KR101470143B1 - 연료전지 스택용 가스켓 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따른 연료전지 스택용 가스켓 장치는 각기 다른 재질의 가스켓을 애노드 세퍼레이터(또는 애노드 기체확산층) 및 캐소드 세퍼레이터(또는 캐소드 기체확산층)에 사출성형 방식에 의해 일체로 성형함으로써, 기존의 단일 재질로 일체화된 구조의 셀이 갖는 저온에서의 기밀 안정성 문제나 고온에서의 장기 사용 안정성 부족 등의 문제점을 해결하여, 연료전지 스택용 가스켓으로서의 주요 제반 물성을 골고루 확보할 수 있는 장점이 있다.
또한, 각기 다른 재질의 애노드 가스켓과 캐소드 가스켓을 사용하여 각각 가스켓의 성형 및 가교조건을 독립적으로 제어할 수 있는 장점이 있고, 색상을 다르게 하는 방식으로 스택의 외관만 보고도 애노드와 캐소드 가스켓을 쉽게 구분하고 관리할 수 있는 장점이 있다.

Description

연료전지 스택용 가스켓 장치{Gasket device for a fuel cell stack}
본 발명은 저온에서의 셀 기밀 안정성과 고온에서의 장기 사용 안정성을 동시에 향상시킬 수 있는 연료전지 스택용 가스켓 장치에 관한 것이다.
자동차용 연료전지로는 고분자 전해질 막 연료전지(PEMFC: Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell)가 광범위하게 적용되고 있다.
자동차용으로 사용되는 연료전지 스택에서 반응기체인 수소/공기 및 냉각수에 대한 기밀성(Sealing)을 유지하기 위해서는 일반적으로 각 셀(Cell)마다 가스켓(Gasket)을 사용해야 한다.
수소연료전지차용 스택에 사용되는 가스켓은 적절한 범위의 경도(Hardness), 탁월한 탄성 또는 매우 낮은 영구압축줄음률(Compression Set), 우수한 기계적 물성(Mechanical Property), 우수한 耐산성(Resistance to Acid)/耐가수분해성(Resistance to Hydrolysis), 수소/공기 (또는 산소)/냉각수(Coolant)에 대한 낮은 확산성(Diffusion)/투과성(Permeation), 촉매 피독(Catalyst Poisoning)을 유발할 수 있는 불순물들(Impurities)의 낮은 함량, 우수한 耐열성(Thermal Resistance), 높은 전기절연성(Electrical Insulation), 우수한 생산성, 저가 등의 다양한 요구물성들을 동시에 만족시켜야 한다.
일반적으로 위와 같은 요구물성들을 전반적으로 만족시키면서 수소연료전지차 스택용 가스켓으로 많이 사용되는 고분자 탄성체들(Polymeric Elastomers)은 크게 불소계(Fluoroelastomers), 실리콘계(Silicone Elastomers) 및 탄화수소계 탄성체(Hydrocarbon Elastomers) 등으로 분류할 수 있다.
불소계 탄성체의 경우 ASTM(American Society for Testing and Materials)에서 크게 FKM®, FFKM® 등으로 분류되며, 현재 자동차/건축/석유화학 산업 등의 다양한 용도에 광범위하게 적용되고 있다.
특히, 불소계 탄성체는 탄성, 내산성, 내열성 등이 탁월하여 가혹한 수소연료전지차의 운전조건에서 장시간 사용 가능할 것으로 간주되어 스택용 가스켓으로 큰 관심을 받아왔으나, 일반적으로 사출성형성 및 내한성(耐寒性)이 좋지 않고 가격이 비싼 단점이 있다.
실리콘계 탄성체의 경우 크게 폴리디메틸실록산(Polydimethylsiloxane) 등의 일반 실리콘 탄성체와 불소화 실리콘(Fluorosilicone)과 같은 개질 실리콘(Modified Silicone)으로 분류된다.
실리콘계 탄성체의 경우 고상(Solid)도 사용 가능하나, 연료전지용으로는 정밀 사출성형을 위해 액상 실리콘 고무(Liquid Silicone Rubber)가 보다 많이 사용되어 탁월한 사출성형성을 발현할 수 있지만, 수소연료전지 운전조건에서 실리콘 불순물이 용출되어 백금 촉매를 피독(Poisoning)할 수 있다는 단점이 있다.
