 연료 셀 조립체의 별개의 컴포넌트를 나타내는 것이 아니라, MEA(44), 가스켓(51a, 51b), 및 유체 흐름 필드 플레이트(52a, 52b)가 압축 하에 위치될 때 유체 밀봉체가 형성되는 가스켓과 접촉되는 영역을 나타내고자 하는 것이다.
비교적 비압축성인 쐐기(53)는, 예를 들면 쐐기에 구비되는 채널을 통해 확산층(43a)으로 또한 그로부터의 유체의 흐름을 가능하게 하고, 및/또는 압력 하에서 유체 흐름 필드 플레이트(52a) 내에 구비되는 채널을 가스켓(51a)이 막는 것을 방지하도록, 유체 흐름 필드 플레이트(52a)의 표면 상에 구비될 수 있다. 유체 밀봉체는 쐐기에 대해서도 구비될 수 있으나, 이것은 연료 셀의 작동에 있어서 다른 유체 밀봉면(54a 내지 54d)보다 덜 중요한데, 왜냐하면 쐐기(53)를 둘러싸는 볼륨은 일반적으로 다르게 밀봉되기 때문이다. 따라서 이러한 선택적 유체 밀봉은 이 도면 및 다른 도면에서 표시되지 않았다.
도 5 및 후속 도면들에서, 쐐기(53)는 확산층(43a)에 의해 적어도 부분적으로 점유되는 영역 내로 연장되는 것으로 도시되었는에, 확산층(43a)은, 예를 들면 쐐기(53) 내에 형성되는 채널을 통해 냉각수가 주입되는 양극 측부 또는 음극 측부에 대응할 수 있다. 그러한 냉각수는, 쐐기(53)와도 유체 연통되는 유체 흐름 필드 플레이트 내에 구비되는 다른 포트(도시되지 않음)를 통해 주입될 수 있다.
도 5에 도시되는 연료 셀 조립체(41)를 위한 종래의 배치는, 각각의 MEA에 대해 2개의 별개의 가스켓(51a, 51b)에 형성되는 전체 4개의 밀봉면(54a 내지 54d)을 구비한다. 연료 셀의 조립을 단순화하고 연료 셀의 전체 비용을 감소시키기 위해, 감소된 수의 밀봉면 및/또는 감소된 수의 컴포넌트를 가지고 동일한 기능을 제 공할 수 있는 것이 이점을 가질 것이다.
컴포넌트의 수를 감소시키는 한 가지 방법은, 도 6에 개략적으로 도시되었듯이, 가스켓(51a, 51b)을 단일 가스켓으로 통합하는 것이다. 이러한 배치에서, 밀봉면(64a, 64d)은 가스켓(51a, 51b)과 유체 흐름 필드 플레이트(52a, 52b) 사이에 구비되지만, 가스켓(61)과 MEA(44) 사이의 밀봉면(64b, 64c)은, 가스켓(61)의 단면이 c자 형상이기 때문에, 동일한 가스켓(61) 내에 구비된다. 성형되는 가스켓(61)은 MEA(44)의 외주를 효율적으로 둘러싼다. 그러한 결과를 얻기 위해서, 가스켓(61)의 두께가 MEA(44)의 작동 크기와 확산층(43a, 43b)의 두께를 더한 크기와 일치하도록, 가스켓 크기를 엄격하게 제어할 필요가 있다. 컴포넌트의 수를 감소시킬 수 있지만, 이것은 제조 프로세스의 복잡성이 증가되는 것을 감수하여야 하다. 또한, 성형되는 가스켓(61)을 형성하기 위해 필요한 공구 및 프로세스는 비용을 증가시키고, 연료 셀의 디자인 신축성을 감소시킨다.
본 발명의 목적은 향상된 가스켓 디자인을 제공하는 것이다.
