KR101745024B1

KR101745024B1 - 향상된 기밀구조를 갖는 분리판의 가스켓 구조

Info

Publication number: KR101745024B1
Application number: KR1020110145373A
Authority: KR
Inventors: 진상문; 양유창
Original assignee: 현대자동차주식회사; 기아자동차주식회사
Priority date: 2011-12-29
Filing date: 2011-12-29
Publication date: 2017-06-09
Also published as: KR20130076938A; CN103187578B; US9590256B2; CN103187578A; US20130171543A1

Abstract

본 발명은 향상된 기밀구조를 갖는 분리판의 가스켓 구조에 대한 것으로서, 더욱 상세하게는 연료전지용 분리판의 반응면 및 냉각면의 다른 선상에서 각각 상기 분리판의 너비방향으로 형성된 제1, 제2 메인라인과, 양표면에서 각각 상기 분리판의 길이방향으로 일정 간격마다 형성된 복수 개의 서브라인이 일체로 반응기체 및 냉각수의 입출구를 이루는 가스켓 구조에 있어서, 상기 제1, 제2 메인라인 상에는 복수 개의 빈 공간이 균등한 크기로 형성됨으로써, 분리판의 미세한 변형 또는 가스켓 버(burr)없이 설계자가 원하는 형상대로 정확한 위치에 가스켓을 형성시킬 수 있고, 이러한 가스켓을 갖는 분리판을 포함하여 제작된 연료전지는 박리 혹은 팽창문제없이 보다 오랜 시간 동안 사용할 수 있으며, 성능 및 내구성이 향상된다는 장점이 있다.

Description

향상된 기밀구조를 갖는 분리판의 가스켓 구조 {Gasket structure of fuel cell separator having improved air thightness}

본 발명은 향상된 기밀구조를 갖는 분리판의 가스켓 구조으로서, 더욱 상세하게는 연료전지용 분리판에 일체로 형성되는 가스켓 상에 빈 공간을 형성하여, 가스켓 버(burr)없이 분리판의 각 유로에 대한 기밀성을 향상시킴과 동시에 각 유로에 대한 유체 흐름이 원활하게 이루어지는 분리판의 가스켓 구조에 관한 것이다.

일반적으로 금속 박판을 스템핑 등의 성형공법을 통해 제작되는 금속분리판은 기계가공 또는 분말 성형공법을 통해 제작되는 흑연 분리판에 비해 제작 시간 및 비용을 현저하게 저감시킬 수 있다는 장점이 있다. 다수의 금속분리판이 직렬로 적층되어 제작된 연료전지에서 각 금속분리판 사이에는 가스켓이 배치되고, 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.

이러한 기밀 유지용 가스켓을 갖는 연료전지용 분리판과 관련하여 본 발명의 출원인은 종래에 한국공개특허 제10-2011-0015924호의 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 매니폴드간의 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 도 1a 및 도 1b에 각각 도시된 종래 분리판의 반응면 측과, 냉각면 측에 일체로 형성된 가스켓 구조를 살펴보면, 다음과 같다.

도 1a에 도시된 분리판의 반응면(10)은 연료전지 반응이 일어나는 부분으로서, 수소, 냉각수, 공기의 통로가 되는 매니폴드(20, 22, 24)가 위치하게 되고, 반응면(10) 측에서는 반응 기체나 냉각 유체의 이동을 차단하도록 반응면 측 메인라인(30a)이 사출 성형으로 형성된다. 이러한 메인라인(30a)으로부터 복수 개의 서브라인(32a)이 도 1a와 같이 일정 거리마다 나란히 형성되어 있다. 덧붙여, 후술할 냉각면(12) 측으로부터 유입된 수소가 수소 통과홀(40)을 통해 반응면(10) 측으로 이동하게 된다.

또한, 도 1b에 도시된 분리판의 냉각면(12)은 화학반응에 의해 발생된 반응열을 제거하기 위한 부분으로서, 수소, 냉각수, 공기의 통로가 되는 매니폴드(20, 22, 24)가 위치하게 되고, 냉각면(12) 측에서는 공기의 이동은 차단되지만, 냉각 유체 및 수소는 유입되도록 냉각면 측 메인라인(30b)이 사출 성형으로 형성된다. 이러한 메인라인(30b)으로부터 복수 개의 서브라인(32b)이 도 1b와 같이 일정 거리마다 나란히 형성되어 있다. 덧붙여, 냉각면(12) 측에서 유입된 수소가 수소 통과홀(40)을 통해 상술한 반응면(10) 측으로 이동하게 된다.