또한 탄화수소계 탄성체의 경우 에틸렌 프로필렌 디엔 모노머(EPDM: Ethylene-Propylene Diene Monomer), 에틸렌 프로필렌 고무(EPR: Ethylene-Propylene Rubber), 이소프렌 고무(IR: Isoprene Rubber), 이소부틸렌-이소프렌 고무(IIR: Isobutylene-Isoprene Rubber) 등의 탄성체들이 많이 사용되어 왔는데 일반적으로 내한성이 우수하고 가격이 낮은 장점들이 있는 반면, 100도 이상의 고온에서 물성 저하가 심해 장기간 사용하기 어려운 단점이 있다.
도 1은 종래기술에 따른 연료전지 스택의 구조를 보여주는 개략도로서, 연료전지 스택은 수소 이온이 이동하는 전해질막(1)을 중심으로 막의 양쪽에 전기화학 반응이 일어나는 촉매전극층이 부착된 막전극접합체(2)(MEA: Membrane Electrode Assembly)와, 막전극접합체(2)의 양면에 배치되어 반응기체들을 고르게 분포시키고 발생된 전기에너지를 전달하는 역할을 수행하는 애노드 및 캐소드 기체확산층(3,4)(GDL: Gas Diffusion Layer)과, 애노드 및 캐소드 기체확산층(3,4)에 반응기체들 및 냉각수를 이동시키는 애노드 및 캐소드 세퍼레이터(5,6)(separator)와, 막전극접합체(2)와 애노드 혹은 캐소드 세퍼레이터(5,6) 사이에 배치되어 반응기체들 및 냉각수의 기밀성과 적정 체결압을 유지하기 위한 애노드 및 캐소드 가스켓(7,8) 및 체결기구를 포함하여 구성된다.
상기 애노드 및 캐소드 가스켓(7,8)은 애노드 및 캐소드 세퍼레이터(5,6)에 각각 사출성형 방식을 통해 일체로 성형되고, 둘 다 단일 재질, 예를 들면 불소계, 탄화수소계 및 실리콘계 탄성체 중 어느 하나의 단일 재질로 이루어진다.
그런데, 상기 가스켓(7,8)의 재질로 고가의 불소계 탄성체를 사용할 경우에 고온에서 오랜기간동안 안정성이 우수하지만, 저온에서의 셀 기밀 안정성이 부족하고, 비용 증가로 인해 양산 적용이 제한되는 문제점이 있다.
또한, 상기 가스켓(7,8)의 재질로 저가의 탄화수소계 탄성체를 사용할 경우에 원가 절감의 효과는 매우 높지만, 고온에서 장기간 사용 시 물성 열화가 크게 발생하는 문제점이 있다.
아울러, 상기 가스켓(7,8)의 재질로 유동성이 좋은 실리콘계 탄성체를 사용할 경우에 사출성형성은 좋으나, 연료전지 스택의 운전 환경에서 실리콘계 불순물이 용출되어 셀 성능을 감소시키는 원인이 된다.
한편, 연료전지용 가스켓으로서, 각종 가스켓 재질의 장점을 조합하는 2종 이상의 고무 또는 수지 재료를 사용하는 것도 검토되고 있다.
예를 들면,
(1) 일본 특허공개공보 제2003-157866호(이하, 특허문헌 1)에는 연료전지 구성부품인 분리판 또는 전해질막과 일체화 되는 가스켓에 있어서, 기체 유로부의 기밀성을 위해서는 기체투과성이 비교적 작은 고무재료를 사용하고, 냉각수 유로 부분의 기밀성을 위해서는 기체투과성이 비교적 큰 고무재료를 사용하는 구조가 개시되어 있고, 혹은
(2) 일본 특허공개공보 제2004-55428호(이하, 특허문헌 2)에는 연료전지 구성부품인 분리판, 기체확산층 또는 막전극접합체와 일체화 되는 가스켓에 있어서, 적어도 2종 이상의 고무 또는 수지 재료가 조합(즉, 상기 구성부품에 접합되는 제1층과, 상기 제1층을 커버하는 제2층으로 구성)되는 구조가 개시되어 있다.
이러한 종래기술은 실시 가능성이 매우 낮으며 다음과 같은 문제점이 있다. 상기 특허문헌 1에는 어느 하나의 연료전지 구성부품에 2종의 가스켓 재질이 함께 일체화되어야 하기 때문에 제조공정이 복잡하고, 각각의 가스켓 재질은 각기 다른 최적 성형 및 가교 조건을 갖고 있기 때문에, 상기와 같이 서로 다른 가스켓 재질이 동일한 성형 및 가교조건에서 제조되면 두 가스켓 재질 모두 충분한 요구 물성을 발휘하기 힘들다는 문제가 있다.
