KR101846633B1 - 연료전지 스택 - Google Patents

Abstract

가스켓 제작 공정 상에 동반되는 버(burr) 발생을 억제할 수 있는 가스켓 구조를 갖는 연료전지 스택이 개시된다. 상기 연료전지 스택은, 가스켓; 및 상기 가스켓이 배치된 양면을 가지며, 상기 가스켓이 배치된 영역의 주변에 상기 양면 중 일면에서 타면 방향으로 돌출되어 상기 일면에 형성된 오목부와 상기 타면에 형성된 돌출부를 각각 갖는 복수의 요철부가 형성된 금속 분리판을 포함한다.

Description

연료전지 스택{FUEL CELL STACK}

본 발명은 연료전지 스택에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 가스켓 제작 공정 상에 동반되는 버(burr) 발생을 억제할 수 있는 가스켓 구조를 갖는 연료전지 스택에 관한 것이다.

일반적으로 연료전지 스택은 기밀 유지용 가스켓이 형성된 분리판을 포함한다. 도 1은 종래의 연료전지 스택을 도시한 평면도이다.

도 1에 도시한 바와 같이, 종래의 연료전지 스택은 가스켓(10)과 가스켓(10)이 일면 및 타면에 배치되는 금속 분리판(12)을 포함한다. 특히, 종래의 연료전지 스택에서 기밀 유지를 위해 사용되는 가스켓(10)은 매니폴드(16-18) 사이 및 금속 분리판(12) 전반의 기밀 유지에 적용되는 제1 가스켓 라인(10a)과 매니폴드(16-18)에서 유입되는 기체나 냉각수를 가이드하고 타 금속 분리판과의 적층 시 지지 역할을 하기 위한 제2 가스켓 라인(10b)을 포함한다. 제2 가스켓 라인(10b, 이하 가스켓 지지부 또는 지지부라고도 함)은 제2 가스켓 라인(10b)은 제1 가스켓 라인(10a)로부터 일정 방향으로 복수 개 연장된 형태를 갖는다.

한편, 가스켓(10)은 금속 분리판(12)에 사출 성형 공정을 통해 형성되는 것으로, 전술한 것과 같은 복수 개로 연장된 다수의 지지부(10b)를 형성하는 과정에서 사출 버(burr)가 발생하게 된다. 이러한 버는 분리판 변형으로 기밀성을 저하하고 반응 기체 유동 저하로 스택 출력을 저하시키는 원인이 된다. 종래에는 이러한 버를 수작업을 통해 일일이 제거하였으나 미세한 버까지 모두 제거하는 데는 한계가 있었다.

또한, 전술한 바와 같이, 종래에는 버 제거를 위해 수작업 공정이 요구되므로 양산성이 저하되고 수작업에 따른 불량률이 증가하는 문제가 있었다.

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

한국공개특허공보 제10-2011-0015924호(2011.02.17.)

이에 본 발명은 가스켓 제작 공정 상에 동반되는 버(burr) 발생을 억제할 수 있는 가스켓 구조를 갖는 연료전지 스택을 제공하는 것을 해결하고자 하는 기술적 과제로 한다.

상기 기술적 과제를 해결하기 위한 수단으로서 본 발명은,

가스켓; 및

상기 가스켓이 배치된 양면을 가지며, 상기 가스켓이 배치된 영역의 주변에 상기 양면 중 일면에서 타면 방향으로 돌출되어 상기 일면에 형성된 오목부와 상기 타면에 형성된 돌출부를 각각 갖는 복수의 요철부가 형성된 금속 분리판;

을 포함하는 연료전지 스택을 제공한다.

본 발명의 일 실시형태에서, 상기 금속 분리판은 기체 매니폴드와 반응면 사이에 그 양면을 관통하도록 형성된 복수의 기체 유입구를 포함하며, 상기 복수의 요철부는 상기 기체 유입구의 주변에 형성될 수 있다.

본 발명의 일 실시형태에서, 상기 복수의 요철부는, 상기 기체 매니폴드와 상기 반응면 사이의 영역 또는 상기 기체 매니폴드와 상기 기체 유입구 사이의 영역에, 상기 기체 매니폴드로부터 동일 거리가 이격되도록 일정 간격으로 형성될 수 있다.

본 발명의 일 실시형태에서, 상기 복수의 요철부는 상기 기체 유입구와 상기 매니폴드 사이의 최단 거리를 형성하는 직선 상에 배치되지 않을 수 있다.

본 발명의 일 실시형태에서, 상기 요철부의 오목부가 형성된 영역에는, 상기 오목부가 형성하는 공간을 채우는 형태로 상기 가스켓의 일부분이 배치될 수 있다.