그 외에 냉각수, 수소, 공기의 유로에서의 흐름과, 분리판의 기타 구성 등에 대한 상세한 설명은 생략한다.

이와 같이 종래의 사출 성형 방식으로 제작된 가스켓은 금속분리판과의 관계에서 기밀구조를 형성하는 데에 많은 제약조건이 따른다는 문제점이 있었는데, 도 2a 및 도 2b를 참고하여 위 문제점에 대해 설명한다. 도 2a는 종래 분리판에 일체로 형성된 가스켓 구조를 동시에 나타낸 평면도이고, 도 2b는 도 2a의 A-A선에 따라 형성된 가스켓을 제조하기 위한 금형의 단면도이다.

도 2a에서 실선으로 표시된 가스켓은 반응면 측 메인라인(30a)과 서브라인(32a)이고, 점선으로 표시된 가스켓은 분리판의 반대면인 냉각면 측 메인라인(30b)과 서브라인(32b)이다. 이때, 반응면 측 가스켓(30a, 32a)과 냉각면 측 가스켓(30b, 32b)이 설치되는 영역 중에는, 가스켓이 서로 동일선상에 존재하지 않는 영역(50, 54)과, 동일선상에 존재하는 영역(52)이 있다.

이 영역들에 대한 단면 중에 가스켓이 동일선상에 존재하는 영역(52)인 냉각 유체의 입출구 영역은 도 2b의 위쪽 그림처럼 분리판을 기준으로 배치되는 상금형(60a), 하금형(60b)에 의해 제작되고, 양 금형에 실질적으로 균등한 사출압 P1, P2이 작용함에 따라 가스켓 사출에 큰 문제가 생기지 않는다.

다만, 가스켓이 동일선상에 존재하지 않는 영역(50, 54)인 반응기체의 입출구 영역은 도 2b의 아래 그림처럼 분리판을 기준으로 배치되는 상금형(60a'), 하금형(60b')에 의해 제작되는데, 제작되는 가스켓의 형상 차이에 따른 양 금형의 음각 구조 차이로 인해 사출압 P1'의 크기가 사출압 P2'의 크기보다 커지게 된다. 이와 같이 국부적인 사출압이 불균등하게 작용하게 되어, 도 2b의 아래 그림에 표시된 화살표 방향으로 가해지는 압력은 분리판의 미세한 변형 및 형성된 가스켓의 버(burr)를 야기한다.

분리판의 변형 및 가스켓 버(burr)의 발생은 연료전지 스택 체결시에 반응기체의 입출구 부근이 균일하게 압축되지 못한다는 것을 의미하고, 상당량의 연료전지 스택에서 기밀 불량이 발생할 수 있다. 아울러, 반응 기체의 입출구 영역에 생기는 가스켓 버(burr)는 가스켓을 연료전지 운전으로 인해 조성되는 고온 다습한 환경에 노출시킨다는 것을 의미한다. 가스켓은 고분자 재료 등으로 이루어져 온도와 수분에 취약하므로, 종래의 방식으로 실제 제작된 가스켓을 갖는 분리판의 변화를 보여주는 도 3에 나타낸 것처럼 가스켓이 쉽게 분리판 표면으로부터 박리/팽창된다. 결국 반응 기체의 흐름을 방해할 뿐만 아니라 물 배출 능력도 저하시켜 연료전지의 급격한 성능 저하 및 내구성 저하의 원인이 된다.

