KR101711034B1 - 연료 전지의 밀봉 구조 - Google Patents

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시게루 와타나베
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엔오케이 가부시키가이샤
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Abstract

막-전극 복합체(10)를, 세퍼레이터(20A)에 일체적으로 설치된 제 1 개스킷(30)과, 제 2 개스킷(40)에 의해 사이에 끼우는 연료 전지의 밀봉 구조로서, 막-전극 복합체(10) 양측의 개스킷(30, 40)에, 조립 정밀도에 따른 오프셋이 있더라도 안정된 밀봉성을 확보하는 동시에, 발전 영역의 발전 성능을 안정시킨다. 　이를 위해, 제 1 개스킷(30)은 헤드부(32a)가 막-전극 복합체(10)에 밀착접촉되는 뱅크 형상의 메인 립(32)을 가지며, 제 2 개스킷(40)은 막-전극 복합체(10)에 밀착접촉되는 플랫 시일부(42)와, 이 플랫 시일부(42)에서의 메인 립(32)과의 대향 위치에 융기 형성된 서브 립(43)을 가지고, 메인 립(32)의 헤드부(32a)의 폭(w1)이 상정되는 최대 오프셋량보다 넓고 또한 플랫 시일부(42)의 폭(w2)보다 좁으며, 서브 립(43)이 메인 립(32)의 헤드부(32a)보다 폭(w3)이 좁은 구성으로 한다.

Description

연료 전지의 밀봉 구조{SEALING STRUCTURE OF FUEL CELL}
본 발명은, 연료 전지에 있어서, 막-전극 복합체를, 그 두께 방향 양측에 배치한 세퍼레이터에 일체로 설치된 개스킷에 의해 사이에 끼우는 밀봉 구조에 관한 것이다.
연료 전지는, 고분자 전해질막의 양면에 한 쌍의 촉매 전극층을 설치한 막-전극 복합체(MEA) 및 그 두께 방향 양측에 적층된 다공질 가스 확산층(GDL)과, 탄소 혹은 금속으로 이루어진 세퍼레이터를 교대로 배치하여 적층한 구조를 가지며, 연료 가스와 산화 가스를 막-전극 복합체의 양면으로 유통시켜, 물의 전기 분해의 역반응인 전기 화학 반응, 즉 수소와 산소로부터 물을 생성하는 반응에 의해 전력을 발생하는 것이다.
이러한 종류의 연료 전지에 있어서는, 연료 가스나 산화 가스, 그 반응에 의해 생성된 물이나 잉여의 산화 가스, 냉매 등을 시일하기 위한 밀봉 구조를 구비한다. 도 8은, 종래 기술에 따른 연료 전지의 밀봉 구조를 분리 상태로 도시한 부분 단면도이며, 상기 도 8에 있어서, 참조 부호 110은 고분자 전해질막 및 그 양측에 설치한 촉매 전극층 등으로 이루어진 막-전극 복합체이며, 이 막-전극 복합체(110)의 두께 방향 양측에 각각 세퍼레이터(120)가 적층된다.
막-전극 복합체(110)의 둘레 가장자리에는, 그 두께 방향 양측의 세퍼레이터(120)에 일체적으로 설치된 개스킷(130)이 밀착접촉된다. 개스킷(130)은 고무상(rubber-like) 탄성 재료(고무 또는 고무상 탄성을 가지는 합성 수지 재료)로 이루어진 것으로, 소요의 면압(面壓)을 얻기 위하여 시일 돌조(seal protrusion, 131)가 형성되어 있다.
그런데, 막-전극 복합체(110)는 두께가 얇고 유연하기 때문에, 예를 들어 근소하더라도 조립 정밀도에 따른 오프셋(δ; 어긋남)이 있으면, 시일 돌조(131)에 의한 면압 극대부의 어긋남에 의해 밀봉성이 불안정해지는 문제가 있다. 또한, 소요의 밀봉성을 확보할 수 있었다고 하더라도, 개스킷(130)의 반력이 오프셋(δ)에 따라 크게 변동하기 때문에, 발전 영역(미도시)의 적층 압력에 대한 영향에 의해, 발전 성능도 불안정해질 우려가 있다.
따라서, 이러한 오프셋에 의한 문제점을 방지하는 방법으로서, 도 9에 다른 종래 기술에 따른 연료 전지의 밀봉 구조를 분리 상태로 도시하는 바와 같이, 시일 돌조(131)를 가지는 개스킷(130)과, 플랫 시일부(141)가 형성된 개스킷(140)으로 막-전극 복합체(110)의 둘레 가장자리를 사이에 끼우도록 하는 것이 알려져 있다(하기 특허문헌 1 참조).