본 발명의 일 실시형태에서, 상기 가스켓은 상기 금속 분리판 일면에서 매니폴드와 반응면 또는 상기 매니폴드와 냉각면 사이에 배치되는 제1 가스켓 라인을 포함하며, 상기 제1 가스켓 라인은 상기 매니폴드가 배치된 방향과 나란하게 일자형태를 가질 수 있다.

본 발명의 일 실시형태에서, 상기 금속 분리판은 그 양면을 관통하도록 형성된 복수의 기체 유입구를 포함하며, 상기 복수의 기체 유입구는 상기 제1 가스켓 라인이 배치된 방향과 나란하게 일정 간격으로 형성될 수 있다.

본 발명의 일 실시형태에서, 상기 복수의 요철부는, 상기 매니폴드와 상기 제1 가스켓 라인 사이의 영역 또는 상기 제1 가스켓 라인과 반응면 또는 냉각면 사이의 영역에 상기 제1 가스켓 라인으로부터 동일 거리가 이격되도록 일정 간격으로 형성될 수 있다.

본 발명의 일 실시형태에서, 상기 복수의 요철부는 상기 기체 유입구와 상기 매니폴드 사이의 최단 거리를 형성하는 직선 상에 배치되지 않을 수 있다.

본 발명의 일 실시형태에서, 상기 요철부의 폭은 상기 가스켓의 폭 보다 작게 형성될 수 있다.

상술한 바와 같은 과제 해결 수단을 갖는 연료전지 스택에 따르면, 종래의 연료전지 스택용 금속 분리판에 구비된 가스켓 지지부를 제거함으로써, 가스켓 지지부를 형성함에 따라 발생하는 버(burr)를 제거하는 공정을 생략할 수 있다. 이로써, 종래의 버 제거를 위한 수작업 공정과 수작업 공정에 수반하는 불량률 증가의 문제를 개선하여 현저하게 양산성을 향상시킬 수 있게 된다.

또한, 상기 연료전지 스택에 따르면, 요철부의 배치 구조를 통해 기체 유입구 및 유출구 공간을 균일화하여 연료전지 셀간 유동 균일성을 향상시킴으로써 연료전지 성능을 더욱 향상시킬 수 있다.

도 1은 종래의 연료전지 스택의 금속 분리판 및 가스켓을 도시한 평면도.
도 2는 본 발명의 일 실시형태에 따른 연료전지 스택에서 금속 분리판의 일면을 도시한 평면도.
도 3은 본 발명의 일 실시형태에 따른 연료전지 스택에서 금속 분리판의 타면을 도시한 평면도.
도 4는 도 2 및 도 3의 A-A 선을 따라 절개한 부분을 도시한 부분 절개 단면도.
도 5는 도 2 및 도 3의 B-B 선을 따라 절개한 부분을 도시한 부분 절개 단면도.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 다양한 실시형태에 따른 연료전지 스택에 대하여 살펴본다.

도 2는 본 발명의 일 실시형태에 따른 연료전지 스택에서 금속 분리판의 일면을 도시한 평면도이고, 도 3은 본 발명의 일 실시형태에 따른 연료전지 스택에서 금속 분리판의 타면을 도시한 평면도이다. 또한, 도 4는 도 2 및 도 3의 A-A 선을 따라 절개한 부분을 도시한 부분 절개 단면도이고 도 5는 도 2 및 도 3의 B-B 선을 따라 절개한 부분을 도시한 부분 절개 단면도이다.

도 2 내지 도 5를 참조하면, 본 발명의 일 실시형태에 따른 연료전지 스택은, 가스켓(10)과 금속 분리판(12)을 포함하여 구성될 수 있다.

가스켓(10)은 금속 분리판(12)의 양면 상의 특정 부분에 일체로 사출 성형되어 배치될 수 있다. 특히, 본 발명의 일 실시형태에서, 가스켓(10)은 금속 분리판(12) 일면에서 매니폴드(16-18)와 반응면 사이 또는 매니폴드(16-18)와 냉각면 사이에 1자 형으로 형성 배치되는 제1 가스켓 라인(10a)을 포함할 수 있다. 이 제1 가스켓 라인(10a)은 매니폴드(16-18)가 배치된 방향과 나란하게 일자형태를 가지며, 종래의 가스켓과 달리 반응면(또는 냉각면)과 매니폴드(16-18)의 방향으로 연장된 형태를 갖는 지지부가 생략될 수 있다.

본 발명의 다양한 실시형태는, 종래의 가스켓 연장부를 생략한 대신 대응되는 영역에 금속 분리판(12)을 성형하여 일면 방향에서 타면 방향 또는 타면 방향에서 일면 방향으로 돌출된 요철부(21)를 형성한다. 즉, 요철부(21)는 금속 분리판(12)의 일면에 오목부가 형성된 경우 대응되는 타면에 돌출부가 형성되고, 반대로 타면에 오목부가 형성된 경우 대응되는 일면에 돌출부가 형성될 수 있다.

