KR101694031B1 - 기밀 향상용 가스켓을 갖는 연료전지 분리판 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 기밀 향상용 가스켓을 갖는 연료전지 분리판에 관한 것으로서, 분리판의 냉각면 측 기밀라인에 대응되는 반응면 측 위치에서 기체통과홀이 미형성된 영역에 추가로 서브기밀라인을 형성함으로써 냉각면 측 기밀라인의 면압을 향상시킬 수 있는 기밀 향상용 가스켓을 갖는 연료전지 분리판을 제공하는데 그 목적이 있다.

Description

기밀 향상용 가스켓을 갖는 연료전지 분리판 {Gasket structure of fuel cell separator having improved airtight}
본 발명은 면압 개선을 위한 기밀 향상용 가스켓을 갖는 연료전지 분리판에 관한 것이다.
연료전지 스택의 구성을 살펴보면, 알려진 바와 같이, 가장 안쪽에 전극막 접합체(MEA: Membrane-Electrode Assembly)가 위치하는데, 이 전극막 접합체는 수소 양이온(Proton)을 이동시켜 줄 수 있는 고분자 전해질막과, 이 전해질막 양면에 수소와 산소가 반응할 수 있도록 도포된 촉매층, 즉 공기극(cathode) 및 연료극(anode)으로 구성되어 있다.
또한, 상기 전극막의 바깥 부분, 즉 공기극 및 연료극이 위치한 바깥 부분에는 가스확산층(GDL: Gas Diffusion Layer) 및 가스켓(Gasket)이 차례로 적층되고, 상기 가스확산층의 바깥쪽에는 연료를 공급하고 반응에 의해 발생된 물을 배출하도록 유로(Flow Field)가 형성된 분리판이 위치하며, 가장 바깥쪽에는 상기한 각 구성들을 지지 및 고정시키기 위한 엔드 플레이트(End plate)가 결합된다.
따라서, 상기 연료전지 스택의 연료극에서는 수소의 산화반응이 진행되어 수소이온(Proton)과 전자(Electron)가 발생하게 되고, 이때 생성된 수소이온과 전자는 각각 전해질막과 분리판을 통하여 공기극으로 이동하게 되며, 상기 공기극에서는 연료극으로부터 이동한 수소이온과 전자, 공기중의 산소가 참여하는 전기화학반응을 통하여 물을 생성하는 동시에 전자의 흐름으로부터 전기에너지를 생성하게 된다.
이러한 연료전지 스택에 있어서, 상기 가스켓(Gasket)은 분리판에 부착되어 연료전지 스택의 각 단위 셀(Unit Cell)을 나누는 기준이 되는 동시에 분리판의 표면에 형성된 수소, 냉각수, 공기 유로를 독립적으로 밀폐시키는 기능을 하는바, 이러한 가스켓의 원할한 기능을 위하여 분리판에 가스켓을 부착하는 방법 및 가스켓 재료의 선택은 연료전지 스택의 제작시 신중히 고려되어야 한다.
즉, 분리판과 가스켓 간의 접합 구조에 있어서, 수소와 공기가 직접적으로 만나는 것을 방지하는 유로 기밀 기능, 냉각수가 수소 및 공기와 만나는 것을 방지하는 기밀 기능, 외부 방향으로 유체(공기, 수소, 냉각수)가 유출되는 것을 막는 기밀 유지 기능 등이 요구되며, 또한 각 분리판 사이에 배열되는 가스켓은 분리판 간의 견고한 지지력을 보유해야 한다.
이러한 가스켓은 사출 성형 방식을 통해 각 분리판의 양 표면상에 분리판과 일체로서 제작될 수 있다. 이때, 반응 기체 및 냉각 유체의 기밀을 유지해야 하는 연료전지의 특성상 가스켓은 작동 유체의 기밀을 유지하도록 제작되어야 한다.
이와 같은 기밀 유지용 가스켓을 갖는 연료전지용 분리판과 관련하여 본 발명의 출원인은 종래에 한국공개특허 제10-2011-0015924호 및 미국특허출원 13531839호의 내용을 개시한바 있다.
한국공개특허 제10-2011-0015924호에서 개시하고 있는 것처럼, 가스켓은 일체로 사출 성형된 것으로서, 분리판의 양 표면에 일체로 사출되는 가스켓이 연속적으로 연결되면서 하나의 폐곡선을 이루고 있다. 또한, 분리판의 사방 모서리 단부와, 각 매니폴드 간의 경계면에 가스켓 사출액이 통과하는 복수 개의 사출홀이 관통 형성되고, 이 사출홀을 통해 가스켓 사출액이 분리판의 일면에서 반대면으로 흐르게 되어, 분리판의 양 표면에 걸쳐 가스켓이 일체로 사출 성형된다.