따라서, 종래 방식으로 제작한 가스켓을 금속분리판의 표면에 일체로 형성시킨 경우 특히, 사출성형을 통해 형성시킨 경우, 분리판의 미세한 변형이나 가스켓의 버(burr) 현상이 발생하여 문제로 대두되고 있는 실정이다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 개선하기 위해서, 연료전지용 분리판 중에서 기밀구조를 요하는 부위에 최초로 도입한 가스켓 구조를 일체로 형성시켜, 분리판의 미세한 변형이나 가스켓의 버(burr) 현상이 일어나지 않도록 하여 기밀성을 향상시킴과 동시에 각 유로에 대한 원활한 유체 흐름이 이루어지는 향상된 기밀구조를 갖는 분리판의 가스켓 구조를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기와 같은 향상된 기밀구조를 갖는 분리판의 가스켓 구조는, 연료전지용 분리판의 반응면 및 냉각면의 다른 선상에서 각각 상기 분리판의 너비방향으로 형성된 제1, 제2 메인라인과, 양표면에서 각각 상기 분리판의 길이방향으로 일정 간격마다 형성된 복수 개의 서브라인이 일체로 반응기체 및 냉각수의 입출구를 이루는 가스켓 구조에 있어서, 상기 제1, 제2 메인라인 상에는 복수 개의 빈 공간이 균등한 크기로 형성된 것을 특징으로 구성된다.

이때, 상기 빈 공간은 상기 반응면 측 제1 메인라인 제작을 위한 상금형 및 상기 냉각면 측 제2 메인라인 제작을 위한 하금형에 각각 배치된 지지핀에 의해 형성되는 것을 특징으로 구성될 수 있다.

바람직하게는, 상기 지지핀은 상기 반응면 측 제1 메인라인 제작을 위한 상금형에 가해지는 사출압과, 상기 냉각면 측 제2 메인라인 제작을 위한 하금형에 가해지는 사출압 중에서 낮은 사출압이 가해지는 영역에 배치되는 것을 특징으로 구성될 수 있다.

바람직하게는, 상기 지지핀은 상기 반응면 측 제1 메인라인 제작을 위한 상금형 및 상기 냉각면 측 제2 메인라인 제작을 위한 하금형의 음각 구조가 서로 상이한 영역에 배치되는 것을 특징으로 구성될 수 있다.

가장 바람직하게는, 상기 빈 공간은 상기 제1, 제2 메인라인과 상기 서브라인의 교차지점마다 형성되는 것을 특징으로 구성될 수 있다.

상기와 같은 본 발명에 따른 향상된 기밀구조를 갖는 분리판의 가스켓 구조에서 반응면 및 냉각면에 각각 일체로 형성되는 제1, 제2 메인라인 상에 복수 개의 균등한 크기로 빈 공간을 형성함으로써, 분리판의 미세한 변형 또는 가스켓 버(burr)없이 설계자가 원하는 형상대로 정확한 위치에 가스켓을 형성시킬 수 있고, 이러한 가스켓을 갖는 분리판을 포함하여 제작된 연료전지는 전체적으로 성능 및 내구성이 향상된다는 장점이 있다.

또한, 본 발명에서 금형을 이용한 사출성형을 통해 가스켓을 분리판의 양표면에 일체로 형성시키는 경우, 금형 간의 음각 구조 차이 또는 가해지는 사출압 차이로 인해 발생하는 사출 불량 또는 가스켓 버(burr) 문제를 지지핀을 통해 해결함으로써, 향상된 기밀구조를 갖는 분리판의 가스켓 제작이 가능해진다.

덧붙여, 오랜 시간 사용한 후에도 향상된 기밀성 및 사출성능을 갖는 가스켓이 분리판으로부터 박리되거나 팽창되는 불량 문제가 발생하지 않아 사용 수명을 증가시키고 비용 절감 효과도 얻을 수 있다는 장점도 있다.

