KR101601408B1

KR101601408B1 - 연료전지용 가스켓

Info

Publication number: KR101601408B1
Application number: KR1020140045636A
Authority: KR
Inventors: 허성일; 양유창; 이치승
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2014-04-16
Filing date: 2014-04-16
Publication date: 2016-03-09
Also published as: DE102014220634A1; US10147964B2; CN105006581B; KR20150120044A; US20150303495A1; CN105006581A

Abstract

연료전지의 분리판 표면에 결합되며, 복수의 매니폴드들을 유동하는 물질들간의 이동을 차단하는 기밀라인으로부터 상기 분리판의 길이방향으로 돌출된 복수의 돌기들을 포함하고, 상기 복수의 돌기들은 기설정된 너비의 홈을 갖는 것을 특징으로 하는 연료전지용 가스켓이 소개된다.

Description

연료전지용 가스켓{GASKET FOR FUEL CELL}

본 발명은 연료전지용 가스켓에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 가스켓의 면압을 증대시켜 기밀성을 향상시키는 연료전지용 가스켓에 관한 것이다.

연료전지는 통상적으로 수소와 산소의 반응을 유도하는 촉매층이 구비된 전극막 접합체(MEA:Membrane-Electrode-Assembly)와 상기 전극막 접합체의 양측에 마련되어 상기 전극막 접합체 내부로 수소와 산소를 공급하면서 동시에 물의 배출을 용이하게 하는 분리판이 구비되어 있다.

상기 분리판의 양측에는 분리판의 적층시 수소와 공기 및 냉각수가 흐를 수 있도록 다수개의 매니폴드가 마련되며, 상기 매니폴드와 상기 분리판의 테두리를 따라 가스켓이 마련된다. 상기 가스켓은 유입되는 수소와 공기가 각각 상기 전극막 접합체의 수소 촉매층과 공기 촉매층으로 이동할 수 있도록 가이드 역할을 수행하며, 동시에 각각의 매니폴드를 따라 유동하는 물질들이 인접한 매니폴드로 이동하지 못하도록 기밀성을 유지한다.

이에 대해 종래의 KR10-2011-0015924 A "기밀 유지용 가스켓을 갖는 연료전지용 분리판 및 그 제조 방법"은 "기밀 유지용 가스켓을 갖는 연료전지용 분리판 및 그분리판(10,20)의 양표면에 사출 형성되는 가스켓(100,200)이 연속적으로 연결되면서 하나의 폐곡선을 이루며 일체화 구조가 되며, 상기 분리판(10,20)중 제1분리판(10)의 제1가스켓(100)은:

제1분리판(10)의 안쪽 및 바깥쪽 표면상에서 그 사방 모서리를 따라 일체로 사출 성형된 사이드라인(102)과;

상기 제1분리판(10)의 바깥쪽 표면상에서 수소 매니폴드(12)의 내측면과 수소통과홀(16)간의 사이 영역을 지나서 상기 수소 매니폴드(12)와 폭방향의 동일선상에 있는 냉각수 매니폴드(18) 및 공기 매니폴드(22)의 내측면에 인접한 영역까지 연장 형성되는 제1-1메인라인(104)과;

상기 제1분리판(10)의 안쪽 표면상에서 수소통과홀(16)과 냉각수유로(28)간의 사이 영역 및 폭방향의 동일선상 위치인 공기 매니폴드의 내측면에 인접한 영역에 폭방향을 따라 연장 형성되는 제1-2메인라인(106)과;

상기 제1분리판(10)의 안쪽 표면상에서 냉각수 매니폴드(18)와 냉각수유로(28) 사이영역에 길이방향을 따라 배열되는 다수개의 제1냉각수 안내라인(108);으로 구성된 것을 특징으로 하는 기밀 유지용 가스켓을 갖는 연료전지용 분리판"을 제시한다.

그러나 이러한 종래의 기술에 의하더라도 분리판의 적층시 안내라인간의 접촉에 의해 하중집중이 발생하여 메인라인 간의 접촉 면압이 약해짐에 따라 매니폴드를 따라 유동하는 물질들 간에 섞이게 되는 문제점이 있어왔던 것이다.

상기의 배경기술로서 설명된 사항들은 본 발명의 배경에 대한 이해 증진을 위한 것일 뿐, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에게 이미 알려진 종래기술에 해당함을 인정하는 것으로 받아들여져서는 안 될 것이다.