구체적으로, 종래 분리판의 반응면 측과 냉각면 측에 형성된 가스켓 구조를 도 1을 참조하여 살펴보면 다음과 같다.
도 1에 도시된 분리판의 반응면(10,10')은 연료전지 반응이 일어나는 부분으로서, 공기, 냉각수, 수소의 통로가 되는 매니폴드(20,20',22,22',24,24')가 위치하게 되고, 반응 기체나 냉각 유체의 이동을 차단하도록 반응면 측 기밀라인(30a,30a')이 형성된다. 이러한 기밀라인(30a,30a')으로부터 복수 개의 가스켓 지지부(32a,32a')가 일정 거리마다 나란히 형성되어 있다. 덧붙여, 분리판의 냉각면(12,12') 측으로부터 유입된 수소 또는 공기가 가스통과홀(40,40')을 통해 반응면(10,10') 측으로 이동하게 된다.
또한, 상기 분리판의 냉각면(12,12')은 화학반응에 의해 발생된 반응열을 제거하기 위한 부분으로서, 공기, 냉각수, 수소의 통로가 되는 매니폴드(20,20',22,22',24,24')가 위치하게 되고, 냉각 유체는 유입되도록 냉각면 측 기밀라인(30b,30b')이 형성된다. 이러한 기밀라인(30b,30b')으로부터 복수 개의 가스켓 지지부(32b,32b')가 일정 거리마다 나란히 형성되어 있다.
도 1에 보이듯, 이와 같은 형태의 가스켓은 냉각면 측 기밀라인(30b,30b')과 반응면 측 기밀라인(30a,30a')의 위치가 상이하며, 가스켓 지지부(32b,32b')가 하중을 지지하게 되어 가스켓 지지부(32b,32b') 사이에 기밀라인 부분의 면압이 취약하게 되는 문제가 발생하고, 이에 냉각수가 공기 매니폴드(20,20') 또는 수소 매니폴드(24,24')로 누출될 가능성이 큰 문제점이 있다.
미국등록특허 07674550 (2010.03.09)
본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로서, 분리판의 냉각면 측 기밀라인에 대응되는 반응면 측 위치에서 기체통과홀이 미형성된 영역에 추가로 서브기밀라인을 형성함으로써 냉각면 측 기밀라인의 면압을 향상시킬 수 있는 기밀 향상용 가스켓을 갖는 연료전지 분리판을 제공하는데 그 목적이 있다.
이에 본 발명에서는, 연료전지 분리판의 매니폴드부와 유로면 사이 영역에 형성된 냉각면 측 기밀라인과 반응면 측 기밀라인 및 상기 각 기밀라인에 일체로 형성된 가스켓 지지부를 구비한 가스켓을 갖는 연료전지 분리판으로서, 상기 가스켓은 냉각면 측 기밀라인에 대응되는 분리판의 반응면 영역 중에 기체통과홀이 미형성된 영역에 상기 반응면 측 기밀라인과 연결되는 서브기밀라인을 형성한 것을 특징으로 하는 기밀 향상용 가스켓을 갖는 연료전지 분리판을 제공한다.
본 발명의 실시예에 의하면, 상기 가스켓은 분리판의 애노드 반응면에 형성되는 서브기밀라인으로서, 분리판의 공기 매니폴드와 애노드 냉각면 사이에 형성된 애노드 냉각면 측 공기 기밀라인에 대응되는 애노드 반응면 영역 중에 수소통과홀이 미형성된 영역에 상기 공기 기밀라인과 연결되는 공기 서브기밀라인을 구비한다.
구체적으로 예를 들면, 상기 공기 서브기밀라인은 분리판의 공기 매니폴드와 애노드 반응면 사이 영역에 형성된 가스켓 지지부들의 끝단을 일체로 연결한 형태로 애노드 반응면 측에 연장 형성될 수 있다.
아울러, 상기 공기 서브기밀라인은, 공기 매니폴드와 애노드 반응면 사이에 형성된 공기 기밀라인 폭의 1/2 이상이고 상기 공기 기밀라인 폭의 2배 이하인 폭을 갖는 것이 바람직하다.
또한 본 발명의 다른 실시예에 의하면, 상기 가스켓은 분리판의 캐소드 반응면에 형성되는 서브기밀라인으로서, 분리판의 수소 매니폴드와 캐소드 냉각면 사이에 형성된 캐소드 냉각면 측 수소 기밀라인에 대응되는 캐소드 반응면 영역 중에 공기통과홀이 미형성된 영역에 상기 수소 기밀라인과 연결되는 수소 서브기밀라인을 구비한다.