도 1a는 종래 분리판의 반응면 측에 일체로 형성된 가스켓 구조를, 도 1b는 종래 분리판의 냉각면 측에 일체로 형성된 가스켓 구조를 나타낸 평면도이고,
도 2a는 종래 분리판에 일체로 형성된 가스켓 구조를 동시에 나타낸 평면도이고,
도 2b는 도 2a의 A-A선에 따라 형성된 가스켓을 제조하기 위한 금형의 단면도이고,
도 3은 종래의 방식으로 실제 제작된 가스켓을 갖는 분리판이 변화하는 모습을 보여주는 도면이고,
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 일실시예에 따른 향상된 기밀구조를 갖는 분리판의 가스켓 구조로서, 도 4a는 분리판의 반응면 측과 일체로 형성된 가스켓 구조를, 도 4b는 분리판의 냉각면 측에 일체로 형성된 가스켓 구조를 나타낸 평면도이고,
도 4c는 도 4a 및 도 4b의 가스켓 구조를 제조하기 위한 금형의 단면도이고,
도 5a는 본 발명에 따른 향상된 기밀구조를 갖는 분리판의 가스켓 구조에 형성되는 빈 공간의 위치에 따른 가스켓 성능 차이를 비교하기 위한 실험예로서, 각 실험예에서 형성된 가스켓 구조를 동시에 나타낸 평면도이고,
도 5b는 도 5a의 B-B선을 따라 각 실험예에서 형성된 가스켓 구조를 제조하기 위한 금형의 단면도이고,
도 6은 종래의 방식으로 실제 제작된 가스켓을 갖는 분리판 및 도 5b의 각 실험예에서의 금형을 사용하여 실제 제작된 가스켓을 갖는 분리판의 일부를 나타낸 평면도이며,
도 7은 도 6에 도시된 각 가스켓을 갖는 분리판의 반응기체 유로에서 기체 압력에 따른 누설량을 나타낸 그래프이다.

이하, 본 발명을 첨부도면을 참조로 보다 상세하게 설명하기로 한다. 본 명세서 및 특허청구범위에 사용된 용어나 단어는 발명자가 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 한다.

도 4a 및 도 4b는 본 발명의 일실시예에 따른 향상된 기밀구조를 갖는 분리판의 가스켓 구조로서, 도 4a는 분리판의 반응면 측과 일체로 형성된 가스켓 구조를, 도 4b는 분리판의 냉각면 측에 일체로 형성된 가스켓 구조를 나타낸 평면도이고, 도 4c는 도 4a 및 도 4b의 가스켓 구조를 제조하기 위한 금형의 단면도이다.

본 발명의 일실시예에 따른 향상된 기밀구조를 갖는 분리판의 가스켓 구조는, 연료전지용 분리판의 반응면(110) 및 냉각면(112)의 다른 선상에서 각각 분리판의 너비방향으로 형성된 제1, 제2 메인라인(130a, 130b)과, 양표면에서 각각 분리판의 길이방향으로 일정 간격마다 형성된 복수 개의 서브라인(132a, 132b)이 일체로 반응기체 및 냉각수의 입출구를 이루는 가스켓 구조에 있어서, 위 제1, 제2 메인라인(130a, 130b) 상에는 복수 개의 빈 공간(210)이 균등한 크기로 형성된 것을 주된 특징으로 구성된다.

도 4a 및 도 4b에 도시된 것은 본 발명에 따른 분리판의 반응면(110) 및 냉각면(112) 측에 각각 일체로 형성된 가스켓 구조로서, 분리판의 양면에는 공기 매니폴드(120), 냉각수 매니폴드(122) 및 수소 매니폴드(124)가 실질적으로 동일한 길이를 가지고 나란히 배치되고, 수소 통과홀(140)을 통해 냉각면(112)에서 반응면(110) 측으로 유입된 수소가 이동할 수 있다.

도 4a의 반응면(110) 측에 도시된 것처럼, 제1 메인라인(130a)이 반응면(110) 측 사방 모서리를 따라 형성된 사이드라인과 연결되면서 수소 매니폴드(120), 공기 매니폴드(124) 및 냉각수 매니폴드(122)의 인접 영역으로 연장됨과 동시에 분리판의 너비방향으로 형성되고, 복수 개의 서브라인(132a)이 제1 메인라인(130a)에서 분리판의 길이방향으로 일정 간격마다 형성됨과 동시에 유로 쪽으로 연장된다.

또한 도 4b의 냉각면(112) 측에 도시된 것처럼, 제2 메인라인(130b)이 냉각면(112) 측 사방 모서리를 따라 형성된 사이드라인과 연결되면서 수소 매니폴드(120), 공기 매니폴드(124) 및 냉각수 매니폴드(122)와 거리를 두고 상술한 제1 메인라인(130a)과 다른 선상으로 연장됨과 동시에 분리판의 너비방향으로 형성되고, 복수 개의 서브라인(132b)이 분리판의 길이방향으로 일정 간격마다 형성됨과 동시에 반응기체의 입출구(150, 154)에서는 제2 메인라인(130a)에서 유로 반대쪽으로 연장되고, 냉각수의 입출구(152)에서는 제2 메인라인(130a)과 분리되어 냉각수 이동을 유도한다.