그런데, 이 경우는 개스킷(130)의 시일 돌조(131)에 의한 시일면은 소요의 면압을 확보할 수 있지만, 개스킷(140)의 플랫 시일부(141)에 의한 시일면에서는 면압이 분산되어, 시일 돌조(131) 측에 비교하여 면압이 저하되므로, 소요의 시일성을 얻을 수 없게 되어 버린다는 문제가 있다. 따라서, 이러한 시일성 저하를 보충하기 위하여, 도 10에, 또 다른 종래 기술에 따른 연료 전지의 밀봉 구조를 분리 상태로 도시하는 바와 같이, 시일 돌조(151)와 플랫 시일부(152)를 가지는 개스킷(150)을 양측의 세퍼레이터(120)에 서로 소용돌이 형상(swirl shape)으로 설치하며, 시일 돌조(151)와 플랫 시일부(152)에 의해 폭 방향 2부분에서 막-전극 복합체(110)를 사이에 끼우도록 하는 것도 생각할 수 있지만, 이 경우는 개스킷(150)의 폭이 커져 버리는 문제가 있다.
일본국 공개특허공보 제2008-97899호
본 발명은, 이상과 같은 점을 감안하여 이루어진 것으로, 그 기술적 과제는, 연료 전지의 밀봉 구조에 있어서, 막-전극 복합체 양측의 개스킷에 조립 정밀도에 따른 오프셋이 있더라도, 안정된 밀봉성을 확보하는 동시에, 발전 영역의 발전 성능을 안정시키는 것에 있다.
상술한 기술적 과제를 유효하게 해결하기 위한 수단으로서, 청구항 1의 발명에 따른 연료 전지의 밀봉 구조는, 막-전극 복합체를, 그 두께 방향 일측(一側)에 배치된 세퍼레이터에 일체적으로 설치된 고무상(狀) 탄성 재료로 이루어진 제 1 개스킷과, 두께 방향 타측(他側)에 배치된 세퍼레이터에 일체적으로 설치된 고무상 탄성 재료로 이루어진 제 2 개스킷에 의해 사이에 끼우는 밀봉 구조로서, 상기 제 1 개스킷은 헤드부(top portion)가 상기 막-전극 복합체에 밀착접촉되는 뱅크(bank) 형상의 메인 립(main lip)을 가지며, 상기 제 2 개스킷은 상기 막-전극 복합체에 밀착접촉되는 플랫 시일부(flat sealing portion)와, 이 플랫 시일부에서의 상기 메인 립과의 대향 위치에 융기(隆起) 형성된 서브 립(sub lip)을 가지고, 상기 메인 립의 헤드부의 폭이, 상정되는 최대 오프셋량보다 넓고 또한 상기 플랫 시일부의 폭보다 좁으며, 상기 서브 립이 상기 메인 립의 헤드부보다 폭이 좁은 것이다.
본 발명에 따른 연료 전지의 밀봉 구조에 의하면, 막-전극 복합체가, 제 1 개스킷의 메인 립의 헤드부와 제 2 개스킷의 플랫 시일부 및 서브 립과의 사이에 끼워지는 것으로, 막-전극 복합체에 대한 제 2 개스킷의 플랫 시일부의 접촉 면압이 서브 립에 의해 보상되며, 게다가 제 1 개스킷에서의 메인 립의 헤드부의 폭이, 제 2 개스킷의 플랫 시일부의 폭보다 좁아짐으로써 막-전극 복합체에 대한 소요의 접촉 면압이 확보되는 동시에, 이 메인 립의 헤드부의 폭이, 상정되는 최대 오프셋량보다 넓기 때문에, 조립 정밀도에 따른 오프셋이 발생하더라도, 막-전극 복합체를 제 1 개스킷의 메인 립의 헤드부와 제 2 개스킷의 플랫 시일부 및 서브 립에 의해 사이에 끼울 수 있다.
또한, 청구항 2의 발명에 따른 연료 전지의 밀봉 구조는, 청구항 1에 기재된 구성에 있어서, 메인 립의 헤드부의 폭 방향 양단에 각각 제 2 서브 립을 가지는 것이다.
청구항 2의 구성에 의하면, 오프셋이 커짐으로써, 제 2 개스킷의 서브 립이 제 1 개스킷의 메인 립의 헤드부에서의 폭 방향 단부와 대향되어도, 막-전극 복합체는, 상기 서브 립과, 상기 메인 립의 헤드부에서의 폭 방향 단부에 형성된 제 2 서브 립에 의해 사이에 끼워지므로, 충분한 접촉 면압이 확보된다.