구체적으로 예를 들면, 상기 수소 서브기밀라인은 분리판의 수소 매니폴드와 캐소드 반응면 사이 영역에 형성된 가스켓 지지부들의 끝단을 일체로 연결한 형태로 캐소드 반응면 측에 연장 형성될 수 있다.
아울러, 상기 수소 서브기밀라인은, 수소 매니폴드와 캐소드 반응면 사이에 형성된 수소 기밀라인 폭의 1/2 이상이고 상기 수소 기밀라인 폭의 2배 이하인 폭을 갖는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 기밀 향상용 가스켓을 갖는 연료전지 분리판에 의하면, 가스켓 지지부 사이에 기밀라인 부위의 면압이 취약해지는 것을 개선할 수 있으며, 이에 기밀라인의 면압이 취약해진 부분에서 냉각수가 누설되어 공기 매니폴드 또는 수소 매니폴드로 유입되는 것을 방지할 수 있다.
도 1은 종래기술에 따른 분리판의 반응면 측과 냉각면 측에 형성된 가스켓 구조를 나타낸 평면도
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 기밀 향상용 가스켓을 갖는 연료전지 분리판을 나타낸 평면도
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 기밀 향상용 가스켓을 갖는 연료전지 분리판을 나타낸 요부 확대도
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 기밀 향상용 가스켓을 갖는 연료전지 분리판을 나타낸 요부 확대도
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 기밀 향상용 가스켓을 갖는 연료전지 분리판을 나타낸 요부 확대도
도 6은 본 발명에 따른 가스켓을 갖는 연료전지 분리판의 가스켓 면압 개선효과를 확인하기 위하여, 서브기밀라인을 갖는 가스켓을 적용한 본 발명에 따른 분리판과 서브기밀라인을 미구비한 가스켓을 적용한 종래기술에 따른 분리판을 샘플 제작한 뒤, 각각 가스켓의 냉각면 측 기밀라인의 면압 분포를 해석해본 결과를 나타낸 그래프
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 설명하기로 한다.
본 발명의 실시예에 따른 기밀 향상용 가스켓을 갖는 연료전지 분리판은, 분리판의 양 표면에 가스켓이 일체로 사출되어 연속적으로 연결되면서 하나의 폐곡선을 이루며 성형된다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 분리판(100,200)은 좌우 양단부에 각각 수소 매니폴드(112,212)와 냉각수 매니폴드(114,214) 및 공기 매니폴드(116,216)로 이루어진 매니폴드부(110,210)가 형성되고, 그 내측 면적에 걸쳐 반응가스와 냉각유체를 위한 유로면(반응면, 냉각면)이 형성된다.
구체적으로, 전극막접합체(미도시)의 애노드를 대향하게 되는 애노드 분리판(100)의 양표면에는 각각 수소가스를 위한 반응면(즉, 애노드 반응면)(122)과 냉각수를 위한 냉각면(즉, 애노드 냉각면)(124)이 형성되고, 전극막접합체(미도시)의 캐소드를 대향하게 되는 캐소드 분리판(200)의 양표면에는 각각 공기가스를 위한 반응면(즉, 캐소드 반응면)(222)과 냉각수를 위한 냉각면(즉, 캐소드 냉각면)(224)이 형성된다.
상기 애노드 분리판(100)의 양단부에 형성되는 수소 매니폴드(112)와 애노드 반응면 및 냉각면(122,124) 사이 영역에 복수 개의 기체통과홀(구체적으로, 수소통과홀)(126)이 상하 폭방향을 따라 배열되고, 상기 캐소드 분리판(200)의 양단부에 형성되는 공기 매니폴드(216)와 캐소드 반응면 및 냉각면(222,224) 사이 영역에 복수 개의 기체통과홀(구체적으로, 공기통과홀)(226)이 상하 폭방향을 따라 배열된다.
여기서, 상기 애노드 분리판(100)에 구비되는 가스켓, 즉 애노드 가스켓(130)에 대해 설명하면 다음과 같다.
도 2를 보면, 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 분리판에 구비되는 애노드 가스켓(130)은, 분리판(100)의 애노드 반응면 및 냉각면(122,124) 측에 형성된 사이드라인(132)과 기밀라인(134,135) 및 애노드 냉각면(124) 측에 형성된 냉각수 안내라인(139c)으로 구분해볼 수 있다.