이와 같이 본 발명의 가스켓 구조는 각 반응기체 유로로 이어지는 반응기체의 입출구(150, 154)와, 냉각수 유로로 이어지는 냉각수의 입출구(152)를 이루면서 기밀구조로 형성되어 각 반응 기체 및 냉각 유체를 유입시키거나 차단하는 역할을 수행할 수 있는데, 이때 상술한 제1, 제2 메인라인(130a, 130b) 상에는 복수 개의 빈 공간(210)이 균등한 크기로 형성된다.

이러한 빈 공간(210)은 제1, 제2 메인라인(130a, 130b)과 복수 개의 서브라인(132a, 132b)의 교차지점마다 형성되는 것이 가장 바람직하고, 이와 관련해서는 후술하기로 한다.

본 발명에서 빈 공간(210)이 균등한 크기로 반응면(110) 측 제1 메인라인(130a) 상에 형성되면서 냉각면(112) 측 제2 메인라인(130b) 상에 형성됨으로써, 기존 방식으로 제작된 분리판의 가스켓 구조에서 발생하였던 분리판의 미세한 변형 또는 가스켓 버(burr) 문제를 해소할 수 있고, 설계자가 원하는 형상대로 정확한 위치에 가스켓을 형성시킬 수 있다.

도 4a 및 도 4b의 가스켓 구조를 제작하기 위한 방식은 다양하지만, 금형을 이용하여 분리판의 양표면에 가스켓을 사출성형하는 방식에 대해 도 4c를 참고하여 설명한다.

본 발명의 가스켓 구조가 금형을 이용한 사출성형으로 제작되는 경우에, 빈 공간(210)은 반응면(110) 측 제1 메인라인(130a) 제작을 위한 상금형(160a) 및 냉각면(112) 측 제2 메인라인(130b) 제작을 위한 하금형(160b)에 각각 배치된 지지핀(220)에 의해 형성되는 것이 바람직하다.

특히, 이러한 지지핀(220)은 반응면(110) 측 제1 메인라인(130a) 제작을 위한 상금형(160a)에 가해지는 사출압(P1")과, 냉각면(112) 측 제2 메인라인(130b) 제작을 위한 하금형(160b)에 가해지는 사출압(P2") 중에서 낮은 사출압이 가해지는 영역에 배치되거나, 제1 메인라인(130a) 제작을 위한 상금형(160a) 및 제2 메인라인(130b) 제작을 위한 하금형(160b)의 음각 구조가 서로 상이한 영역에 배치될 수 있다.

구체적으로, 연료전지용 분리판의 반응면(110) 및 냉각면(112)에 형성된 가스켓 구조에서 제1, 제2 메인라인(130a, 130b)는 서로 다른 선상에 있게 되고, 특히 형성된 가스켓 구조가 동일선상에 존재하지 않는 영역인 반응기체의 입출구 영역(150, 154)에서는 양표면에 제작되는 가스켓의 형상 차이에 따라 양 금형의 음각 구조 차이가 발생하고, 이는 양 금형에 가해지는 사출압 간 차이를 유발할 수 있다. 이러한 사출압 차이 또는 금형 상의 음각 구조 차이는 분리판을 미세하게 변형시키고, 이 변형된 틈새 또는 공간으로 가스켓 소재가 유입됨에 따라 가스켓 버(burr) 문제가 발생할 수 있다.

따라서 지지핀(220)은 양 금형에 가해지는 사출압 간 차이가 발생하기 쉽거나 양 금형 상의 음각 구조 차이가 있는 반응기체의 입출구 영역(150, 154)의 가스켓 제작을 위한 금형에 배치되는 것이 바람직하다. 다시 말하자면, 도 2b의 아래 도면에 도시된 금형처럼 양 금형의 음각 구조가 상이한 영역에 도 4c와 같이 지지핀(220)을 배치하여, 분리판의 반응면(110) 및 냉각면(112) 측에 각각 형성된 가스켓이 동일선상에 있지 않는 영역(150, 154)일지라도 설계자가 원하는 형상대로 정확한 위치에 가스켓을 형성시킬 수 있을 뿐만 아니라, 도 2b의 아래 도면에 도시된 것처럼 가스켓 제작을 위한 양 금형의 사출압(P1', P2') 중 낮은 사출압(P2')이 가해지는 영역에 도 4c와 같이 지지핀(220)을 배치하여, 양 금형에 실질적으로 균등한 사출압(P1", P2")이 가해질 수 있어 분리판 변형을 방지하고, 가스켓 버(burr) 문제도 해결할 수 있다.