제1 측면에 따라, 본 발명은, 제1 유체 흐름 필드 플레이트, 제2 유체 흐름 필드 플레이트, 제1 대향면 및 제2 대향면을 구비하며 상기 제1 유체 흐름 필드 플레이트와 상기 제2 유체 흐름 필드 플레이트 사이에 삽입된 막 전극 조립체, 및 상기 제1 유체 흐름 필드 플레이트와 상기 제2 유체 흐름 필드 플레이트 사이에 연장되어 있고, 상기 제1 유체 흐름 필드 플레이트 및 상기 제2 유체 흐름 필드 플레이트와 함께 각각의 제1 밀봉면과 제2 밀봉면을 형성하고 있는 가스켓을 포함하며, 상기 가스켓은 또한 제3 밀봉면을 정의하고, 상기 제3 밀봉면에 의해, 상기 가스켓이 상기 막 전극 조립체의 일면과만 접촉되고 있는, 연료 셀 조립체를 제공한다.
제1 측면에 따라, 본 발명은, 연료 셀의 내면을 밀봉하기 위한 가스켓에 있어서, 상기 가스켓의 대향면 상에 있는 제1 밀봉면과 제2 밀봉면, 및 상기 제2 밀봉면의 내주에 의해 정의된 경계 내에 완전히 존재하는 제3 밀봉면을 포함하며, 상기 가스켓은 상기 제2 밀봉면과 상기 제3 밀봉면 사이에 단차 형태를 형성하는하고 있는, 연료 셀의 내면을 밀봉하기 위한 가스켓을 제공한다.
제3 측면에 따라, 본 발명은, (i) 제1 유체 흐름 필드 플레이트를 제공하는 단계, (ii) 상기 제1 유체 흐름 필드 플레이트에 기대어 놓인 제1 밀봉면, 제2 밀봉면 및 상기 제2 밀봉면의 내중에 의해 정의된 경계 내에 완전히 포함된 제3 밀봉면을 구비하는 가스켓을 상기 제1 유체 흐름 필드 플레이트 상에 배치하는 단계, (iii) 제1면의 둘레 에지 부분이 상기 가스켓의 상기 제3 밀봉면 위에 중첩된 막 전극 조립체를 상기 가스켓 상에 배치하는 단계, (iv) 상기 제2 밀봉면과 상기 막 전극 조립체의 제2면 위에 중첩된 제2 유체 흐름 필드 플레이트를 상기 막 전극 조립체와 상기 가스켓 위에 위치시키는 단계, 및 (v) 상기 가스켓의 상기 제1 밀봉면과 상기 제1 유체 흐름 필드 플레이트 사이, 상기 가스켓의 상기 제2 밀봉면과 상기 제2 유체 흐름 필드 플레이트 사이, 및 상기 가스켓의 상기 제3 밀봉면과 상기 막 전극 조립체 사이에 유체 밀봉을 제공하기 위해, 상기 가스켓과 상기 막 전극 조립체에 걸쳐 상기 제1 유체 흐름 필드 플레이트와 상기 제2 유체 흐름 필드 플레이트 사이에 압축 압력을 인가하는 단계를 포함하며, 상기 가스켓은 상기 막 전극 조립체의 일면에 대해서만 밀봉하는, 연료 셀 조립체를 형성하는 방법을 제공한다.
도 1은 종래의 연료 셀의 일부를 통한 개략적 단면도이다.
도 2의 (a) 및 (b)는 각각 도 1의 연료 셀의 유체 흐름 필드 플레이트의 단순화된 평면도 및 단면도를 도시한다.
도 3은 쌍극성 플레이트를 구비하는 종래의 연료 셀 적층체를 통한 단면도이다.
도 4는 막-전극 조립체의 부분 개략적 평면도이다.
도 5는, 2개의 유체 흐름 필드 플레이트 사이에 위치되고 종래의 가스켓으로 밀봉된 도 4의 막-전극 조립체의 일부의 A-A' 선에 따른 개략적 단면도이다.
도 6은 막-전극 조립체를 밀봉하기 위한 가스켓 배치의 개략적 단면도이다.