또한, 상기 특허문헌 2 또한 어느 하나의 연료전지 구성부품에 2층 구조(각 층의 가스켓 재질이 상이한 구조)를 갖는 가스켓이 일체화 되기 때문에 상기와 같은 2층 가스켓 구조에서는 층간 계면 접착력에 문제가 있고, 제1층 가스켓 위에 제2층 가스켓을 사출성형할 경우에는 제1층 가스켓 표면에서의 제2층 가스켓 재질의 흐름성에 대한 저항이 커서 좋은 성형 제품을 얻기가 힘들고, 상기 특허문헌 1과 마찬가지로 동일한 성형 및 가교조건에서 제1층 및 제2층 가스켓 재질 모두 충분한 요구물성을 발휘하기 힘들다는 문제점을 갖고 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 발명한 것으로서, 애노드 및 캐소드 기체확산층 또는 세퍼레이터에 각기 다른 재질의 가스켓을 일체로 성형함으로써, 스택의 저온 기밀 안정성 및 고온 장기 사용 안정성을 동시에 향상시킬 수 있는 연료전지 스택용 가스켓 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 어느 하나의 연료전지 구성부품을 제1종의 가스켓 재질로 일체화하고, 다른 하나의 구성부품을 제2종의 가스켓 재질로 일체화하며, 이와 같이 각 소재에 맞는 성형 및 가교 조건에서 각각 일체화함으로써, 연료전지에서 요구되는 다양한 물성을 동시에 충분히 확보할 수 있는 연료전지 스택용 가스켓 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위해 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 스택용 가스켓 장치는 애노드 기체확산층과 캐소드 기체확산층으로 구성되는 기체확산층; 상기 애노드 기체확산층 및 캐소드 기체확산층에 각각 일체로 형성되는 애노드 가스켓 및 캐소드 가스켓을 포함하고, 상기 애노드 가스켓 및 캐소드 가스켓은 서로 다른 재질로 이루어진 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지 스택용 가스켓 장치는 애노드 세퍼레이터와 캐소드 세퍼레이터로 구성되는 세퍼레이터; 애노드 세퍼레이터 및 캐소드 세퍼레이터에 각각 일체로 형성되는 애노드 가스켓 및 캐소드 가스켓을 포함하고, 상기 애노드 가스켓 및 캐소드 가스켓은 서로 다른 재질로 이루어진 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 연료전지 스택용 가스켓 장치는 애노드 기체확산층과 캐소드 기체확산층으로 구성되는 기체확산층; 애노드 세퍼레이터와 캐소드 세퍼레이터로 구성되는 세퍼레이터; 상기 애노드 기체확산층 및 애노드 세퍼레이터에 일체로 형성되는 애노드 가스켓; 및 상기 캐소드 기체확산층 및 캐소드 세퍼레이터에 일체로 형성되는 캐소드 가스켓을 포함하고, 상기 애노드 가스켓 및 캐소드 가스켓은 서로 다른 재질로 이루어진 것을 특징으로 한다.
상기 애노드 가스켓 및 캐소드 가스켓은 각각 불소계, 실리콘계 및 탄화수소계 탄성체 중 선택된 어느 하나를 사용하여 서로 다른 재질로 이루어진 것을 특징으로 한다.
상기 애노드 가스켓 및 캐소드 가스켓은 각각 세퍼레이터의 위와 아래에 가스켓이 형성되는 일반 형상과, 세퍼레이터의 위, 아래, 및 측면을 감싸는 인캡슐레이션(Encapsulation) 형상과, 이들의 조합 형태인 하이브리드 형상 중 어느 하나의 형상으로 이루어진 것을 특징으로 한다.
상기 애노드 가스켓과 캐소드 가스켓은 서로 다른 재질을 사용하여 각 재질에 최적인 성형 및 가교조건에서 각각 제조되는 것을 특징으로 한다.
상기 애노드 가스켓과 캐소드 가스켓은 각각 제조되어 서로 다른 색상으로 이루어진 것을 특징으로 한다.
상기 불소계 탄성체는 FKM®와 FFKM® 중 어느 하나 또는 이들의 혼합물로 이루어진 것을 특징으로 한다.