본 발명에 따른 연료 전지의 밀봉 구조에 의하면, 막-전극 복합체가, 제 1 개스킷의 메인 립과 제 2 개스킷의 플랫 시일부 및 서브 립과의 사이에 끼워지므로 소요의 접촉 면압이 확보되며, 이 때문에 개스킷의 폭을 크게 할 필요도 없고, 게다가 조립 정밀도에 따른 오프셋이 발생하더라도, 안정된 밀봉 성능을 얻을 수 있는 동시에, 발전 영역의 발전 성능을 안정시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 바람직한 제 1 실시형태에 따른 연료 전지의 밀봉 구조를, 분리 상태로 도시하는 부분 단면도이다.
도 2는 제 1 실시형태에 있어서, 오프셋이 발생한 상태를 분리 상태로 도시하는 부분 단면도이다.
도 3은 제 1 실시형태에 있어서, 메인 립의 헤드부의 폭을 도 1에 도시하는 예보다 작게 한 예를, 분리 상태로 도시하는 부분 단면도이다.
도 4는 본 발명의 바람직한 제 2 실시형태에 따른 연료 전지의 밀봉 구조를, 분리 상태로 도시하는 부분 단면도이다.
도 5는 막-전극 복합체에 대한 개스킷의 접촉 면압을 측정한 결과를 도시하는 선도(線圖)이다.
도 6은 도 5의 선도에서의 실시예에 따른 개스킷의 접촉 면압의 측정 부위를 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 도 5의 선도에서의 비교예에 따른 개스킷의 접촉 면압의 측정 부위를 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 종래 기술에 따른 연료 전지의 밀봉 구조를, 분리 상태로 도시하는 부분 단면도이다.
도 9는 다른 종래 기술에 따른 연료 전지의 밀봉 구조를, 분리 상태로 도시하는 부분 단면도이다.
도 10은 다른 종래 기술에 따른 연료 전지의 밀봉 구조를, 분리 상태로 도시하는 부분 단면도이다.
이하, 본 발명에 따른 연료 전지의 밀봉 구조를, 도면을 참조하면서 설명한다. 도 1은, 본 발명의 바람직한 제 1 실시형태에 따른 연료 전지의 밀봉 구조를, 분리 상태로 도시하는 부분 단면도이다.
도 1에 있어서, 참조 부호 10은 고분자 전해질막 및 그 양측에 적층 상태로 설치된 촉매 전극층을 구비한 막-전극 복합체이며, 이 막-전극 복합체(10)의 양측에 각각 세퍼레이터(20A, 20B)가 겹쳐짐으로써, 연료 전지 셀(1)이 구성된다.
막-전극 복합체(10)의 주연부(10a; 周緣部)는, 일방의 세퍼레이터(20A)에 일체적으로 설치된 고무상 탄성 재료(고무 또는 고무상 탄성을 가지는 합성 수지 재료)로 이루어진 제 1 개스킷(30)과, 타방의 세퍼레이터(20B)에 일체적으로 설치된 고무상 탄성 재료로 이루어진 제 2 개스킷(40) 사이에 끼워짐으로써, 연료 가스(수소)나 산화 가스, 그 전기 화학 반응에 의해 생성되어 배출되는 물이나 잉여의 산화 가스, 냉매 등이, 각각의 유로로부터 누출되지 않도록 밀봉되게 되어 있다.
제 1 개스킷(30)은, 일방의 세퍼레이터(20A)에 형성된 홈(21) 내에 일체로 접합된 베이스부(31; 基部)와, 이 베이스부(31)로부터 융기한 뱅크 형상의 메인 립(32)으로 이루어지며, 막-전극 복합체(10)에 밀착접촉되는 메인 립(32)의 헤드부(32a)는 플랫(flat)하게 형성되어 있다. 한편, 제 2 개스킷(40)은, 타방의 세퍼레이터(20B)에 형성된 홈(22) 내에 일체로 접합된 베이스부(41)와, 이 베이스부(41)로부터 융기한 플랫 시일부(42)와, 또한 이 플랫 시일부(42)에 융기 형성된 서브 립(43)을 가지는 것이다.