본 발명의 다양한 실시형태는, 이와 같은 요철부(21)에 의해 금속 분리판(12)과 타 금속 분리판(12') 사이의 지지 구조를 형성할 수 있고, 그에 따라 가스켓(10)으로부터 연장되어 형성되었던 종래의 지지부를 생략할 수 있게 한다. 이로써 본 발명의 일 실시형태는, 종래의 지지부를 형성함에 따라 발생하는 버(burr)를 제거하는 공정을 생략할 수 있어, 버 제거를 위한 수작업 공정과 수작업 공정에 수반하는 불량률 증가의 문제를 개선하여 현저하게 양산성을 향상시킬 수 있게 된다.

더욱 구체적으로, 복수의 요철부(21)는 금속 분리판(12)에 형성된 기체 유입구(14)의 주변에 형성될 수 있다. 금속 분리판(12)는 수소, 공기 및 냉각수가 유입되고 배출되는 복수의 매니폴드(16, 17, 18)을 포함할 수 있으며, 그 중 기체가 유입 또는 배출되는 기체 매니폴드(16, 18)의 반응면 측에 기체가 유입될 수 있도록 형성된 복수의 기체 유입구(14)가 형성될 수 있다. 본 발명의 일 실시형태에서, 복수의 요철부(21)는 이러한 기체 유입구(14)의 주변에 일정 간격으로 형성될 수 있다.

특히, 복수의 요철부(21)는, 기체 매니폴드(16, 17)와 반응면 사이의 영역 또는 기체 매니폴드(16, 17)와 상기 기체 유입구 사이의 영역에, 기체 매니폴드(16, 17)로부터 동일 거리가 이격되도록 일정 간격으로 형성될 수 있다. 또한, 복수의 요철부(21)는 기체 유입구(14)와 매니폴드(16, 17) 사이의 최단 거리를 형성하는 직선 상에 배치되지 않고 기체 유입구(14) 사이에 해당하는 영역에 배치될 수 있다.

더욱 상세하게, 복수의 요철부(21)는, 매니폴드(16, 17)와 제1 가스켓 라(10a)인 사이의 영역 또는 제1 가스켓 라인(10a)과 반응면 또는 냉각면 사이의 영역에 제1 가스켓 라인(10a)으로부터 동일 거리가 이격되도록 일정 간격으로 형성될 수 있다. 이 경우에도, 복수의 요철부(21)는 기체 유입구(14)와 매니폴드(16, 17) 사이의 최단 거리를 형성하는 직선 상에 배치되지 않도록 기체 유입구(14) 사이에 해당하는 영역에 형성될 수 있다.

이러한 배치구조를 통해 복수의 요철부(21)는 그 사이에 형성된 공간을 통해 반응 기체가 통과하게 함으로써 금속 분리판 간의 지지 역할 뿐만 아니라 반응 기체가 흐르는 유로를 가이드할 수 있다. 특히, 이러한 요철부(21)의 배치 구조는 기체 유입구 및 유출구 공간을 균일화하여 연료전지 셀간 유동 균일성 향상시킴으로써 연료전지 성능을 더욱 향상시킬 수 있다.

전술한 것과 같은 요철부(21)의 형성구조는 도 4 및 도 5를 통해 더욱 명확하게 확인할 수 있다. 도 4에 도시한 것과 같이, 요철부(21)는 매니폴드(16, 17)와 기체 유입구(14) 사이의 최단 직선 상에 배치되지 않음으로써, 두 금속 분리판(12, 12')를 적층하였을 때 매니폴드(16, 17)에서 유입되는 기체가 기체 유입구(14)를 통해 용이하게 반응면으로 전달될 수 있다. 도한, 도 5에 도시한 것과 같이, 두 금속 분리판(12, 12')를 적층하였을 때 두 금속 분리판의 요철부(21, 21')가 상호 접촉하여 지지되는 형태가 되거나, 요철부(21, 21')의 오목부에 형성된 가스켓(10a, 10a')이 상호 맞닿는 형태로 기밀 구조를 유지하게 된다.

한편, 요철부(14)의 오목부가 형성된 금속 분리판(12)에 일면에는 가스켓(10 또는 10a)이 오목부 상부를 지나도록 형성될 수 있다. 이 때, 가스켓(10 또는 10a)을 형성하는 재료는 사출성형 과정에서 요철부(14)의 오목부를 채우면서 사전 설정된 폭의 가스켓(10 또는 10a)을 형성하게 된다. 따라서, 사전 설정된 일정한 폭의 가스켓(10 또는 10a)을 형성하기 위해서는, 요철부(14)의 폭을 가스켓(10 또는 10a)의 폭보다 작게 형성하는 것이 바람직하다.