도 7은 막-전극 조립체를 밀봉하기 위한 다른 가스켓 배치의 개략적 단면도이다.
도 8은 막-전극 조립체를 밀봉하기 위한 또 다른 가스켓 배치의 개략적 단면도이다.
도 9는 본 발명에 따른 가스켓의 실시예 상에서 정위치에 있는 막-전극 조립체의 개략적 평면도이다.
도 10은 복수개의 공동을 포함하는 가스켓의 일부의 구조의 사시도이다.
도 11은 도 10의 가스켓의 부분 단면도이다.
도 12는, 인가된 압력 하에서의 도 10의 가스켓의 부분 단면도이다.
이제 본 발명의 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 예로서 설명한다.
면에 유체 흐름 채널을 합체하는 양극 및 음극 유체 흐름 필드 플레이트의 종래의 디자인은, 도 1 내지 도 3과 관련하여 이미 설명되었고, 그러한 플레이트에 사용하기 위한 일반적 가스켓의 배치는 도 4 내지 도 6을 참조하여 설명되었다.
본 발명은, 연료 셀이 작용할 수 있게 하기 위해 밀봉되기 위해, 도 5 및 도 6에 도시된 MEA의 양쪽 면에 유체 밀봉하는 것과는 대조적으로, 유체 밀봉은 MEA의 일면에만 하면 되며, 이것은 단일 가스켓으로 달성될 수 있다. 일면(76)만 밀봉되는 MEA(44)는 도 7에 개략 도시되었는데, MEA(44)은 밀봉면(74b)을 따라 가스켓(72)에 대해 밀봉된다. 이러한 면이 적절히 밀봉된다면, MEA의 대향면(75)은 가스켓(72)에 대해 밀봉될 필요는 없는데, 그것은 밀봉면(74c)이 MEA의 내부 또는 외부로부터의 유체의 바람직하지 않은 통과를 방지하고 밀봉면(74b)이 MEA(44)의 한 쪽으로부터 다른 쪽으로의 유체의 통과를 방지하기 때문이다(MEA(44)의 막은 실질적으로 양자적(protonic) 전도성만 가능하게 함).
따라서, 가스켓(72)은, 2개의 유체 흐름 필드 플레이트(52a, 52b) 모두와 접촉함으로써, 연료 셀(대체로 확산층(73a, 73b)에 의해 정의됨)의 음극 및 양극 컴포넌트를 효율적으로 밀봉한다. 양극 및 음극 컴포넌트 내의 유체는, MEA(44)의 제1면(76) 상의 밀봉면(74b)에 의해 형성되는 유체 밀봉에 의해 혼합이 방지되며, 이러한 유체 밀봉의 쌍을 이루는 면들은 MEA(44)와 가스켓(72)의 둘레부 사이에 구 비된다.
따라서, 가스켓(72)의 제1면에 제1 밀봉면(74a)이 구비되고, 반대쪽 면에 제2 밀봉면(74c)이 구비되는 것을 알 수 있다. 가스켓은 또한 제3 밀봉면(74b)을 구비하며, 제2 밀봉면과 제3 밀봉면 사이에 단차 형태를 형성하는한다. 제1 밀봉면과 제2 밀봉면은 각각 제1 유체 흐름 필드 플레이트와 제2 유체 흐름 필드 플레이트에 대해 유체 밀봉을 제공한다. 제3 밀봉면(74b)은 MEA(44)의 제1면(76)에 대해서만 유체 밀봉을 제공한다. 제3 밀봉면(74b)은 제1 밀봉면(74a)과 제2 밀봉면(74c)에 대해 실질적으로 평행한 평면이다. MEA의 제2면(75)은 가스켓(72)에 대해 유체 밀봉을 형성하지 않는다. 도 7에 도시된 예에서, 제2 밀봉면(74c)과 제1 밀봉면(74a) 사이에 연장되는 가스켓(72)의 제1부(77)는, 제3 밀봉면(74b)과 제1 밀봉면(74a) 사이에 연장되는 가스켓(72)의 제2부(78)의 두께(t2)보다 큰 두께(t1)를 가진다. 두께의 차이(t1-t2)는 바람직하게 MEA(44)와 확산층(73b)의 두께를 수용하도록 디자인되어, 제3 밀봉면(74b)은 가스켓 재료의 심각한 왜곡 없이 구비될 수 있다.