상기 사이드라인(132)은 분리판(100)의 양 표면상에서 그 사방 모서리를 따라 일체로 성형된 것으로, 외부로 반응가스 또는 냉각수가 흐르는 것을 차단한다.
상기 기밀라인(134,135)은 분리판(100)의 애노드 반응면(122)과 매니폴드부(110) 사이 영역에 분리판(100)의 상하 폭방향을 따라 일체로 연장 형성되는 반응면 측 기밀라인(134)과, 분리판(100)의 애노드 냉각면(124)과 매니폴드부(110) 사이 영역에 분리판(100)의 상하 폭방향을 따라 연장 형성되는 냉각면 측 기밀라인(135)으로 구분할 수 있다.
그리고, 상기 반응면 측 기밀라인(134)과 냉각면 측 기밀라인(135)은 각각 양단부가 사이드라인(132)과 일체로 연결된다.
구체적으로, 상기 반응면 측 기밀라인(134)은 수소 매니폴드(112)와 애노드 반응면(122) 사이 영역에 분리판(100)의 상하 폭방향을 따라 일체로 연장 형성되는 반응면 측 수소 기밀라인(134a)과, 공기 매니폴드(116)와 애노드 반응면(122) 사이 영역에 분리판(100)의 상하 폭방향을 따라 일체로 연장 형성되는 반응면 측 공기 기밀라인(134b), 및 상기 수소 기밀라인(134a)과 공기 기밀라인(134b) 사이에 일체로 연결되고 또한 냉각수 매니폴드(114)와 애노드 반응면(122) 사이 영역에 분리판(100)의 상호 폭방향을 따라 연장 형성되는 반응면 측 냉각수 기밀라인(134c)으로 구분할 수 있다.
또한, 상기 냉각면 측 기밀라인(135)은 수소 매니폴드(112)와 애노드 냉각면(124) 사이 영역에 분리판(100)의 상하 폭방향을 따라 일체로 연장 형성되는 냉각면 측 수소 기밀라인(135a)과, 공기 매니폴드(116)와 애노드 냉각면(124) 사이 영역에 분리판(100)의 상하 폭방향을 따라 일체로 연장 형성되는 냉각면 측 공기 기밀라인(135b)으로 구분할 수 있다.
상기 반응면 측 기밀라인(134)에는 기밀라인(134)에서 애노드 반응면(122) 측으로 연장되는 복수 개의 가스켓 지지부(138)가 일체로 형성되고, 상기 냉각면 측 기밀라인(135)에는 기밀라인(135)에서 매니폴드부(110) 측으로 연장되는 복수 개의 가스켓 지지부(139)가 일체로 형성된다.
구체적으로, 냉각면 측 기밀라인(135)의 경우, 공기 기밀라인(135b)에서 공기 매니폴드(116) 측으로 좌우 폭방향을 따라 연장되는 복수 개의 가스켓 지지부(139a)가 형성되고, 수소 기밀라인(135a)에서 수소 매니폴드(112) 측으로 좌우 폭방향을 따라 연장되는 복수 개의 가스켓 지지부(139b)가 형성되고, 또한 애노드 냉각면(124)과 냉각수 매니폴드(114) 사이 영역에 좌우 폭방향을 따라 연장되는 복수 개의 냉각수 안내라인(139c)이 형성된다.
그리고, 상기 수소 기밀라인(135a)과 수소 매니폴드(112) 사이 영역에 복수 개의 수소통과홀(126)이 상하 폭방향을 따라 배열되고, 각 수소통과홀(126)이 가스켓 지지부(139b) 사이에 배치된다.
상기 냉각수 안내라인(139c)은 일종의 가스켓 지지부로서, 애노드 반응면(122) 측의 냉각수 기밀라인(134c)에 일체로 성형되어 애노드 냉각면(124) 측에 형성 배치된다.
또한, 상기 냉각면 측 공기 기밀라인(135b)에 대응되는 애노드 반응면(122)의 소정 영역에는 애노드 냉각면 측 기밀라인(135)의 면압 향상을 위하여, 공기 서브기밀라인(142)이 형성된다.
상기 공기 서브기밀라인(142)은 애노드 냉각면 측 기밀라인(135)에 대응되는 애노드 반응면(122)의 소정 영역 중에 기체통과홀(126)이 미형성된 영역에서 공기 기밀라인(134b)과 일체로 형성되는 것으로, 공기 기밀라인(134b)의 내측으로 연장되어, 즉 공기 매니폴드(116)에서 애노드 반응면(122) 측으로 연장되어, 공기 기밀라인(134b)과 애노드 반응면(122) 사이 영역에 형성된다.