또한, 연료전지 스택의 금속 분리판을 적층하여 가스켓 간의 상호 접촉을 통해 가스켓이 압축되는 것을 고려하여, 요철부(21)의 오목부는 분리판 적층 후 압축된 가스켓(10 또는 10a)의 높이에 대응되는 깊이를 갖는 것이 바람직하다.

도 2 및 도 3에서는 하나의 기체 매니폴드(16)로부터 기체를 유입받기 위한 구조를 갖는 금속 분리판을 예로 도시하였으나, 이러한 예시로부터 다른 기체 매니폴드(18)에서 기체를 유입받기 위한 구조를 갖는 다른 금속 분리판의 구조(도 4 및 도 5의 12'에 해당하는 금속 분리판)를 도출하는 것은 당업자에게 자명한 것이며, 도 2 및 도 3에 도시된 금속 분리판과 다른 금속 분리판 및 전극막 접합체(MEA)를 적층하여 연료전지 스택을 구성하는 것은 통상적인 기술이므로 그에 대한 상세한 설명을 생략하더라도 본 명세서의 설명으로부터 당업자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있다 할 것이다.

본 발명은 특정한 실시형태에 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.

10: 가스켓 12: 금속 분리판
14: 기체 유입구 16-18: 매니폴드
21: 요철부

Claims (10)

1. 가스켓 ; 및
   상기 가스켓이 배치된 양면을 가지며, 상기 가스켓이 배치된 영역의 주변에 상기 양면 중 일면에서 타면 방향으로 돌출되어 상기 일면에 형성된 오목부와 상기 타면에 형성된 돌출부를 각각 갖는 복수의 요철부가 형성된 금속 분리판;을 포함하고 ,
   두 개의 금속 분리판이 적층되어 배치되며,
   상기 요철부의 오목부가 형성된 영역에는 상기 오목부가 형성하는 공간을 채우는 형태로 상기 가스켓의 일부분이 배치되며,
   두 개의 금속 분리판을 적층하였을 때, 하나의 금속 분리판에 형성된 요철부의 돌출부가 다른 금속 분리판에 접촉하여 지지되거나, 두 개의 금속 분리판에 형성된 요철부의 오목부에 형성된 가스켓이 상호 맞닿는 형태로 지지되며,
   복수의 요철부는 그 사이에 형성된 공간을 통해 반응 기체가 통과하는 유로를 형성하는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택.
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 금속 분리판은 기체 매니폴드와 반응면 사이에 그 양면을 관통하도록 형성된 복수의 기체 유입구를 포함하며,
   상기 복수의 요철부는 상기 기체 유입구의 주변에 형성된 것을 특징으로 하는 연료전지 스택.
3. 청구항 2에 있어서,
   상기 복수의 요철부는, 상기 기체 매니폴드와 상기 반응면 사이의 영역 또는 상기 기체 매니폴드와 상기 기체 유입구 사이의 영역에, 상기 기체 매니폴드로부터 동일 거리가 이격되도록 일정 간격으로 형성된 것을 특징으로 하는 연료전지 스택.
4. 청구항 3에 있어서,
   상기 복수의 요철부는 상기 기체 유입구와 상기 매니폴드 사이의 최단 거리를 형성하는 직선 상에 배치되지 않는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택.
5. 삭제
6. 청구항 1에 있어서,
   상기 가스켓은 상기 금속 분리판 일면에서 매니폴드와 반응면 또는 상기 매니폴드와 냉각면 사이에 배치되는 제1 가스켓 라인을 포함하며, 상기 제1 가스켓 라인은 상기 매니폴드가 배치된 방향과 나란하게 일자형태를 갖는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택.
7. 청구항 6에 있어서,
   상기 금속 분리판은 그 양면을 관통하도록 형성된 복수의 기체 유입구를 포함하며,
   상기 복수의 기체 유입구는 상기 제1 가스켓 라인이 배치된 방향과 나란하게 일정 간격으로 형성된 것을 특징으로 하는 연료전지 스택.
8. 청구항 7에 있어서,
   상기 복수의 요철부는, 상기 매니폴드와 상기 제1 가스켓 라인 사이의 영역 또는 상기 제1 가스켓 라인과 반응면 또는 냉각면 사이의 영역에 상기 제1 가스켓 라인으로부터 동일 거리가 이격되도록 일정 간격으로 형성된 것을 특징으로 하는 연료전지 스택.
9. 청구항 8에 있어서,
   상기 복수의 요철부는 상기 기체 유입구와 상기 매니폴드 사이의 최단 거리를 형성하는 직선 상에 배치되지 않는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택.
10. 청구항 1에 있어서,
    상기 요철부의 폭은 상기 가스켓의 폭 보다 작은 것을 특징으로 하는 연료전지 스택.

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