가스켓(72)은, 예를 들면 필요한 단차 형태 단면을 형성하며 제3 밀봉면(74b)의 두께는 감소시키는 성형 또는 임의의 다른 적절한 프로세스에 의해 형성될 수 있다.
유사한 일반적 원리를 따르는 다른 밀봉 배치가 도 8에 개략적으로 도시되어 있다. 이러한 배치에서, 가스켓(82)은 바람직하게 초기에 즉 압력이 인가되지 않 았을 때 균일한 두께를 가지지만, 가변 또는 증가되는 압축성을 가진 유형이다. 증가되는 가변 압축성을 가진 가스켓의 예는 영국 특허출원 제0601986.3호에 기술되어 있다. 공동은 가스켓 재료의 국부적 압축성을 증가시키기 위해 가스켓(82)의 일면 또는 양면의 적어도 일부에 구비될 수 있다. 예를 들면, 공동은 제3 밀봉면(84b)에 의해 정의되는 가스켓(82)의 적어도 일부에 구비될 수 있다. 압축성의 국부적 증가는 동일한 압력이 인가되었을 때 가스켓(82)이 더 압축될 수 있게 한다. 따라서 가스켓(82)은, 제1 밀봉면(74a)과 제2 밀봉면(74c)에서의 유체 밀봉을 제공하는 능력이 감소됨이 없이, 제3 밀봉면(84b)에 의해 정의되는 영역에 MEA(44)를 수용하기에 필요한 두께(t2)로 압축될 수 있다. 이러한 배치는, MEA(44)의 부당한 왜곡을 피하기 위해, 제3 밀봉면(84b)이 제1 밀봉면(74a)과 제2 밀봉면(74c)에 대해 적어도 부분적으로 경사지게 한다.
도 7에서와 같이 두께가 감소된 영역을 사용하거나, 예를 들면 도 8에서와 같이 복수개의 공동을 통해 증가된 압축성을 가진 영역을 사용하거나, 또는 두가지를 조합한 것을 사용하면, 도 6의 가스켓(61)에서와 같이 "재진입" 또는 c자형 프로파일을 필요로 하지 않고 단일 가스켓을 사용하여 MEA(44) 주위의 적절한 유체 밀봉을 가능하게 한다.
도 7 및 도 8의 실시예 모두에서, 제3 밀봉면(74b, 84b)은 제2 밀봉면(74c, 84c)에 대해 내부에서 인접하는데, 그러한 표현은, 제3 밀봉면이 제2 밀봉면에 비해 연료 셀의 중심을 향한다는 것을 나타내기 위한 것이다.
상술한 바와 같은 본 발명의 이점은, 밀봉면의 수를 감소시킴으로써, 연료 셀을 밀봉시키는 데 필요한 컴포넌트의 수가 감소되는 것이다. 다른 이점은, 그러한 연료 셀의 조립의 복잡성이 감소되는 것과, 전체 MEA 면적의 감소를 통해 잠재적으로 비용면에서 더욱 효과적인 MEA 디자인을 가능하게 하는 것이다. 본 발명은 또한 연료 셀이, 아래에서 상세히 설명되듯이, 순차적 층으로 구성될 수 있게 한다.