상기 실리콘계 탄성체는 폴리디메틸실록산, 불소화 실리콘 중 어느 하나 또는 이들의 혼합물로 이루어진 것을 특징으로 한다.
상기 탄화수소계 탄성체는 에틸렌 프로필렌 디엔 모노머, 에틸렌 프로필렌 고무, 이소프렌 고무, 이소부틸렌-이소프렌 고무 중 어느 하나를 단독으로 사용하거나 2종 이상의 혼합물로 이루어진 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 연료전지 스택용 가스켓 장치의 장점을 설명하면 다음과 같다.
첫째로, 각기 다른 재질의 가스켓을 애노드 세퍼레이터(또는 애노드 기체확산층) 및 캐소드 세퍼레이터(또는 캐소드 기체확산층)에 사출성형 방식에 의해 일체로 성형함으로써, 기존의 단일 재질로 일체화된 구조의 셀이 갖는 저온에서의 기밀 안정성 문제나 고온에서의 장기 사용 안정성 부족 등의 문제점을 해결하여, 연료전지 스택용 가스켓으로서의 주요 제반 물성을 골고루 확보할 수 있는 장점이 있다.
둘째로, 각기 다른 재질의 애노드 가스켓과 캐소드 가스켓을 각각 별도로 제조하여 성형 및 가교 조건을 각각 독립적으로 제어함으로써, 애노드와 캐소드 가스켓 모두 각각의 요구 물성을 쉽게 발휘할 수 있는 장점이 있다.
셋째로, 각기 다른 재질의 애노드 가스켓과 캐소드 가스켓을 사용하여 가스켓의 색상을 다르게 함으로써, 스택의 외관만 보고도 애노드와 캐소드 가스켓을 쉽게 구분하고 관리할 수 있는 장점이 있다.
넷째로, 애노드 및 캐소드 가스켓을 애노드 및 캐소드 기체확산층 또는 세퍼레이터에 각각 별도로 사출성형하여 애노드 및 캐소드 가스켓의 구조를 다르게 함으로써, 가스켓의 우수한 다목적 특성을 발현할 수 있다.
도 1은 종래기술에 따른 연료전지 스택의 구조를 보여주는 개략도
도 2는 본 발명의 제1실시예에 따른 가스켓 장치의 일반 형상을 보여주는 개략도
도 3은 본 발명의 제2실시예에 따른 가스켓 장치의 인캡슐레이션 형상을 보여주는 개략도
도 4는 본 발명의 제3실시예에 따른 가스켓 장치의 하이브리드 형상을 보여주는 개략도
도 5는 본 발명에 따른 기체확산층 일체형 가스켓을 보여주는 단면도
도 6은 본 발명에 따른 세퍼레이터/기체확산층 일체형 가스켓을 보여주는 단면도
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세하게 설명하기로 한다.
본 발명은 세퍼레이터에 각기 다른 재질의 가스켓을 일체화시킴으로서 스택의 저온 기밀 안정성 및 고온 장기 사용 안정성을 동시에 향상시킬 수 있는 연료전지 스택용 가스켓 장치에 관한 것이다.
본 발명은 세퍼레이터에 가스켓을 일체로 성형함에 있어서 종래의 사출 성형 방식을 설비 변경이나 수정 없이 그대로 적용할 수 있다.
상기 다른 재질의 가스켓을 세퍼레이터에 일체화하는 방법으로 사출 성형 방식을 적용하거나 접합시키는 것도 가능하다.
상기 가스켓의 저온 기밀을 향상시키기 위해서는 저온 특성이 우수한 가스켓 재질을, 고온 내산화성을 향상시키기 위해서는 고온 탄성이 우수한 가스켓 재질을 각각 적용하여 스택의 저온 기밀 성능 및 고온 사용 안정성을 동시에 향상시킬 수 있다.
첨부한 도 2는 본 발명의 제1실시예에 따른 가스켓 장치의 일반 형상을 보여주는 개략도이다.
본 발명의 제1실시예는 연료전지 스택의 셀 구성 시 가스켓(17,18)을 세퍼레이터(5,6)에 사출성형 방식으로 일체화 성형한다.
상기 세퍼레이터(5,6)는 애노드 세퍼레이터(5)와 캐소드 세퍼레이터(6)로 구성되고, 기체확산층(3,4)도 애노드 기체확산층(3)과 캐소드 기체확산층(4)으로 구성된다.
상기 가스켓(17,18)은 애노드 가스켓(17)과 캐소드 가스켓(18)으로 구성된다.