제 1 개스킷(30)에서의 메인 립(32)의 헤드부(32a)는, 막-전극 복합체(10)에 밀착접촉되는 것으로, 그 폭(w1)은 상정되는 최대 오프셋량보다 넓고, 제 2 개스킷(40)에서의 플랫 시일부(42)의 폭(w2)보다 좁은 것으로 되어 있다. 또한, 플랫 시일부(42)에 형성된 서브 립(43)은, 막-전극 복합체(10)와의 접촉 면압을 국부적으로 높이는 부분으로서 메인 립(32)의 헤드부(32a)와의 대향 위치에 형성되며, 그 폭(w3)이 메인 립(32)의 헤드부(32a)의 폭(w1)보다 좁은 것으로 되어 있다.
상기 구성에 있어서, 연료 전지 셀(1)을 다수 적층하며, 도시하지 않은 볼트·너트로 체결고정하여 연료 전지 스택(stack)으로서 조립한 상태에서는, 막-전극 복합체(10)의 주연부(10a)가, 제 1 개스킷(30)의 메인 립(32)과 제 2 개스킷(40)의 플랫 시일부(42) 사이에 끼워진다.
그리고, 제 1 개스킷(30)의 메인 립(32)은, 막-전극 복합체(10)에 밀착접촉되는 헤드부(32a)의 폭(w1)이 제 2 개스킷(40)의 플랫 시일부(42)의 폭(w2)보다 충분히 좁기 때문에, 막-전극 복합체(10)에 대한 충분한 접촉 면압이 확보된다. 한편, 막-전극 복합체(10)에 대한 제 2 개스킷(40)의 플랫 시일부(42)의 접촉 면압은, 서브 립(43)에 의해 국부적으로 커진다. 이 때문에, 제 1 개스킷(30)과 제 2 개스킷(40)에 의한 양호한 밀봉성을 얻을 수 있다.
여기서, 도 2에 도시한 바와 같이, 세퍼레이터(20A)와 세퍼레이터(20B), 다시 말해 제 1 개스킷(30)과 제 2 개스킷(40)에, 조립 정밀도에 따른 근소한 오프셋(δ)(메인 립(32)의 헤드부(32a)의 폭 방향 중심과 플랫 시일부(42)의 서브 립(43)의 폭 방향 중심간의 어긋남으로서 나타냄)이 있었다고 하더라도, 막-전극 복합체(10)에 대한 메인 립(32)의 헤드부(32a)의 밀착접촉 영역은 그보다 폭이 넓은 플랫 시일부(42)와 대향하는 동시에, 이 플랫 시일부(42)에 융기 형성된 서브 립(43)이 메인 립(32)의 헤드부(32a)와 대향하게 된다. 이는, 메인 립(32)의 헤드부(32a)의 폭(w1)이, 상정되는 최대 오프셋량보다 넓은 것으로 되어 있기 때문이다.
따라서, 오프셋(δ)이 있더라도, 막-전극 복합체(10)가 제 1 개스킷(30)의 메인 립(32)의 헤드부(32a)와 제 2 개스킷(40)의 플랫 시일부(42) 및 서브 립(43)에 의해 사이에 끼워진 상태가 되므로, 막-전극 복합체(10)에 대한 제 1 개스킷(30) 및 제 2 개스킷(40)이 안정된 접촉 면압을 얻을 수 있으며, 그 결과 안정된 밀봉 성능이 확보되는 동시에, 막-전극 복합체(10)에 큰 굽힘 모멘트(bending moment)가 작용하지 않고, 또한 개스킷(30, 40)의 반력이 오프셋(δ)에 따라 크게 변동하지 않으므로, 도 1 및 도 2에서의 좌측에 존재하는 발전 영역(미도시)의 적층 압력에 대한 영향이 적고, 그 결과 안정된 발전 성능도 확보된다.
덧붙여, 상정되는 조립 정밀도에 따른 최대 오프셋량이 작은 경우에는, 그에 따라, 도 3에 도시한 바와 같이 제 1 개스킷(30)에서의 메인 립(32)의 헤드부(32a)의 폭(w1)을 좁게 할 수 있으므로, 막-전극 복합체(10)에 대한 메인 립(32)의 접촉 면압을 높일 수 있다.
다음으로, 도 4는, 본 발명의 바람직한 제 2 실시형태에 따른 연료 전지의 밀봉 구조를, 분리 상태로 도시하는 부분 단면도이다.
이 제 2 실시형태에 있어서, 상술한 제 1 실시형태와 상이한 점은, 제 1 개스킷(30)에서의 메인 립(32)의 헤드부(32a)의 폭 방향 양단에 각각 제 2 서브 립(33)을 가지는 점에 있다.