도 9는, 양쪽에 확산층(93)을 구비하는 MEA(91)가 가스켓(82) 위의 정위치에 위치되는 방식을 보여주는 배치를 도시한다. 이 예에서 MEA는 도 4에 도시된 것에 비하여 사이즈가 감소된다. MEA(91)의 외주(95)는 가스켓(82) 위에 놓여, 가스켓(82)의 내주(96)는 완전히 MEA의 외주(95) 내에 놓인다. 2개의 유체 흐름 필드 플레이트(52a, 52b) 사이에서 정위치에 있을 때, 제3 밀봉면(84b)은 가스켓(82)의 내주면에 구비되고, MEA의 외주(95)와 가스켓의 내주(96) 사이에서 연장되어, 가스켓(82)의 내주면과 MEA(91)의 외주면 사이에 유체 밀봉을 제공한다.
일반적인 측면에서, 가스켓(82)은 MEA(44)에 대해 밀봉하기 위해 재진입 내면을 가지지 않는다. 도 7 및 도 8을 참조하면, 가스켓(72, 82)을 포함하는 연료 셀 적층체는, 유체 흐름 필드 플레이트(52a), 가스켓(72, 82), 확산층(73a, 83a), MEA(44), 확산층(73a, 83b), 및 유체 흐름 필드 플레이트(52b)를 순차적으로 적층함으로써 구성될 수 있다. 가스켓은 MEA 상에 사전 형성될 필요가 없고, 따라서 정확한 셀 구조에 맞추어질 필요가 없다.
일면 또는 양면의 적어도 일부에 인접하는 복수개의 공동이 가스켓(82)에 구 비되는 바람직한 실시예가 도 10 내지 도 12에 더 도시되어 있다.
도 10은 본 발명에 적합한 가스켓(153)의 대표적 부분을 도시한다. 가스켓(153)은 제1 밀봉면(154)과 제2 밀봉면(155)을 구비한다. 제1 복수개의 공동(156)은 제1 밀봉면에서 가스켓(153) 내에 구비되고 가스켓의 부분에 걸쳐 연장된다. 공동(156)은, 도시된 가스켓(153)의 부분에 걸쳐 규칙적 어레이 내에서 연장된다. 또한, 제2 밀봉면(155)에서 가스켓 내에 구비되는 제2 복수개의 공동(157)이 도시되었는데, 제2 복수개의 공동(157)은 이 예에서 제1 복수개의 공동과 크기 및 배치가 실질적으로 유사하다.
공동(156)은 도 10에서 면(154)에 구비되는 것으로 도시되었지만, 다른 실시예에서는 면(154) 아래에 구비될 수도 있지만 가스켓(153)의 두께를 통하여 국부적 면 압축성에 영향을 주도록 면에 충분히 가까이 있다.
가스켓의 밀봉면(154, 155)은 가스켓이 밀봉되는 컴포넌트의 면과 접촉되는 면으로 정의된다. 따라서, 밀봉면은 일반적으로 공동(156, 157)의 내면을 포함하지 않는다. 그러나, 가스켓(153)에 인가되는 압력이 증가됨에 따라, 공동(156, 157)의 내면의 비율은 가스켓(153)의 밀봉면의 일부가 될 수 있는데, 그 비율은 인가된 압력의 증가와 함께 증가된다.
"공동 밀도"라는 용어는 여기에서, 가스켓(153)의 임의의 정의된 영역에 걸쳐 존재하는 공동의 수의 척도로서 사용된다. 가스켓(153)의 부분의 제1 밀봉면(154)에 걸친 공동 밀도는 가스켓(153)의 동일한 부분의 제2 밀봉면(155)에 걸친 공동 밀도와 다를 수 있다. 예를 들면, 도 10의 가스켓(153)의 밀봉면(154)의 면 적이 1cm2이고, 공동의 수가 36이면, 제1 밀봉면 상의 공동 밀도는 36cm-2이다.
"공동 체적"이라는 용어는 여기에서, 가스켓(153) 또는 가스켓(153)의 소정의 영역 내에서 공동에 대한 평균 수치라는 면에서 유용하게 주어질 수 있는 임의의 주어진 공동의 전체 공간 체적이다.