일 예로, 도 2에 보이듯, 공기 서브기밀라인(142)은 공기 매니폴드(116)와 애노드 반응면(122) 사이 영역에 형성된 가스켓 지지부(138a)들의 끝단을 일체로 연결하는 형태로서 분리판(100)의 상하 폭방향을 따라 직선형으로 연장 형성될 수 있다.
다른 일 예로, 도 4에 보이듯, 공기 서브기밀라인(142-1)은 공기 매니폴드(116)에서 애노드 반응면(122) 측으로 일정 간격을 두고 분리판(100)의 상하 폭방향을 따라 연장 형성되며, 공기 기밀라인(134b)의 끝단에 형성된 가스켓 지지부(138a)와 사이드라인(132)에 의해 공기 기밀라인(134b)과 연결 형성된다. 이때 공기 기밀라인(134b)과 공기 서브기밀라인(142-1) 사이에는 하나의 공간부(143, 가스켓 소재가 미도포된 빈 영역)가 분리판(100)의 상하 폭방향을 따라 일자형으로 형성된다.
또 다른 일 예로, 도 5에 보이듯, 공기 서브기밀라인(142-2)은 분리판(100)의 내측으로(즉, 공기 매니폴드(116)에서 애노드 반응면(122) 측으로) 공기 기밀라인(143b)과 일체로 연장 형성되고, 분리판(100)의 상하 폭방향을 따라 연장 형성되며, 이때 공기 기밀라인(134b)과 공기 서브기밀라인(142-2) 사이에는 공간부(가스켓 소재가 미도포된 빈 영역)가 미형성된다.
이 외에도 공기 서브기밀라인(142)은 다양하게 변형 가능하며, 도 2 내지 5에 도시한 바와 같은 형태로 한정되는 것은 아니다.
그리고 도 3을 참조하면, 상기 공기 서브기밀라인(142)은, 공기 매니폴드(116)와 애노드 반응면(122) 사이에 형성된 애노드 반응면 측 공기 기밀라인(134b) 폭(W1)의 1/2 이상이고 상기 애노드 반응면 측 공기 기밀라인(134b) 폭(W1)의 2배 이하인 폭(W2)을 갖는 것이 바람직하나, 이에 의해 한정되는 것은 아니다.
만약 상기 공기 서브기밀라인(142)의 폭(W2)이, 애노드 반응면 측 공기 기밀라인(134b) 폭(W1)의 1/2 미만이면 사출성이 저하되고, 애노드 반응면 측 공기 기밀라인(134b) 폭(W1)의 2배를 초과하면 공간 제약이 발생한다.
또한, 애노드 반응면 측 공기 기밀라인(134b)과 상기 애노드 반응면 측 공기 서브기밀라인(142) 간에 가스켓 지지부(138a)들 사이 영역(R1)의 가스켓 두께는, 그 외 영역의 가스켓 두께의 1/2 이상이고 그 외 영역의 가스켓 두께의 1배 이하인 것이 바람직하나, 이에 의해 한정되는 것은 아니다.
만약 상기 가스켓 지지부(138a)들 사이 영역(R1)의 가스켓 두께가, 그 외 영역의 가스켓 두께의 1/2 미만이면 사출성이 저하되고, 그 외 영역의 가스켓 두께의 1배를 초과하면 면압 불균형이 발생한다.
여기서, 상기 가스켓 두께는 분리판(100) 상에 적층된 형태로 형성된 가스켓(130)의 적층방향 두께이다.
한편, 상기 캐소드 분리판(200)에 구비되는 가스켓, 즉 캐소드 가스켓(230)에 대해 설명하면 다음과 같다.
도 2를 보면, 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 분리판에 구비되는 캐소드 가스켓(230)은, 분리판(200)의 캐소드 반응면 및 냉각면(222,224) 측에 형성된 사이드라인(232)과 기밀라인(234,235) 및 캐소드 냉각면(224) 측에 형성된 냉각수 안내라인(239c)으로 구분해볼 수 있다.
상기 사이드라인(232)은 분리판(200)의 양 표면상에서 그 사방 모서리를 따라 일체로 성형된 것으로, 외부로 반응가스 또는 냉각수가 흐르는 것을 차단한다.
상기 기밀라인(234,235)은 분리판(200)의 캐소드 반응면(222)과 매니폴드부(210) 사이 영역에 분리판(200)의 상하 폭방향을 따라 일체로 연장 형성되는 반응면 측 기밀라인(234)과, 분리판(200)의 캐소드 냉각면(224)과 매니폴드부(210) 사이 영역에 분리판(200)의 상하 폭방향을 따라 연장 형성되는 냉각면 측 기밀라인(235)으로 구분할 수 있다.
