KR101889002B1 - 이중 개스킷타입 연료전지 분리판 어셈블리 - Google Patents

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서호철
구영모
김명환
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세종공업 주식회사
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Abstract

본 발명의 연료전지 분리판 어셈블리(1)에는 수소와 공기 및 냉각수의 흐름 경로를 형성한 연료전지 분리판(10), 연료전지 분리판(10)의 반응면(10-1)에서 흐름 경로에 대한 기밀을 형성해주는 반응면 메인 개스킷(30)을 에워싸 반응면(10-1)에 대한 기밀을 형성해주는 반응면 서브 개스킷(40)으로 이루어진 반응면 개스킷(20-1), 연료전지 분리판(10)의 냉각면(10-2)에서 흐름 경로에 대한 기밀을 형성해주는 냉각면 메인 개스킷(50)을 에워싸 냉각면(10-2)에 대한 기밀을 형성해주는 냉각면 서브 개스킷(60)으로 이루어진 냉각면 개스킷(20-2)이 포함됨으로써 메인과 서브로 구분된 이중 개스킷으로 단위 셀 조립 시 눌림으로 인한 채널 유로 축소 방지와 함께 유로 형상의 복잡화로 인한 채널 유로의 압력손실도 방지되는 특징을 갖는다.

Description

이중 개스킷타입 연료전지 분리판 어셈블리{Dual Gasket type Fuel Cell Separator Assembly}
본 발명은 연료전지 분리판에 관한 것으로, 특히 적층에 의한 눌림 상태에서도 채널 유로(Flow Field)의 성능을 저하시키지 않는 이중 개스킷타입 연료전지 분리판 어셈블리에 관한 것이다.
일반적으로 연료전지자동차에는 연료전지스택이 탑재되고, 상기 연료전지스택은 수소와 산소를 전기화학적으로 반응하여 물을 생성하면서 전기를 발생시킴으로써 자동차의 동력을 생성한다.
이를 위해 상기 연료전지스택은 전극막 접합체(Membrane-Electrode Assembly)와 가스확산층(Gas Diffusion Layer), 분리판 및 개스킷으로 이루어진 단위 셀을 주요 구성요소로 한다.
구체적으로 상기 전극막 접합체는 연료전지스택의 가장 중심부에 위치하고, 고분자 전해질막의 양쪽면에 촉매층이 도포된 형태로 구성된다. 상기 가스확산층은 전극막 접합체의 바깥부분으로 위치된다. 상기 분리판은 가스확산층의 바깥부분으로 적층되고, 공기극/수소극 분리판과 냉각수를 공급하도록 공기극/수소극용 가스채널 및 냉각수용 워터채널에 대한 이중의 채널 유로(Flow Field)를 형성함으로써 연료를 공급하고 반응에 의해 발생된 물을 배출하여준다. 상기 개스킷은 분리판과 가스확산층 사이에 위치되도록 분리판과 결합된다. 상기 단위 셀은 1장의 전극막 접합체, 2장의 가스확산층, 2장의 분리판으로 구성되며, 각 단위 셀을 수십개에서 수백개 적층함으로써 연료전지 스택이 원하는 규모의 출력을 확보할 수 있도록 한다.
특히 상기 개스킷은 단위 셀이 수십개에서 수백개로 적층되는 과정에서 눌려짐으로써 분리판에 대한 기밀을 형성하고, 분리판에 대한 기밀 성능으로 분리판의 채널 유로를 흐르는 수소와 공기 및 냉각수에 대한 리크(leak)가 방지된다.
국내 등록공보 10-1491349(2015년02월02일)
하지만 상기 개스킷은 수십개에서 수백개로 적층되는 단위 셀 체결과정에 따른 분리판과 전극막 접합체에 의한 눌림 현상 및 셀 체결 후 분리판과 가스 확산층의 결합에 의한 눌림 현상으로 압착됨으로써 채널 유로를 좁혀 줄 수밖에 없다.
그 결과 분리판의 채널 유로가 좁아짐으로써 기밀 성능을 확보함에 반해 수소와 공기 및 냉각수의 흐름 성능 저하로 발전된다.
통상 개스킷의 과도한 눌림에 의한 채널 유로 축소는 별도의 지지부재를 분리판과 가스 확산층 사이에 위치시켜 해소될 수 있으나, 이러한 방식은 지지부재 삽입으로 가스 확산층 위에 지지라인이 지나가도록 구성되어야 함으로써 채널 유로를 복잡하게 하고 특히 채널 유로의 압력 손실을 발생할 수밖에 없다.