가스켓의 영역 내의 공동 밀도 및 공동 체적은 각각 적어도 부분적으로, 가스켓의 그러한 영역의 압축성을 결정한다는 것을 알 수 있을 것이다.
본 발명의 가스켓은 바람직하게, 사용시에, 가스켓이 사용되는 연료 셀 조립체의 여러 가지 내면에 대해 밀봉하기에 충분한 압축성을 가지는 압축성 재료를 포함한다.
"압축성 재료"라는 용어는, 압축성 압력이 인가되었을 때 심각하게 변형될 수 있는 고체 재료를 포함하는 것을 의도한 것이고, 그 물리적 기계적 성질은, 압력이 인가되었을 때 탄성, 즉 회복 가능한 변형과 소성, 즉 영구적 및 회복 불가능한 변형의 조합으로 특징될 수 있다. 크리프(creep) 및 점탄성과 같은 시간 의존 효과는 또한 부분적으로 압축성 재료의 성질을 정의할 수 있다.
가스켓 영역의 압축성의 증가는 그 영역의 전체 두께를 압축하는데 필요한 압력을 동일한 정도로 감소시키는 것에 대응될 것이다. 다시 말해서, 동일하게 인가된 압력이 그 영역의 전체 두께를 더 큰 정도로 감소시킬 것이다.
제1 밀봉면(164)과 제2 밀봉면(165)에서 공동 체적이 다른 본 발명에 적합한 가스켓(161) 내의 공동(162, 163)의 다른 대칭 배치의 단면도가 도 11에 도시되어 있다. 제1 밀봉면(164)에 인접한 공동(162)은 제2 밀봉면(165)에 인접한 공동(163)과 크기가 다르다. 공동 체적의 이러한 유형의 결과는, 동일하게 인가된 압력 하에서 더 작은 공동(162)들 사이에서 가스켓 재료(167)보다 더 압축될 수 있다.
도 11에 도시된 것과 유사한 효과가, 각각의 제1 밀봉면(164)과 제2 밀봉면(165) 각각의 아래의 평균 공동 체적을 변경시키는 대신에, 공동들 사이의 간격을 변경하여 공동 밀도에 영향을 줌으로써 얻어질 수 있다.
공동 밀도 및/또는 공동 체적은 제1 밀봉면(164)과 제2 밀봉면(165)에 인접한 가스켓의 적어도 선택된 대향면 부분에서 다를 수 있고, 대향면 부분은, 가스켓(161)의 대향 밀봉면에서 실질적으로 동일 공간에 존재하는 제1 밀봉면(164)과 제2 밀봉면(165)의 선택된 영역이다.
도 11의 가스켓(161) 내의 그러한 대칭적 배치에서, 면 접착성은 따라서 일면으로 향하여 편향될 수 있다. 가스켓(161)의 다른 면인 제2 밀봉면(165)에 비하여 일면인 제1 밀봉면(164)의 접촉 영역은 접착제 또는 면 준비를 필요로 하지 않고 다른 면에 비하여 일면에 접착하는 경향을 가질 것이다.
상부 컴포넌트(177)와 하부 컴포넌트(176) 사이의 압축 하에서 그러한 가스켓(161)의 동작의 단면도가 도 12에 도시되어 있다. 가스켓(161)은 2개의 컴포넌트 면(174, 175) 사이에 위치된다. 컴포넌트 면(174)의 평면으로부터 돌출하는 면 돌출부(173)가 하부 컴포넌트 면(174)에 위치된다. 화살표(171)로 표시된 방향으로 압력을 인가하면, 보상 영역(172) 내의 가스켓 재료는 보상 영역 밖의 재료보다 더 압축된다. 가스켓의 추가적 압축은 가스켓 자체의 체적 내에서 이루어지며, 가스켓(161)의 외주 주위에서 추가적 팽창을 일으키지 않는다. 공동(163)은, 보상 영역(172) 내의 둘러싸는 가스켓 재료가, 힘의 적용 방향에 대해 직각인 방향을 따라 공동(163) 내로 팽창될 수 있게 한다. 면 돌출부(173)는, 예를 들면 유체 흐름 필드 플레이트의 선택된 영역을 덮도록 위치되는 물 분배 포일과 같은 비교적 비압축성 재료의 포일 또는 쐐기일 수 있다. 바람직하게, 본 발명의 목적을 위해, 면 돌출부는, 도 9와 관련하여 설명되었듯이 MEA(91)의 둘레 에지(95)의 면 돌출부이다. 가스켓(161)은 면 돌출부(173) 주위에서 압축 가능하게 변형될 수 있기 때문에, 면 돌출부(173) 주위의 밀봉은 면 돌출부(173)의 존재에 의해 저하되지 않는다.