상기 애노드 가스켓(17)과 캐소드 가스켓(18)은 애노드 및 캐소드측에 각각 별도로 구비된 사출기에 의해 애노드 세퍼레이터(5) 및 캐소드 세퍼레이터(6)에 일체로 성형된다.
이와 같이 구성된 애노드 측의 가스켓(17), 세퍼레이터(5), 기체확산층(3)과 캐소드 측의 가스켓(18), 세퍼레이터(6), 기체확산층(4)은 서로 분리되어 있다.
여기서, 상기 애노드 측과 캐소드 측은 서로 환경, 운전조건, 애노드 및 캐소드에서 발생하는 현상이 각기 다르기 때문에, 애노드 및 캐소드 각각에 적합한 소재를 사용하는 것이 바람직하다.
특히, 본 발명의 실시예에 따른 가스켓 장치는 애노드 세퍼레이터(5)와 캐소드 세퍼레이터(6)에 각각 일체로 형성되는 서로 다른 재질의 애노드 가스켓(17)과 캐소드 가스켓(18)으로 구성된다.
도 2a에 도시한 일 실시예에 따르면, 애노드 세퍼레이터(5)에 불소계 탄성체 재질의 애노드 가스켓(17)이 사출성형되고, 캐소드 세퍼레이터(6)에 탄화수소계 탄성체 재질의 캐소드 가스켓(18)이 사출성형된다.
또는 도 2b에 도시한 다른 실시예에 따르면, 애노드 세퍼레이터(5)에 탄화수소계 탄성체재질의 애노드 가스켓(17)이 사출성형되고, 캐소드 세퍼레이터(6)에 불소계 탄성체재질의 캐소드 가스켓(18)이 사출성형된다.
상기 도 2a 및 도 2b에 따른 가스켓의 형상은 일반 형상으로서, 세퍼레이터(5,6)의 가장자리부 위쪽과 아래쪽에 가스켓(17,18)이 접합되어 기밀을 유지한다.
이때, 세퍼레이터(5,6)의 가장자리부에서 측면이 노출된다.
상기 불소계 탄성체 재질의 가스켓은 고온 사용 안정성 향상에 기여하고, 탄화수소계 탄성체 재질의 가스켓은 저온 기밀 안정성 향상 및 가스켓의 원가 절감에 기여한다.
상기 도 2a 및 도 2b에서 설명한 가스켓 구조 외에도 다음과 같은 다양한 가스켓 재질로도 구현이 가능하다.
상기 애노드 세퍼레이터(5)에 불소계 탄성체 재질의 애노드 가스켓(17)이 사출성형되고, 캐소드 세퍼레이터(6)에 실리콘계 탄성체 재질의 캐소드 가스켓(18)이 일체로 사출성형될 수 있다.
혹은, 애노드 세퍼레이터(5)에 실리콘계 탄성체 재질의 애노드 가스켓(17)이 사출성형되고, 캐소드 세퍼레이터(6)에 불소계 탄성체 재질의 캐소드 가스켓(18)을 일체로 사출성형될 수 있다.
이 경우 불소계 탄성체 재질의 가스켓은 고온 사용 안정성 및 불순물 용출 저항성 향상에 기여하고, 실리콘계 탄성체 재질의 가스켓은 사출성형성 향상에 기여할 수 있다.
또한, 상기 애노드 세퍼레이터(5)에 탄화수소계 탄성체 재질의 애노드 가스켓(17)이 사출성형되고, 캐소드 세퍼레이터(6)에 실리콘계 탄성체 재질의 캐소드 가스켓(18)이 일체로 사출성형될 수 있다.
혹은, 애노드 세퍼레이터(5)에 실리콘계 탄성체 재질의 애노드 가스켓(17)이 사출성형되고, 캐소드 세퍼레이터(6)에 탄화수소계 탄성체 재질의 캐소드 가스켓(18)이 사출성형될 수 있다.
이 경우 탄화수소계 탄성체 재질의 가스켓은 저온 기밀 안정성 향상 및 가스켓 원가 절감에 기여하고, 실리콘계 탄성체 재질의 가스켓은 사출성형성 향상에 기여할 수 있다.
첨부한 도 3은 본 발명의 제2실시예에 따른 가스켓 장치의 인캡슐레이션 형상을 보여주는 개략도이다.