지금까지 상술한 지지핀(220)은 상금형(160a) 또는 도 4a에서처럼 하금형(160b)에 배치될 수 있고, 사출압 차이를 조절해야 하는 경우에는 양 금형에 모두 배치될 수도 있으며, 지지핀(220)은 상금형(160a) 및 하금형(160b)의 음각 구조와 일체화되거나 착탈식으로 될 수 있다.

덧붙여, 본 발명에 따른 일실시예인 사출성형 방식하에서 복수 개의 지지핀(220)에 의해 제작된 복수 개의 빈 공간(210)은 도 4a와 도 4b에 도시된 것처럼, 제1, 제2 메인라인(130a, 130b)과 복수 개의 서브라인(132a, 132b)의 교차지점마다 균등한 크기로 형성되는 것이 가장 바람직하고, 이와 관련해서는 후술하기로 한다.
또한, 제1 메인라인(130a) 및 제2 메인라인(130b) 상에서 각 빈 공간(210)이 형성되는 위치는, 상기 분리판의 반응면(110) 및 냉각면(112)에서 제1 메인라인(130a) 및 제2 메인라인(130b)이 형성된 부분 중 분리판 반대면에 서브라인(132a, 132b)이 형성되는 위치로 한다.
이에 대해 좀더 설명하면, 상기 각 지지핀(220)은 빈 공간(210)을 형성하기 위한 것이므로, 상기 각 빈 공간(210)이 형성되는 위치는 도 4c에서 지지핀(220)이 설치된 위치가 된다.
또한, 도 4c의 예에서, 상금형(160a)의 음각 구조는 서브라인(도 4a 및 도 4b의 도면부호 132a 및 132b임)을 형성하기 위한 것이고, 하금형(160b)의 음각 구조는 메인라인(도 4a 및 도 4b의 도면부호 130a, 130b임)을 형성하기 위한 것이다.
결국, 상기 각 빈 공간(210)이 메인라인(130a, 130b) 상에 형성되므로, 지지핀(220)은 메인라인을 형성하기 위한 하금형(160b)의 음각 구조 내에 설치되어야 한다.
또한, 도 4c를 참조하면, 분리판의 한쪽 면에서 메인라인이 형성되는 부분 중, 지지핀(220)에 의해 각 빈 공간이 형성되는 위치는, 분리판의 반대쪽 면에 상금형(160a)의 음각 구조에 의해 서브라인이 형성되는 위치가 된다.
이러한 구조에서는 가스켓의 사출 성형시에 빈 공간을 형성하기 위한 지지핀이 분리판을 지지하게 되므로(도 5b의 Case 2 참조), 결국 도 2b를 참조하여 설명한 종래기술의 문제점이 해결될 수 있다.

이와 같이 본 발명에 따른 향상된 기밀구조를 갖는 분리판의 가스켓 구조에서 제1, 제2 메인라인 상에 기밀구조를 요하는 부위에 복수 개의 빈 공간이 균등한 크기로 형성됨으로써, 월등한 기밀성 및 사출성 성능의 분리판용 가스켓이 제작될 수 있을 뿐만 아니라, 가스켓 라인이 제작자가 원하는 라인을 가지고 원하는 위치에 그대로 형성될 수 있고, 버(burr) 현상 및 분리판의 미세한 변형 현상이 발생하는 것을 미연에 방지할 수 있다.

한편, 본 발명에서 제1, 제2 메인라인 상에 형성되는 빈 공간의 바람직한 위치와 관련하여 도 5a 내지 도 8을 참고하여 종래 방식의 경우와 각 실험예를 적용한 경우를 비교 설명하기로 한다.