이러한 구성으로 하면, 막-전극 복합체(10)에 대한 접촉 면압의 국대부(局大部)가 서브 립(43)과 제 2 서브 립(33, 33)에 의해 복수 부분에 형성되므로, 한층 양호한 밀봉성을 얻을 수 있다.
게다가, 조립 정밀도에 따른 오프셋이 커짐으로써, 제 2 개스킷(40)의 서브 립(43)이 제 1 개스킷(30)의 메인 립(32)의 헤드부(32a)에서의 폭 방향 단부와의 대향 위치까지 어긋나더라도, 막-전극 복합체(10)는 서브 립(43)과 제 2 서브 립(33)에 의해 사이에 끼워지므로, 충분한 접촉 면압이 확보된다.
도 5는, 막-전극 복합체에 대한 개스킷의 접촉 면압을 측정한 결과를, 실시예와 비교예로 비교하여 도시하는 선도이다. 이 중 실시예로서는, 도 6에 도시한 바와 같이, 제 1 실시형태로서 앞에서 설명한 도 1과 동일한 것을 이용하여, 서브 립(43)과 대향하는 부분에서의 막-전극 복합체(10)와 제 1 개스킷(30)의 메인 립(32)의 접촉 면압(A), 및 막-전극 복합체(10)와 서브 립(43)의 접촉 면압(B)을 측정하였다. 또한, 비교예로서는, 도 7에 도시한 바와 같이, 종래 기술로서 앞에서 설명한 도 10과 동일한 것을 이용하여, 막-전극 복합체(10)와 시일 돌조(151)의 헤드부의 접촉 면압(C), 및 시일 돌조(151)의 헤드부와 대향하는 부분에서의 막-전극 복합체(10)와 플랫 시일부(152)의 접촉 면압(D)을 측정하였다.
이 측정 결과로부터, 비교예에서는, 시일 돌조(151)에 의한 C부의 접촉 면압과 플랫 시일부(152)에 의한 D부의 접촉 면압의 차이가 큰데 비해, 본 발명의 실시예에서는, 메인 립(32)에 의한 A부의 접촉 면압과 서브 립(43)에 의한 B부의 접촉 면압의 차이가 작고, 게다가 A부 및 B부의 접촉 면압이, 모두 비교예에서의 플랫 시일부(152)의 접촉 면압(D)보다 높아지는 것이 확인되었다. 따라서, 본 발명의 실시예에 의하면, A부와 B부의 접촉 면압의 차이가 작기 때문에 막-전극 복합체(10)의 굽힘 변형(bending deformation)이 억제되며, 게다가 막-전극 복합체(10)에 대한 충분하고, 또한 안정된 접촉 면압에 의해, 안정된 밀봉 성능을 확보할 수 있음을 알 수 있다.
1 : 연료 전지 셀
10 : 막-전극 복합체
20A, 20B : 세퍼레이터
21, 22 : 홈
30 : 제 1 개스킷
32 : 메인 립
32a : 헤드부
33 : 제 2 서브 립
40 : 제 2 개스킷
42 : 플랫 시일부
43 : 서브 립

Claims (2)

  1. 막-전극 복합체를, 그 두께 방향 일측(一側)에 배치된 세퍼레이터에 일체적으로 설치된 고무상(狀) 탄성 재료로 이루어진 제 1 개스킷과, 두께 방향 타측(他側)에 배치된 세퍼레이터에 일체적으로 설치된 고무상 탄성 재료로 이루어진 제 2 개스킷에 의해 사이에 끼우는 밀봉 구조로서, 상기 제 1 개스킷은 상기 막-전극 복합체에 밀착접촉되는 헤드부(top portion)가 플랫(flat)하게 형성된 메인 립(main lip)을 가지며, 상기 제 2 개스킷은 상기 막-전극 복합체에 밀착접촉되는 플랫 시일부(flat sealing portion)와, 이 플랫 시일부에서의 상기 메인 립과의 대향 위치에 융기(隆起) 형성된 서브 립(sub lip)을 가지고, 상기 메인 립의 헤드부의 폭이 상기 플랫 시일부의 폭보다 좁으며, 상기 서브 립이 상기 메인 립의 헤드부보다 폭이 좁은 것을 특징으로 하는 연료 전지의 밀봉 구조.
  2. 제 1 항에 있어서,
    메인 립의 헤드부의 폭 방향 양단(兩端)에 각각 제 2 서브 립을 가지는 것을 특징으로 하는 연료 전지의 밀봉 구조.
KR1020117026592A 2009-05-19 2010-04-27 연료 전지의 밀봉 구조 KR101711034B1 (ko)

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