본 발명의 제2실시예는 서로 다른 재질의 가스켓(17,18)을 애노드 및 캐소드 세퍼레이터(5,6)에 일체로 성형한다는 점에서 전술한 제1실시예와 동일하므로, 자세한 설명을 생략하기로 한다.
다만, 제1실시예와 제2실시예의 차이점을 살펴보면, 제1실시예에 따른 가스켓(17,18)의 형상은 일반 형상이지만, 제2실시예에 따른 가스켓(17,18)의 형상은 인캡슐레이션 형상으로 이루어진다.
인캡슐레이션 형상이란 가스켓(17,18)이 세퍼레이터를 감싸는 형상으로 이루어진다는 것을 의미한다.
다시 말해서, 도 2a 및 도 2b의 가스켓(17,18)이 세퍼레이터(5,6)의 가장자리부 위쪽과 아래쪽 면에만 형성되어 세퍼레이터(5,6)의 가장자리부 측면이 외부로 노출되지만, 도 3a 및 도 3b의 가스켓(17,18)은 세퍼레이터(5,6)의 위쪽, 아래쪽은 물론 측면을 모두 감싸고 있어서 측면이 외부로 노출되지 않는다.
첨부한 도 4는 본 발명의 제3실시예에 따른 가스켓 장치의 하이브리드 형상을 보여주는 개략도이다.
본 발명의 제3실시예는 서로 다른 재질의 가스켓(17,18)을 애노드 및 캐소드 세퍼레이터(5,6)에 일체로 성형한다는 점에서 전술한 제1실시예와 동일하다.
다만, 제3실시예에 따른 가스켓(17,18)은 일반 형상과 인캡슐레이션 형상이 조합된 하이브리드 형상으로 이루어진다.
예를 들어, 도 4a에 도시한 바와 같이 애노드 가스켓(17)은 애노드 세퍼레이터(5)에 일반 형상으로, 즉 세퍼레이터(5)의 위쪽과 아래쪽에만 형성되고, 캐소드 가스켓(18)은 캐소드 세퍼레이터(6)에 인캡슐레이션 형상으로, 즉 세퍼레이터(6)의 가장자리부 위쪽, 아래쪽 및 측면을 모두 감싸는 형태로 이루어진다.
도 4b에 도시한 바와 같이, 애노드 가스켓(17)은 애노드 세퍼레이터(5)에 인캡슐레이션 형상으로, 즉 세퍼레이터(5)의 가장자리부 위쪽, 아래쪽 및 측면을 모두 감싸는 형태로 이루어지고, 캐소드 가스켓(18)은 캐소드 세퍼레이터(6)에 일반 형상으로, 즉 세퍼레이터(6)의 위쪽과 아래쪽에만 형성되어 있다.
상기한 애노드 가스켓(17)과 캐소드 가스켓(18)은 도 2 내지 도 4에 도시한 바와 같이 애노드 및 캐소드 세퍼레이터(5,6)에 각각 형성되는 것으로 설명 및 도시하였지만, 도 5에 도시한 바와 같이 애노드 및 캐소드 기체확산층(3,4)에 각각 일체형으로 형성되거나, 도 6에 도시한 바와 같이 애노드 가스켓(17)은 애노드 기체확산층(3) 및 애노드 세퍼레이터(5)에 일체로 형성되고, 캐소드 가스켓(18)은 캐소드 기체확산층(4) 및 캐소드 세퍼레이터(6)에 각각 일체로 형성될 수 있다.
도 5는 본 발명에 따른 기체확산층 일체형 가스켓을 보여주는 단면도로서, 도 5의 실시예에 따른 애노드 및 캐소드 기체확산층(3,4)은 기체확산층 본체에서 동일 평면상에 그 가장자리 방향(혹은 길이방향)으로 더 연장 형성된 연장부(3a,3b,4a,4b)를 더 포함한다.
여기서, 상기 기체확산층 본체란 도 2 내지 도 4에 도시된 기체확산층(3,4)과 동일한 크기로 이루어진 기체확산층을 말한다.
상기 연장부(3a,3b,4a,4b)는 매니폴드(9)를 사이에 두고 기체확산층 본체에서 매니폴드(9) 쪽을 향하여 더 연장 형성되는 제1연장부(3a,4a)와, 제1연장부(3a,4a)에서 매니폴드(9) 바깥쪽으로 더 연장 형성되는 제2연장부(3b,4b)로 구성되어 있다.
이때, 상기 제2연장부(3b,4b)를 형성하거나 형성하지 않을 수 있다.