그리고, 상기 반응면 측 기밀라인(234)과 냉각면 측 기밀라인(235)은 각각 양단부가 사이드라인(232)과 일체로 연결된다.
구체적으로, 상기 반응면 측 기밀라인(234)은 수소 매니폴드(212)와 캐소드 반응면(222) 사이 영역에 분리판(200)의 상하 폭방향을 따라 일체로 연장 형성되는 캐소드 반응면 측 수소 기밀라인(234a)과, 공기 매니폴드(216)와 캐소드 반응면(222) 사이 영역에 분리판(200)의 상하 폭방향을 따라 일체로 연장 형성되는 캐소드 반응면 측 공기 기밀라인(234b), 및 상기 수소 기밀라인(234a)과 공기 기밀라인(234b) 사이에 일체로 연결되고 또한 냉각수 매니폴드(214)와 캐소드 반응면(222) 사이 영역에 분리판(200)의 상하 폭방향을 따라 연장 형성되는 캐소드 반응면 측 냉각수 기밀라인(234c)으로 구분할 수 있다.
또한, 상기 냉각면 측 기밀라인(235)은 수소 매니폴드(212)와 캐소드 냉각면(224) 사이 영역에 분리판(200)의 상하 폭방향을 따라 일체로 연장 형성되는 캐소드 냉각면 측 수소 기밀라인(235a)과, 공기 매니폴드(216)와 캐소드 냉각면(224) 사이 영역에 분리판(200)의 상하 폭방향을 따라 일체로 연장 형성되는 캐소드 냉각면 측 공기 기밀라인(235b)으로 구분할 수 있다.
상기 반응면 측 기밀라인(234)에는 기밀라인(234)에서 캐소드 반응면(222) 측으로 연장되는 복수 개의 가스켓 지지부(238)가 일체로 형성되고, 상기 냉각면 측 기밀라인(235)에는 기밀라인(235)에서 매니폴드부(210) 측으로 연장되는 복수 개의 가스켓 지지부(239)가 일체로 형성된다.
구체적으로, 냉각면 측 기밀라인(235)의 경우, 공기 기밀라인(235b)에서 공기 매니폴드(216) 측으로 좌우 폭방향을 따라 연장되는 복수 개의 가스켓 지지부(239a)가 형성되고, 수소 기밀라인(235a)에서 수소 매니폴드(212) 측으로 분리판(200)의 좌우 폭방향을 따라 연장되는 복수 개의 가스켓 지지부(239b)가 형성되고, 또한 캐소드 냉각면(224)과 냉각수 매니폴드(214) 사이 영역에 좌우 폭방향을 따라 연장되는 복수 개의 냉각수 안내라인(239c)이 형성된다.
그리고, 상기 공기 기밀라인(234a)과 공기 매니폴드(216) 사이 영역에 복수 개의 공기통과홀(226)이 상하 폭방향을 따라 배열되고, 각 공기통과홀(226)이 가스켓 지지부(238a) 사이에 배치된다.
상기 냉각수 안내라인(239c)은 일종의 가스켓 지지부로서, 캐소드 반응면 측의 냉각수 기밀라인(234c)에 일체로 성형되어 캐소드 냉각면(224) 측에 형성 배치된다.
또한, 상기 캐소드 냉각면 측 수소 기밀라인(235a)에 대응되는 캐소드 반응면(222)의 소정 영역에는 캐소드 냉각면 측 기밀라인(235)의 면압 향상을 위하여, 수소 서브기밀라인(242)이 형성된다.
상기 수소 서브기밀라인(242)은 캐소드 냉각면 측 기밀라인(235)에 대응되는 캐소드 반응면(222)의 소정 영역 중에 공기통과홀(226)이 미형성된 영역에서 수소 기밀라인(234a)과 일체로 형성되는 것으로, 수소 기밀라인(234a)의 내측으로 연장되어, 즉 수소 매니폴드(212)에서 캐소드 반응면(222) 측으로 연장되어, 수소 기밀라인(234a)과 캐소드 반응면(222) 사이 영역에 형성된다.
일 예로, 도 2에 보이듯, 수소 서브기밀라인(242)은 수소 매니폴드(212)와 캐소드 반응면(222) 사이 영역에 형성된 가스켓 지지부(238a)들의 끝단을 일체로 연결하는 형태로서 분리판(200)의 상하 폭방향을 따라 직선형으로 연장 형성될 수 있다.