KR

10-2011-0015924

A

본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 안내라인에 홈을 형성하여 안내라인에 발생되는 하중 집중 현상을 안내라인의 일부와 메인라인으로 분산시킴으로써, 상기 메인라인에의 면압을 증가시켜 기밀성을 향상시키는 연료전지용 가스켓를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 연료전지용 가스켓은 연료전지의 분리판 표면에 결합되며, 복수의 매니폴드들을 유동하는 물질들간의 이동을 차단하는 기밀라인으로부터 상기 분리판의 길이방향으로 돌출된 복수의 돌기들을 포함하고, 상기 복수의 돌기들은 기설정된 너비의 홈을 갖는 것을 특징으로 할 수 있다.

상기 기밀라인은 매니폴드와 분리판의 유로부 사이에 위치할 수 있다.

상기 분리판 표면에서 상기 홈의 바닥면까지의 높이는 상기 분리판 표면과 접하는 상기 기밀라인의 바닥면에서 상기 기밀라인의 상면까지의 높이보다 낮을 수 있다.

상기 분리판 표면에서 상기 홈의 바닥면까지의 높이는, 분리판의 적층에 의한 상기 기밀라인의 압축 상태일 때의 상기 분리판 표면에서부터 상기 기밀라인의 상면까지의 높이보다 낮을 수 있다.

상기 돌기의 일단이 상기 기밀라인과 결합하고, 상기 홈은 상기 돌기의 일단부 측에 위치할 수 있다.

상기 돌기의 길이방향의 양측부에 대응되는 상기 홈의 양측부는 개구될 수 있다.

상술한 바와 같은 구조로 이루어진 연료전지용 가스켓에 따르면, 기밀라인의 면압을 증진시켜 메니폴드를 따라 흐르는 물질들 간의 혼용을 방지함에 따라 연료전지의 내구성 향상 및 성능 저하를 방지할 수 있다.

또한, 추가적인 장치의 설치 없이 가스켓의 형상변형을 통해 기밀성을 증대시킬 수 있어 비용절감 및 상품성 향상이 발생될 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지용 가스켓의 기밀라인을 도시한 도면.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 돌기와 홈의 단면을 도시한 도면.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지용 가스켓과 종래의 가스켓에 작용하는 면압 분포를 비교한 도면.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 연료전지용 가스켓과 종래의 가스켓의 기밀 파열압을 비교한 도면.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 연료전지용 가스켓에 대하여 살펴본다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지용 가스켓의 기밀라인(100)을 도시한 도면으로서, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지용 가스켓은 연료전지의 분리판(400) 표면에 결합되며, 복수의 매니폴드(200)들을 유동하는 물질들간의 이동을 차단하는 기밀라인(100)으로부터 상기 분리판(400)의 길이방향으로 돌출된 복수의 돌기(110)들을 포함하고, 상기 복수의 돌기(110)들은 기설정된 너비의 홈(111)을 갖는 것을 특징으로 한다.

상기 복수의 돌기(110)들이 홈(111)을 가짐에 따라 상기 기밀라인(100)에 가해지는 면압이 증대되어 기밀성이 향상될 수 있다.

본 발명의 구성과 그에 따른 효과에 대해 더 구체적으로 설명하자면, 상기 기밀라인(100)은 도 1에 도시된 바와 같이 분리판(400)의 길이에 수직하게 폭방향으로 형성되는 것으로서, 분리판(400)의 양단부에 형성된 복수의 매니폴드(200)들과 분리판(400)의 유로부(300) 사이에서 복수의 매니폴드(200)들과 인접하게 위치한다. 여기서 상기 분리판(400)의 유로부(300)는 분리판(400)의 양단부 사이에 유로가 형성된 것으로서 연료전지 셀의 전극막 접합체(MEA:Membrane-Electrode-Assembly)에 수소 및 공기를 공급하는 역할을 수행한다. 상기 기밀라인(100)이 복수의 매니폴드(200)들과 인접하게 위치한 것은, 상기 기밀라인(100)이 선택적으로 수소, 산소, 또는 냉각수를 유입하거나 차단하게 되도록 하기 위한 것으로서, 상기 기밀라인(100)에서 연장되어 상기 복수의 매니폴드(200)들의 둘레부와 분리판(400)의 둘레부를 따라 마련되는 사이드라인(130)이 더 구비되며, 분리판(400)의 적층시 각각의 분리판(400)에 형성된 상기 기밀라인(100)과 사이드라인(130)이 접촉되어 분리판(400) 전체의 기밀이 유지되도록 하는 것이다. 사이드라인(130)과 분리판(400)의 적층시 접촉상태는 종래에 공지된 바와 유사하게 이루어질 수 있다.