가스켓(153, 161)은, 도 10에 도시된 바와 같이, 예를 들면 실질적으로 균일하게 이격된 사각형 패턴 내에 규칙적인 어레이로 배치되는 사각형 공동(156, 157, 162, 163)일 수 있다. 육각형 또는 삼각형 패턴과 같은 다른 유형의 규칙적 반복 패턴도 생각할 수 있다. 역시 공동 밀도 및 평균 공동 체적에 의해 특징지어질 수 있는 반복하지 않는 패턴 또는 무작위 분배되는 패턴도 본 발명의 범위 내에서 생각된다.
"공동"이라는 용어는, 가스켓을 가로질러 개별적으로 분리되는 공동의 어레이, 및 개별적으로 분리되는 기둥 또는 다른 상승된 돌출부의 어레이 내에 형성되는 상호연결된 공동의 어레이에 적용되는 정의를 포함하고자 한 것이다.
본 발명에 실리콘, 니트릴 또는 부틸 고무와 같은 다양한 종래의 가스켓 재 료가 사용될 수 있다는 것을 생각할 수 있다. 그러나, 팽창된 PTFE와 같은 다른 재료도 사용될 수 있다.
가스켓의 두께는 바람직하게 10mm보다 작다. 더욱 바람직하게는 압축되지 않은 가스켓의 두께는 0.1mm와 3mm 사이에 있고, 더욱 바람직하게는 0.1mm와 1mm 사이에 있다.
바람직하게, 공동(156, 157, 162, 163)의 평균 체적은 5mm3보다 작고, 더욱 바람직하게는 0.001mm3 내지 1mm3의 범위에 있다. 공동은 임의의 적절한 형상을 가질 수 있지만, 바람직하게 그 형상이 실질적으로 직육면체이고, 또한 바람직하게 0.1mm 내지 1mm의 범위 내에 있는 평균 선형 크기를 가진다.
본 발명의 가스켓(53, 61)의 공동은 바람직하게, 균일한 두께의 가스켓의 면에 패턴을 적용함으로써 형성된다. 이러한 패터닝은, 예를 들면 가스켓 재료를 필요한 형상으로 소성 변형시키기 위해 열 및 압력의 조건 하에 성형된 플래튼(platen) 사이에서 가스켓의 압축 성형에 의해 수행될 수 있다. 또는, 주조, 사출성형, 또는 패턴이 형성될 롤러를 사용하는 압연/칼렌더링(callendering)과 같은 종래기술로부터 공지되어 있는 여러 가지 기술이 본 발명의 가스켓 재료를 형성하기 위해 사용될 수 있다.
상술한 공동은 본 발명의 가스켓의 적어도 일부에 구비될 수 있다. 예를 들면, 제3 밀봉면(84b)을 정의하는 가스켓의 영역 위에 공동이 구비될 수 있어, MEA(44)의 추가적 두께가 그 영역에서 수용될 수 있다. 또는, 공동은 가스켓의 표 면의 더 큰 부분 위에, 또는 양쪽 표면의 일부 또는 전체에 구비될 수 있다.
다른 실시예도 첨부된 청구범위의 범위 내에 있다고 생각된다.