다만, 제2연장부(3b,4b)가 있는 경우에 강성적인 측면에서 더 향상되고, 제2연장부(3b,4b)가 없는 경우에 기체확산층의 사용량을 줄여 원가를 절감할 수 있는 장점이 있으므로, 필요에 따라 제2연장부(3b,4b)를 형성하거나 형성하지 않을 수도 있다.
또한, 상기 기체확산층 일체형 가스켓(17,18)은 애노드 가스켓(17)과 캐소드 가스켓(18)으로 구성되고, 애노드 가스켓(17)은 막전극접합체(2)와 애노드 세퍼레이터(5) 사이에 배치되고 애노드 기체확산층(3)의 연장부(3a,3b)의 상부, 하부 및 측면을 모두 감싸는 형태로 일체 성형되고, 캐소드 가스켓(18)은 막전극접합체(2)와 캐소드 세퍼레이터(6) 사이에 배치되고 캐소드 기체확산층(4)의 연장부(4a,4b)의 상부, 하부 및 측면을 모두 감싸는 형태로 일체 성형되어 있다.
도 6은 본 발명에 따른 세퍼레이터/기체확산층 일체형 가스켓을 보여주는 단면도로서, 도 6의 실시예에 따른 세퍼레이터(5,6)의 매니폴드부는 유로부 저면과의 단차 없이 유로부 저면과 동일 평면상에 위치하고, 도 6의 실시예에 따른 기체확산층(3,4)은 기체확산층 본체에서 매니폴드(9)를 향해 연장 형성된 연장부(3a,4a)를 더 포함한다.
또한, 상기 세퍼레이터(5,6)/기체확산층(3,4) 일체형 가스켓(17,18)은 애노드 가스켓(17)과 캐소드 가스켓(18)으로 구성되고, 애노드 가스켓(17)은 애노드 세퍼레이터(5)의 상부 및 하부, 애노드 기체확산층(3)의 연장부(3a)의 하부 및 측면을 모두 감싸는 형태로 일체 성형되고, 캐소드 가스켓(18)은 캐소드 세퍼레이터(6)의 상부 및 하부, 캐소드 기체확산층(4)의 연장부(4a)의 상부 및 측면을 모두 감싸는 형태로 일체 성형되어 있다.
따라서, 본 발명에 의하면 각기 다른 재질의 가스켓(17,18)을 애노드 세퍼레이터(5) 및 캐소드 세퍼레이터(6)에 사출성형 방식에 의해 일체로 성형함으로써, 기존의 단일 재질로 일체화된 구조의 셀이 갖는 저온에서의 기밀 안정성 문제나 고온에서의 장기 사용 안정성 부족 등의 문제점을 해결하여, 연료전지 스택용 가스켓으로서의 주요 제반 물성인 저온 기밀 안정성(또는 내한성(耐寒性)), 고온 사용 안정성, 사출성형성, 불순물 용출 저항성 등을 골고루 확보할 수 있는 장점이 있다.
또한, 각기 다른 재질의 애노드 가스켓(17)과 캐소드 가스켓(18)을 사용하므로, 가스켓의 색상을 다르게 하는 방식으로 스택의 외관만 보고도 애노드와 캐소드 가스켓(17,18)을 쉽게 구분하고 관리할 수 있는 장점이 있다.
아울러, 애노드 및 캐소드 가스켓(17,18)을 애노드 및 캐소드 세퍼레이터(5,6)에 각각 별도로 사출성형하여 애노드 및 캐소드 가스켓(17,18)의 구조를 다르게 함으로써, 가스켓(17,18)의 우수한 다목적 특성을 발현할 수 있다.