다른 일 예로, 도 4에 보이듯, 수소 서브기밀라인(242-1)은 수소 매니폴드(212)에서 캐소드 반응면(222) 측으로 일정 간격을 두고 분리판(200)의 상하 폭방향을 따라 연장 형성되며, 수소 기밀라인(234a)의 끝단에 형성된 가스켓 지지부(238a)와 사이드라인(232)에 의해 수소 기밀라인(234a)과 연결 형성된다. 이때 수소 기밀라인(234a)과 수소 서브기밀라인(242-1) 사이에는 하나의 공간부(234, 가스켓 소재가 미도포된 빈 영역)가 분리판(200)의 상하 폭방향을 따라 일자형으로 형성된다.
또 다른 일 예로, 도 5에 보이듯, 수소 서브기밀라인(242-2)은 분리판(200)의 내측으로(즉, 수소 매니폴드(212)에서 캐소드 반응면(222) 측으로) 수소 기밀라인(234a)과 일체로 연장 형성되고, 분리판(200)의 상하 폭방향을 따라 연장 형성되며, 이때 수소 기밀라인(243a)과 수소 서브기밀라인(242-2) 사이에는 공간부(가스켓 소재가 미도포된 빈 영역)가 미형성된다.
이 외에도 수소 서브기밀라인(242)은 다양하게 변형 가능하며, 도 2 내지 5에 도시한 바와 같은 형태로 한정되는 것은 아니다.
그리고, 상기 수소 서브기밀라인(242)은, 수소 매니폴드(212)와 캐소드 반응면(222) 사이에 형성된 캐소드 반응면 측 수소 기밀라인(234a) 폭(W1)의 1/2 이상이고 상기 캐소드 반응면 측 수소 기밀라인(234a) 폭(W1)의 2배 이하인 폭(W2)을 갖는 것이 바람직하나, 이에 의해 한정되는 것은 아니다.
만약 상기 수소 서브기밀라인(242)의 폭(W2)이, 캐소드 반응면 측 수소 기밀라인(234a) 폭(W1)의 1/2 미만이면 사출성이 저하되고, 캐소드 반응면 측 수소 기밀라인(234a) 폭(W1)의 2배를 초과하면 공간 제약이 발생한다.
또한, 캐소드 반응면 측 수소 기밀라인(234a)과 상기 캐소드 반응면 측 수소 서브기밀라인(242) 간에 가스켓 지지부(238a)들 사이 영역(R1)의 가스켓 두께는, 그 외 영역의 가스켓 두께의 1/2 이상이고 그 외 영역의 가스켓 두께의 1배 이하인 것이 바람직하나, 이에 의해 한정되는 것은 아니다.
만약 상기 가스켓 지지부들 사이 영역(R1)의 가스켓 두께가, 그 외 영역의 가스켓 두께의 1/2 미만이면 사출성이 저하되고, 그 외 영역의 가스켓 두께의 1배를 초과하면 면압 불균형이 발생한다.
여기서, 본 발명에 따른 가스켓을 갖는 연료전지 분리판의 가스켓 면압 개선효과를 확인하기 위하여, 도 2에 도시한 바와 같은 형태의 분리판(서브기밀라인을 갖는 가스켓 적용)과 도 1에 도시한 바와 같은 형태의 분리판(서브기밀라인을 미구비한 가스켓 적용)을 샘플 제작한 뒤, 각각 가스켓의 냉각면 측 기밀라인의 면압 분포를 해석해본 결과, 도 6에 보이듯, 본 발명에 따라 서브기밀라인을 갖는 가스켓을 적용한 분리판의 면압이 종래기술에 따라 서브기밀라인을 미구비한 가스켓을 적용한 분리판의 면압 대비 증가됨을 확인할 수 있었다.
이상으로 본 발명의 실시예에 대해 상세히 설명하였는바, 본 발명의 권리범위는 상술한 실시예에 한정되지 않으며, 다음의 특허청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 또한 본 발명의 권리범위에 포함된다.