Claims (13)

  1. 제1 유체 흐름 필드 플레이트,
    제2 유체 흐름 필드 플레이트,
    제1 대향면 및 제2 대향면을 구비하며 상기 제1 유체 흐름 필드 플레이트와 상기 제2 유체 흐름 필드 플레이트 사이에 삽입된 막 전극 조립체, 및
    상기 제1 유체 흐름 필드 플레이트와 상기 제2 유체 흐름 필드 플레이트 사이에 연장되어 있고, 상기 제1 유체 흐름 필드 플레이트 및 상기 제2 유체 흐름 필드 플레이트와 함께 각각의 제1 밀봉면과 제2 밀봉면을 형성하고 있는 가스켓
    을 포함하며,
    상기 가스켓은 또한 제3 밀봉면을 정의하고, 상기 제3 밀봉면에 의해, 상기 가스켓이 상기 막 전극 조립체의 일면하고만 접촉되고,
    상기 가스켓은 상기 제2 밀봉면에 비하여 증가된 압축성을 가진 영역을 상기 제3 밀봉면 상에 구비하는,
    연료 셀 조립체.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제3 밀봉면은 상기 제2 밀봉면에 내부에서 인접한, 연료 셀 조립체.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제3 밀봉면은 상기 제2 밀봉면에 대해 실질적으로 평행한 평면인, 연료 셀 조립체.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제3 밀봉면은 상기 제2 밀봉면에 대해 경사진, 연료 셀 조립체.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 가스켓은 상기 제2 밀봉면과 상기 제3 밀봉면 사이에 단차 형태를 형성하는, 연료 셀 조립체.
  6. (i) 제1 유체 흐름 필드 플레이트를 제공하는 단계,
    (ii) 상기 제1 유체 흐름 필드 플레이트에 기대어 놓인 제1 밀봉면, 제2 밀봉면, 및 상기 제2 밀봉면의 내중에 의해 정의된 경계 내에 완전히 포함된 제3 밀봉면을 구비하며, 또한 상기 제2 밀봉면에 비하여 증가된 압축성을 가진 영역을 상기 제3 밀봉면 상에 구비하는 가스켓을, 상기 제1 유체 흐름 필드 플레이트 상에 배치하는 단계,
    (iii) 제1면의 둘레 에지 부분이 상기 가스켓의 상기 제3 밀봉면 위에 중첩된 막 전극 조립체를 상기 가스켓 상에 배치하는 단계,
    (iv) 상기 제2 밀봉면과 상기 막 전극 조립체의 제2면 위에 중첩된 제2 유체 흐름 필드 플레이트를 상기 막 전극 조립체와 상기 가스켓 위에 위치시키는 단계, 및
    (v) 상기 가스켓의 상기 제1 밀봉면과 상기 제1 유체 흐름 필드 플레이트 사이, 상기 가스켓의 상기 제2 밀봉면과 상기 제2 유체 흐름 필드 플레이트 사이, 및 상기 가스켓의 상기 제3 밀봉면과 상기 막 전극 조립체 사이에 유체 밀봉을 제공하기 위해, 상기 가스켓과 상기 막 전극 조립체에 걸쳐 상기 제1 유체 흐름 필드 플레이트와 상기 제2 유체 흐름 필드 플레이트 사이에 압축 압력을 인가하는 단계
    를 포함하며,
    상기 가스켓은 상기 막 전극 조립체의 일면에 대해서만 밀봉하는, 연료 셀 조립체를 형성하는 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 단계 (i) 또는 상기 단계 (ii) 후에, 상기 가스켓의 내주 내에서 상기 제1 유체 흐름 필드 플레이트 상에 제1 확산층을 배치하는 단계, 및
    상기 단계 (iii) 후에, 상기 막 전극 조립체 상에 제2 확산층을 배치하는 단계를 더 포함하는, 연료 셀 조립체를 형성하는 방법.
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 삭제
  11. 삭제
  12. 삭제
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