그러므로 채널 유로를 좁히거나 압력 손실을 발생시키는 채널 유로 복잡화 없는 분리판의 제조가 요구되고 있다.
이에 상기와 같은 점을 감안한 본 발명은 개스킷을 이중으로 구비함으로써 단위 셀 체결과정 및 체결 후 발생되는 눌림 현상에서도 채널 유로가 좁아지지 않고, 특히 별도의 지지부재 적용 없이도 채널 유로 기밀성을 확보해 줌으로써 유로 형상의 복잡화에 따른 채널 유로의 압력손실도 방지할 수 있는 이중 개스킷타입 연료전지 분리판 어셈블리의 제공에 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 연료전지 분리판 어셈블리는 연료전지 분리판에 형성된 수소와 공기 및 냉각수의 흐름 경로 주위를 에워싸 밀폐구간으로 형성해주는 서브 개스킷, 상기 흐름 경로가 수소 흐름 경로와 공기 흐름 경로 및 냉각수 흐름 경로로 구분되도록 상기 수소 흐름 경로와 상기 공기 흐름 경로 및 상기 냉각수 흐름 경로의 각각을 에워싸 테두리로 형성해주는 메인 개스킷이 포함되는 것을 특징으로 한다.
바람직한 실시예로서, 상기 서브 개스킷은 고무 또는 실리콘 재질로 이루어지고, 상기 연료전지 분리판의 상기 테두리의 폭과 동일한 형상으로 상기 연료전지 분리판의 테두리 전체에 덧대어져 상기 메인 개스킷을 에워싸 준다.
바람직한 실시예로서, 상기 메인 개스킷은 중앙구간에 대해 좌우 양쪽으로 형성된 좌 매니폴드 라인과 우 매니폴드 라인으로 상기 흐름 경로의 테두리를 형성하고, 상기 좌 매니폴드 라인과 상기 우 매니폴드 라인을 이어주는 테두리 라인으로 루프(loop)를 형성하며, 내측 연결 라인으로 상기 테두리 라인의 안쪽위치에서 좌 매니폴드 라인과 상기 우 매니폴드 라인의 각각을 상기 테두리 라인에 연결시켜준다.
바람직한 실시예로서, 상기 메인 개스킷은 중앙구간에 대해 좌우 양쪽으로 형성된 좌 매니폴드 라인과 우 매니폴드 라인으로 상기 흐름 경로의 테두리를 형성하고, 상기 좌 매니폴드 라인과 상기 우 매니폴드 라인을 이어주는 테두리 라인으로 내측 루프(inside loop)를 형성하며, 상기 테두리 라인을 에워싸는 서브 테두리 라인으로 외측 루프(outside loop)를 형성하고, 외측 연결 라인(32-2)으로 상기 테두리 라인과 상기 서브 테두리 라인을 연결시켜준다.
또한 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 연료전지 분리판 어셈블리는 수소와 공기 및 냉각수의 흐름 경로를 형성하고, 한쪽면이 반응면으로 다른 쪽 면이 냉각면으로 형성되는 연료전지 분리판; 상기 반응면으로 위치되고, 상기 흐름 경로를 에워싼 테두리로 상기 흐름 경로에 대한 기밀이 형성되는 반응면 메인 개스킷, 상기 반응면 메인 개스킷을 에워싸 상기 반응면에 대한 기밀이 형성되는 반응면 서브 개스킷으로 이루어진 반응면 개스킷; 상기 냉각면으로 위치되고, 상기 흐름 경로를 에워싼 테두리로 상기 흐름 경로에 대한 기밀이 형성되는 냉각면 메인 개스킷, 상기 냉각면 메인 개스킷을 에워싸 상기 냉각면에 대한 기밀이 형성되는 냉각면 서브 개스킷으로 이루어진 냉각면 개스킷; 이 포함되는 것을 특징으로 한다.
바람직한 실시예로서, 상기 반응면 서브 개스킷과 상기 냉각면 서브 개스킷의 각각은 고무 또는 실리콘 재질로 이루어지고, 상기 연료전지 분리판의 테두리의 폭과 동일하게 형성된다.