100 : 애노드 분리판
110 : 매니폴드부
112 : 수소 매니폴드
114 : 냉각수 매니폴드
116 : 공기 매니폴드
122 : 애노드 반응면
124 : 애노드 냉각면
126 : 수소통과홀(기체통과홀)
130 : 애노드 가스켓
132 : 사이드라인
134 : 애노드 반응면 측 기밀라인
134a : 애노드 반응면 측 수소 기밀라인
134b : 애노드 반응면 측 공기 기밀라인
134c : 애노드 반응면 측 냉각수 기밀라인
135 : 애노드 냉각면 측 기밀라인
135a : 애노드 냉각면 측 수소 기밀라인
135b : 애노드 냉각면 측 공기 기밀라인
138,138a,138b,138c : 애노드 반응면 측 가스켓 지지부
139,139a,139b : 애노드 냉각면 측 가스켓 지지부
139c : 냉각수 안내라인
142,142-1,142-2 : 공기 서브기밀라인
143 : 공간부
200 : 캐소드 분리판
210 : 매니폴드부
212 : 수소 매니폴드
214 : 냉각수 매니폴드
216 : 공기 매니폴드
222 : 캐소드 반응면
224 : 캐소드 냉각면
226 : 공기통과홀(기체통과홀)
230 : 캐소드 카스켓
232 : 사이드라인
234 : 캐소드 반응면 측 기밀라인
234a : 캐소드 반응면 측 수소 기밀라인
234b : 캐소드 반응면 측 공기 기밀라인
234c : 캐소드 반응면 측 냉각수 기밀라인
235 : 캐소드 냉각면 측 기밀라인
235a : 캐소드 냉각면 측 수소 기밀라인
235b : 캐소드 냉각면 측 공기 기밀라인
238,238a,238b,238c : 애노드 반응면 측 가스켓 지지부
239,239a,239b : 애노드 냉각면 측 가스켓 지지부
239c : 냉각수 안내라인
242,242-1,242-2 : 수소 서브기밀라인
243 : 공간부

Claims (7)

  1. 연료전지 분리판의 매니폴드부와 냉각면 사이 영역에 형성된 냉각면 측 기밀라인과, 상기 연료전지 분리판의 매니폴드부와 반응면 사이 영역에 형성된 반응면 측 기밀라인, 및 상기 각 기밀라인에 일체로 형성된 가스켓 지지부를 구비한 가스켓을 갖는 연료전지 분리판으로서,
    상기 가스켓은 매니폴드부와 냉각면 사이 영역 중 상기 냉각면 측 기밀라인이 형성된 영역에 대응되는 분리판의 반응면 영역 중에 기체통과홀이 미형성된 영역에 상기 반응면 측 기밀라인과 일체로 연결되는 서브기밀라인을 형성한 것을 특징으로 하는 기밀 향상용 가스켓을 갖는 연료전지 분리판.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 가스켓은 분리판의 애노드 반응면에 형성되는 서브기밀라인으로서, 분리판의 공기 매니폴드와 애노드 냉각면 사이에 형성된 애노드 냉각면 측 공기 기밀라인에 대응되는 애노드 반응면 영역 중에 수소통과홀이 미형성된 영역에 상기 공기 기밀라인과 연결되는 공기 서브기밀라인을 구비한 것을 특징으로 하는 기밀 향상용 가스켓을 갖는 연료전지 분리판.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 공기 서브기밀라인은 분리판의 공기 매니폴드와 애노드 반응면 사이 영역에 형성된 가스켓 지지부들의 끝단을 일체로 연결한 형태로 애노드 반응면 측에 연장 형성된 것을 특징으로 하는 기밀 향상용 가스켓을 갖는 연료전지 분리판.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 가스켓은 분리판의 캐소드 반응면에 형성되는 서브기밀라인으로서, 분리판의 수소 매니폴드와 캐소드 냉각면 사이에 형성된 캐소드 냉각면 측 수소 기밀라인에 대응되는 캐소드 반응면 영역 중에 공기통과홀이 미형성된 영역에 상기 수소 기밀라인과 연결되는 수소 서브기밀라인을 구비한 것을 특징으로 하는 기밀 향상용 가스켓을 갖는 연료전지 분리판.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 수소 서브기밀라인은 분리판의 수소 매니폴드와 캐소드 반응면 사이 영역에 형성된 가스켓 지지부들의 끝단을 일체로 연결한 형태로 캐소드 반응면 측에 연장 형성된 것을 특징으로 하는 기밀 향상용 가스켓을 갖는 연료전지 분리판.
  6. 청구항 2 또는 3에 있어서,
    상기 공기 서브기밀라인은, 공기 매니폴드와 애노드 반응면 사이에 형성된 공기 기밀라인 폭의 1/2 이상이고 상기 공기 기밀라인 폭의 2배 이하인 폭을 갖는 것을 특징으로 하는 기밀 향상용 가스켓을 갖는 연료전지 분리판.
  7. 청구항 4 또는 5에 있어서,
    상기 수소 서브기밀라인은, 수소 매니폴드와 캐소드 반응면 사이에 형성된 수소 기밀라인 폭의 1/2 이상이고 상기 수소 기밀라인 폭의 2배 이하인 폭을 갖는 것을 특징으로 하는 기밀 향상용 가스켓을 갖는 연료전지 분리판.
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