도 5a는 본 발명에 따른 향상된 기밀구조를 갖는 분리판의 가스켓 구조에 형성되는 빈 공간의 위치에 따른 가스켓 성능 차이를 비교하기 위한 실험예로서, 각 실험예에서 형성된 가스켓 구조를 동시에 나타낸 평면도이고, 도 5b는 도 5a의 B-B선을 따라 각 실험예에서 형성된 가스켓 구조를 제조하기 위한 금형의 단면도이다.

도 5a에 도시된 것처럼, 제1 실험예에서는 제1, 제2 메인라인(130a, 130b)과 복수 개의 서브라인(132a, 냉각면 측 미도시)에 의해 생기는 교차지점과 다른 교차지점 사이에 빈 공간(210')이 형성되는 가스켓 구조를 이용하였고, 이와 같은 빈 공간(210')이 형성되도록 도 5b에 도시된 것과 같이 하금형 상에 지지핀(220')을 배치하여 사출성형 방식을 통해 가스켓 구조를 제작하였다. 또한, 제2 실험예에서는 제1, 제2 메인라인(130a, 130b)과 복수 개의 서브라인(132a, 냉각면 측 미도시)에 의해 생기는 교차지점에 빈 공간(210")이 형성되는 가스켓 구조를 이용하였고, 이와 같은 빈 공간(210")이 형성되도록 지지핀(220")을 배치하여 사출성형 방식을 통해 가스켓 구조를 제작하였다.

다시 말해 도 5a에서 B-B선의 단면을 살펴보면, 반응면 측에는 도 5b의 상금형에 구비된 음각 구조를 통해 복수 개의 서브라인(132a)이 사출 성형되고, 냉각면 측에는 도 5b의 하금형에 구비된 평판 구조 및 배치된 지지핀(220', 220")을 통해 균등한 크기로 복수 개의 빈 공간(210', 210")을 갖는 제2 메인라인(130b)이 사출 성형된다.

이처럼 제1 실험예, 제2 실험예를 통해 실제로 제작된 가스켓을 갖는 분리판을 도 6에 도시한 것처럼 얻을 수 있다.

도 6에서 우선 가장 위에 도시된 종래의 방식 즉, 지지핀 구조없이 단순한 금형에 의해 실제 제작된 가스켓 구조가 일체로 형성된 분리판의 경우, 메인라인과 서브라인의 교차지점 부근에 면압이 집중되어 교차지점과 다른 교차지점 사이의 기밀성이 상대적으로 떨어진다는 것을 확인할 수 있다. 이를 통해 교차지점이 가스켓의 단위 면적당 변형량이 많고, 그만큼 많은 힘 또는 압력을 받고 있음을 알 수 있다.

도 6의 중간에 도시된 제1 실험예에 적용된 방식으로 실제 제작된 가스켓 구조가 일체로 형성된 분리판의 경우, 메인라인과 서브라인에 의해 생기는 교차지점과 다른 교차지점 사이에 빈 공간이 형성되었으나, 기밀성 측면에서 더욱 열악한 결과를 초래함을 알 수 있다.

도 6에 마지막으로 도시된 제2 실험예에 적용된 방식으로 실제 제작된 가스켓 구조가 일체로 형성된 분리판의 경우, 메인라인과 서브라인에 의해 생기는 교차 지점에 빈 공간이 형성되어, 단위 면적당 변형량을 감소시키고, 기밀성이 종래의 방식 또는 제1 실험예보다 월등하게 향상됨을 확인할 수 있다.

이와 같은 결과는 각 가스켓을 갖는 분리판의 반응 기체 유로에서 기체 압력에 따른 누설량을 나타낸 그래프에서도 확인할 수 있는데, 도 7에 도시된 그래프는 반질소나 헬륨을 가압하면서 위 3가지 경우의 반응 기체 유로에서 누설되는 양을 측정한 것이다. 도 6에서 시각적으로 확인할 수 있는 결과와 같이 종래의 방식을 기준으로 제1 실험예의 경우 더 낮은 압력에서도 쉽게 누설되지만, 제2 실험예의 경우 더 높은 압력에서도 기밀 구조로 유지하고 있음을 수치적으로도 확인할 수 있다.