한편, 상기 기밀라인(100)에는 기밀라인(100)의 길이를 따라 상기 분리판(400)의 폭방향으로 연장된 다수개의 돌기(110)가 마련되는데, 상기 돌기(110)에는 홈(111)이 형성되어 분리판(400)의 적층시 상기 기밀라인(100)에 가해지는 면압을 증대시킬 수 있는 것이다.

더 자세히 설명하자면, 복수개의 분리판(400)들을 서로 적층할 때, 각각의 분리판(400)에 형성된 상기 기밀라인(100)과 사이드라인(130) 외에도 상기 돌기(110)들이 서로 접촉하게 되는데, 종래에는 돌기(110)들의 면적이 상기 기밀라인(100)의 면적보다 작아 상기 돌기(110)에 하중이 집중되기 때문에 상대적으로 상기 기밀라인(100)의 면압이 상기 돌기(110)에 가해지는 면압보다 작았던 것이다.

따라서, 상기 돌기(110)에 홈(111)을 형성하여 부분적으로 분리판(400)의 적층시 돌기(110)간에 접촉되는 면적을 감소시킴에 따라 하중이 분산되어 상기 기밀라인(100)에 가해지는 면압이 증대될 수 있는 것이다.

여기서 도 2를 사용하여 상기 홈(111)에 대해 좀더 상세히 설명하자면, 도 2는 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 돌기와 홈의 단면을 도시한 도면으로서, 상기 분리판(400) 표면에서 상기 홈(111)의 바닥면까지의 높이는 상기 분리판(400) 표면과 접하는 상기 기밀라인(100)의 바닥면에서 상기 기밀라인(100)의 상면까지의 높이보다 낮게 됨이 바람직하다. 여기서 상기 홈(111)은 상기 돌기(110)의 상면에 형성됨이 바람직하다.

상기 기밀라인(100)과 돌기(110)의 높이는 자유롭게 설정될 수 있으나, 상기 홈(111)의 바닥면까지의 높이는 상기 기밀라인(100)보다 낮게 되도록 제한되며, 이는 분리판(400)의 적층시 상기 기밀라인(100)에 더 많은 하중이 가해지도록 하기 위함이다.

더 구체적으로, 상기 분리판(400) 표면에서 상기 홈(111)의 바닥면까지의 높이는, 분리판(400)의 적층에 의한 상기 기밀라인(100)의 압축 상태일 때의 상기 분리판(400) 표면에서부터 상기 기밀라인(100)의 상면까지의 높이보다 낮게 됨이 바람직하다. 통상적으로 다수개의 분리판(400)들은 적층된 상태에서 최외곽 분리판(400)에 각각 인접하게 마련된 한 쌍의 엔드 플레이트에 의해 가압되며, 가압에 의해 서로 접하는 기밀라인(100) 및 돌기(110)에 압축이 발생되기 때문에, 엔드 플레이트에 의한 가압 후에도 상기 홈(111)이 형성된 위치에서는 접촉이 발생되지 않도록 상기 기밀라인(100)이 압축되기 전 높이에 기밀라인(100)의 소재가 가지는 기설정된 압축율을 곱하여 기밀라인(100)이 최대로 압축될 때의 높이보다 낮은 높이를 갖도록 상기 홈(111)을 형성하는 것이다.

한편, 상기 돌기(110)의 일단이 상기 기밀라인(100)과 결합하고, 상기 홈(111)은 상기 돌기(110)의 일단부 측에 위치하게 됨이 바람직하다.

즉, 상기 홈(111)이 상기 기밀라인(100)에 인접하게 위치됨이 바람직한데, 이는 상기 기밀라인(100)의 접촉 면적을 줄여 기밀라인(100)에 가해지는 면압을 증대시키기 위함이다. 상기 홈(111)의 위치는 다양하게 설정될 수 있음은 물론이다.

또한, 상기 돌기(110)의 길이방향의 양측부에 대응되는 상기 홈(111)의 양측부는 개구되어 개방됨이 바람직하다. 여기서 개구됨은 홈(111)의 양측부가 완전히 개방되고 돌기(110)의 길이방향으로만 벽을 형성하는 상태가 되는 것을 포함한다. 이는 상기 분리판(400)의 적층시 상기 홈(111)이 형성된 위치에서는 접촉이 발생되지 않도록 하여 상기 기밀라인(100)의 면압을 증대시키기 위함이다.

물론, 상기 홈(111)의 양측부가 개방되지 않고 양측부에 벽이 형성되되, 상기 홈(111)의 직경을 상기 기밀라인(100)에 작용하는 면압이 증가될 수 있는 정도의 크기로 설정되도록 할 수도 있다. 또한, 홈(111)의 양측부가 완전개방되는 것이 아니라 양측부의 상단부만 개방되도록 할 수도 있다.