1 : 전해질막
2 : 막전극접합체
3 : 애노드 기체확산층
4 : 캐소드 기체확산층
3a,4a : 제1연장부
3b,4b : 제2연장부
5 : 애노드 세퍼레이터
6 : 캐소드 세퍼레이터
7,17 : 애노드 가스켓
8,18 : 캐소드 가스켓
9 : 매니폴드

Claims (11)

  1. 기체확산층(3,4) 또는 세퍼레이터(5,6)에 형성되는 연료전지 스택용 가스켓 장치에 있어서,
    상기 기체확산층(3,4)은 애노드 기체확산층(3)과 캐소드 기체확산층(4)으로 구성되고,
    상기 세퍼레이터(5,6)는 애노드 세퍼레이터(5)와 캐소드 세퍼레이터(6)로 구성되고,
    상기 애노드 기체확산층(3) 및 캐소드 기체확산층(4)에 각각 사출성형 방식에 의해 일체로 형성되거나, 애노드 세퍼레이터(5) 및 캐소드 세퍼레이터(6)에 각각 사출성형 방식에 의해 일체로 형성되는 애노드 가스켓(17) 및 캐소드 가스켓(18);
    을 포함하고, 상기 애노드 가스켓(17) 및 캐소드 가스켓(18)은 서로 다른 재질의 탄성체로 이루어진 것을 특징으로 하는 연료전지 스택용 가스켓 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 애노드 가스켓(17) 및 캐소드 가스켓(18)은 각각 불소계, 실리콘계 및 탄화수소계 탄성체 중 선택된 어느 하나를 사용하여 서로 다른 재질로 이루어진 것을 특징으로 하는 연료전지 스택용 가스켓 장치.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 애노드 가스켓(17) 및 캐소드 가스켓(18)은 각각 세퍼레이터(5,6)의 위와 아래에 가스켓(17,18)이 형성되는 일반 형상과, 세퍼레이터(5,6)의 위, 아래, 및 측면을 감싸는 인캡슐레이션 형상과, 이들이 조합된 하이브리드 형상 중 어느 하나의 형상으로 이루어진 것을 특징으로 하는 연료전지 스택용 가스켓 장치.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 애노드 가스켓(17)과 캐소드 가스켓(18)은 서로 다른 색상으로 이루어진 것을 특징으로 하는 연료전지 스택용 가스켓 장치.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 애노드 가스켓(17)과 캐소드 가스켓(18)의 재질은 각각 불소계 탄성체와 탄화수소계 탄성체로 이루어지거나, 각각 탄화수소계 탄성체와 불소계 탄성체로 이루어진 것을 특징으로 하는 연료전지 스택용 가스켓 장치.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 애노드 가스켓(17)과 캐소드 가스켓(18)의 재질은 각각 불소계 탄성체와 실리콘계 탄성체로 이루어지거나, 각각 실리콘계 탄성체와 불소계 탄성체로 이루어진 것을 특징으로 하는 연료전지 스택용 가스켓 장치.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 애노드 가스켓(17)과 캐소드 가스켓(18)의 재질은 각각 탄화수소계 탄성체와 실리콘계 탄성체로 이루어지거나, 각각 실리콘계 탄성체와 탄화수소계 탄성체로 이루어진 것을 특징으로 하는 연료전지 스택용 가스켓 장치.
  8. 청구항 2, 청구항 5 및 청구항 6 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 불소계 탄성체는 FKM®와 FFKM® 중 어느 하나 또는 이들의 혼합물로 이루어진 것을 특징으로 하는 연료전지 스택용 가스켓 장치.
  9. 청구항 2, 청구항 6 및 청구항 7 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 실리콘계 탄성체는 폴리디메틸실록산, 불소화 실리콘 중 어느 하나 또는 이들의 혼합물로 이루어진 것을 특징으로 하는 연료전지 스택용 가스켓 장치.
  10. 청구항 2, 청구항 5 및 청구항 7 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 탄화수소계 탄성체는 에틸렌 프로필렌 디엔 모노머, 에틸렌 프로필렌 고무, 이소프렌 고무, 이소부틸렌-이소프렌 고무 중 어느 하나를 단독으로 사용하거나 2종 이상의 혼합물로 이루어진 것을 특징으로 하는 연료전지 스택용 가스켓 장치.
  11. 기체확산층(3,4) 및 세퍼레이터(5,6)에 형성되는 연료전지 스택용 가스켓 장치에 있어서,
    상기 기체확산층(3,4)은 애노드 기체확산층(3)과 캐소드 기체확산층(4)으로 구성되고,
    상기 세퍼레이터(5,6)는 애노드 세퍼레이터(5)와 캐소드 세퍼레이터(6)로 구성되고,
    상기 애노드 기체확산층(3) 및 애노드 세퍼레이터(5)에 일체로 형성되는 애노드 가스켓(17); 및
    상기 캐소드 기체확산층(4) 및 캐소드 세퍼레이터(6)에 일체로 형성되는 캐소드 가스켓(18);
    을 포함하고, 상기 애노드 가스켓(17) 및 캐소드 가스켓(18)은 서로 다른 재질로 이루어진 것을 특징으로 하는 연료전지 스택용 가스켓 장치.










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