위 결과를 바탕으로 복수 개의 빈 공간이 제1, 제2 메인라인과 복수 개의 서브라인의 교차지점마다 형성되도록 제작하는 것이 가장 바람직하다는 것을 알 수 있다. 즉, 종래의 방식을 적용한 가스켓을 갖는 분리판에서는 특히, 반응 기체 입출구 주변에 가스켓 버(burr)가 과량 발생하나, 제2 실험예의 방식을 적용한 가스켓을 갖는 분리판에서는 가스켓 버(burr) 현상없이 설계자가 원하는 형상대로 정확한 위치에 사출이 가능하며 뛰어난 기밀 특성을 얻을 수 있다.

따라서 본 발명에 따른 향상된 기밀구조를 갖는 분리판의 가스켓 구조는 제1, 제2 메인라인 상에 빈 공간이 형성되어 있고, 특히, 제1, 제2 메인라인과 복수 개의 서브라인의 교차지점마다 빈 공간이 형성되어 있어서, 가스켓 버(burr)로 인한 기밀 불량 문제를 월등하게 감소시킬 수 있을 뿐만 아니라 사출성형 방식을 통해 제작하는 경우 사출성도 높여 연료전지 전체 성능 및 내구성을 향상시킬 수 있게 된다.

이상으로 본 발명에 따른 특정의 바람직한 실시예에 대해 설명하였다. 그러나, 본 발명이 상술한 실시예로 한정되는 것은 아니며, 상술한 실시예가 본 발명의 원리를 응용한 다양한 실시예의 일부를 나타낸 것에 지나지 않음을 이해하여야 한다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이하의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상의 요지를 벗어남이 없이 얼마든지 다양하게 변경 실시할 수 있을 것이다.

110 : 반응면 112 : 냉각면
120 : 공기 매니폴드 122 : 냉각수 매니폴드
124 : 수소 매니폴드 130a : 제1 메인라인
130b : 제2 메인라인 132a : 반응면 측 서브라인
132b : 냉각면 측 서브라인 140 : 수소 통과홀
150 : 공기의 입출구 영역 152 : 냉각수의 입출구 영역
154 : 수소의 입출구 영역 160a, 160b : 상, 하금형
210 : 빈 공간 220 : 지지핀

Claims

연료전지용 분리판의 반응면 및 냉각면의 다른 선상에서 각각 상기 분리판의 너비방향으로 형성된 제1 메인라인 및 제2 메인라인과, 상기 분리판의 양 표면에서 각각 분리판의 길이방향으로 형성되고 일정 간격으로 배치되는 복수 개의 서브라인이 일체로 반응기체 및 냉각수의 입출구를 이루는 가스켓 구조에 있어서,
상기 제1 메인라인 및 제2 메인라인 상에는 복수 개의 빈 공간이 균등한 크기로 형성되고,
상기 제1 메인라인 및 제2 메인라인 상에서 각 빈 공간이 형성된 위치는,
상기 분리판의 반응면 및 냉각면에서 제1 메인라인 및 제2 메인라인이 형성된 부분 중 분리판 반대면에 서브라인이 형성되어 있는 위치인 것을 특징으로 하는 향상된 기밀구조를 갖는 분리판의 가스켓 구조.
청구항 1에 있어서, 상기 빈 공간은 상기 반응면 측 제1 메인라인 제작을 위한 상금형 및 상기 냉각면 측 제2 메인라인 제작을 위한 하금형에 각각 배치된 지지핀에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 향상된 기밀구조를 갖는 분리판의 가스켓 구조.
청구항 2에 있어서, 상기 지지핀은 상기 반응면 측 제1 메인라인 제작을 위한 상금형에 가해지는 사출압과, 상기 냉각면 측 제2 메인라인 제작을 위한 하금형에 가해지는 사출압 중에서 낮은 사출압이 가해지는 영역에 배치되는 것을 특징으로 하는 향상된 기밀구조를 갖는 분리판의 가스켓 구조.
청구항 2에 있어서, 상기 지지핀은 상기 반응면 측 제1 메인라인 제작을 위한 상금형 및 상기 냉각면 측 제2 메인라인 제작을 위한 하금형의 음각 구조가 서로 상이한 영역에 배치되는 것을 특징으로 하는 향상된 기밀구조를 갖는 분리판의 가스켓 구조.
청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 빈 공간은 상기 제1, 제2 메인라인과 상기 서브라인의 교차지점마다 형성되는 것을 특징으로 하는 향상된 기밀구조를 갖는 분리판의 가스켓 구조.