한편, 상기 홈(111)은 다수개의 돌기(110)들에 모두 형성됨이 바람직하지만, 몇 개의 돌기(110)들에만 선택적으로 형성될 수도 있으며, 한 쌍의 분리판(400) 각각에 마련되어 상호 접촉되는 한 쌍의 돌기(110) 중 어느 한쪽에만 상기 홈(111)이 형성되도록 할 수도 있다. 상기 홈(111)의 형성 및 돌기(110)상의 위치, 형상에 대해서는 다양한 실시예가 가능하다.

본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지용 가스켓에 따른 효과는 도 3 및 도 4에 도시된 실험 결과를 통해 확인할 수 있다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지용 가스켓과 종래의 가스켓에 작용하는 면압 분포를 비교한 도면으로서, 좌측이 종래이고 우측이 본 발명의 일 실시예에 따른 가스켓이다. 모두 기밀라인(100)과 돌기(110)에 작용하는 면압을 나타낸 것으로서, 점들이 조밀하게 모여 있을 수록 더 많은 면압이 작용하는 것을 의미한다. 도 3에서 볼 수 있듯이, 종래의 가스켓에서는 돌기(110) 전체에 하중이 집중된 반면, 본 발명에 따르면 종래와 비교하여 볼 때 상기 기밀라인(100)에 약 20%정도의 면압 향상 효과가 발생된 것을 확인할 수 있다.

또한, 도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 연료전지용 가스켓과 종래의 가스켓의 기밀이 파열되는 때의 값, 즉 기밀 파열압을 측정한 것으로, 좌측(A)이 종래의 가스켓에서의 파열압이고 우측(B)이 본 발명에 의한 가스켓의 파열압을 나타낸 것이다. 세 번의 실험 결과 평균적으로 종래에는 120kPa에서 파열이 발생한 반면, 본 발명에 따른 가스켓에서는 150kPa에서 파열이 발생한바, 약 25%의 성능 향상이 발생되었음을 확인할 수 있다. 즉, 본 발명의 연료전지용 가스켓이 상기 기밀라인(100)의 면압 증대로 인해 더 나은 기밀성을 유지하고 있음을 알 수 있다.

상술한 바와 같은 구조로 이루어진 연료전지용 가스켓에 따르면, 기밀라인(100)의 면압을 증진시켜 메니폴드를 따라 흐르는 물질들 간의 혼용을 방지함에 따라 연료전지의 내구성 향상 및 성능 저하를 방지할 수 있다.

본 발명은 특정한 실시예에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 이하의 특허청구범위에 의해 제공되는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 한도 내에서, 본 발명이 다양하게 개량 및 변화될 수 있다는 것은 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.

100 : 기밀라인 110 : 돌기
111 : 홈 130 : 사이드라인
200 : 매니폴드 300 : 유로부
400 : 분리판

Claims

연료전지의 분리판 표면에 결합되며, 복수의 매니폴드들을 유동하는 물질들간의 이동을 차단하는 기밀라인으로부터 상기 분리판의 길이방향으로 돌출된 복수의 돌기들을 포함하고, 상기 복수의 돌기들은 기설정된 너비의 홈을 갖는 것을 특징으로 하며,
상기 분리판 표면에서 상기 홈의 바닥면까지의 높이는 상기 분리판 표면과 접하는 상기 기밀라인의 바닥면에서 상기 기밀라인의 상면까지의 높이보다 낮은 것을 특징으로 하는,
연료전지용 가스켓.
청구항 1에 있어서,
상기 기밀라인은 매니폴드와 분리판의 유로부 사이에 위치하는 것을 특징으로 하는
연료전지용 가스켓.
삭제
청구항 1에 있어서,
상기 분리판 표면에서 상기 홈의 바닥면까지의 높이는, 분리판의 적층에 의한 상기 기밀라인의 압축 상태일 때의 상기 분리판 표면에서부터 상기 기밀라인의 상면까지의 높이보다 낮은 것을 특징으로 하는
연료전지용 가스켓.
청구항 1에 있어서,
상기 돌기의 일단이 상기 기밀라인과 결합하고, 상기 홈은 상기 돌기의 일단부 측에 위치하는 것을 특징으로 하는
연료전지용 가스켓.
청구항 1에 있어서,
상기 돌기의 길이방향의 양측부에 대응되는 상기 홈의 양측부는 개구된 것을 특징으로 하는
연료전지용 가스켓.