바람직한 실시예로서, 상기 반응면 메인 개스킷은 중앙구간에 대해 좌우 양쪽으로 형성된 좌 매니폴드 라인과 우 매니폴드 라인으로 상기 흐름 경로의 테두리를 형성하고, 상기 좌 매니폴드 라인과 상기 우 매니폴드 라인을 이어주는 테두리 라인으로 루프(loop)를 형성하며, "ㅓ"형상으로 이루어진 내측 연결 라인으로 상기 테두리 라인의 안쪽위치에서 좌 매니폴드 라인과 상기 우 매니폴드 라인의 각각을 상기 테두리 라인에 연결시켜준다.
바람직한 실시예로서, 상기 냉각면 메인 개스킷은 중앙구간에 대해 좌우 양쪽으로 형성된 좌 매니폴드 라인과 우 매니폴드 라인으로 상기 흐름 경로의 테두리를 형성하고, 상기 좌 매니폴드 라인과 상기 우 매니폴드 라인을 이어주는 테두리 라인으로 내측 루프(inside loop)를 형성하며, 상기 테두리 라인을 에워싸는 서브 테두리 라인으로 외측 루프(outside loop)를 형성하고, "-"형상으로 이루어진 외측 연결 라인을 더 형성하고, 상기 외측 연결 라인은 상기 테두리 라인과 상기 서브 테두리 라인을 연결시켜준다.
바람직한 실시예로서, 상기 연료전지 분리판은 수소 배출통로부와 수소 배출경로부로 수소가 나오는 흐름을 형성하고, 공기 복귀통로부와 공기 복귀경로부로 공기가 들어가는 흐름을 형성하며, 냉각수 배출통로부와 냉각수 경로부로 냉각수가 나오는 흐름을 형성하는 좌 매니폴드; 수소 복귀통로부와 수소 복귀경로부로 수소가 들어가는 흐름을 형성하고, 공기 배출통로부와 공기 배출경로부로 공기가 나오는 흐름을 형성하며, 냉각수 복귀통로부와 냉각수 경로부로 냉각수가 들어가는 흐름을 형성하는 우 매니폴드; 상기 좌 매니폴드와 상기 우 매니폴드의 중간에 위치되어 상기 좌 매니폴드와 상기 우 매니폴드를 연결하고, 상기 수소와 상기 공기 및 상기 냉각수의 각 흐름을 서로 간섭하지 않는 채널 유로; 상기 좌 매니폴드와 상기 채널 유로 및 상기 우 매니폴드를 에워싸 테두리를 형성하는 개스킷 플랜지;를 포함한다.
이러한 본 발명의 연료전지 분리판은 개스킷과 함께 서브 개스킷을 부가하여 이중기밀구조가 형성됨으로써 수십개에서 수백개로 적층되는 단위 셀 적층 하에서도 채널 유로가 좁아지지 않는 효과를 구현한다.
또한 본 발명의 연료전지 분리판은 서브 개스킷이 분리판의 최외곽부에 위치됨으로써 별도의 지지부재 적용 시 채널 유로의 압력손실을 가져오던 유로 형상의 복잡화도 해소된다.
또한 본 발명의 연료전지 분리판은 서브 개스킷이 고무나 실리콘 재질의 실링재로 적용됨에 따라 대면적 분리판 제작에 따른 분리판의 편평도(스프링 백에 의한 휨 현상)를 셀 체결과정에서 보완 및 보정할 수 있다.
또한 본 발명의 연료전지스택은 이중기밀구조의 금속 분리판 또는 카본복합소재 분리판으로 제조됨으로써 기밀 성능과 채널 유로 성능이 지속적으로 유지될 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 이중 개스킷타입 연료전지 분리판 어셈블리의 구성도이고, 도 2는 본 발명에 따른 연료전지 분리판의 반응면 쪽 개스킷 구성도이며, 도 3은 본 발명에 따른 연료전지 분리판의 냉각면 쪽 개스킷 구성도이고, 도 3는 본 발명에 따른 연료전지 분리판의 구성도이다.
이하 본 발명의 실시 예를 첨부된 예시도면을 참조로 상세히 설명하며, 이러한 실시 예는 일례로서 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으므로, 여기에서 설명하는 실시 예에 한정되지 않는다.
도 1을 참조하면, 연료전지 분리판 어셈블리(1)는 연료전지 분리판(10), 반응면 개스킷(20-1) 및 냉각면 개스킷(20-2)으로 구성된다.
구체적으로 상기 연료전지 분리판(10)은 상하 양쪽 면 중 한쪽면을 반응면(10-1)으로 다른 쪽 면을 냉각면(10-2)으로 형성하고, 상기 반응면 개스킷(20-1)은 메인 개스킷과 서브 개스킷으로 구성되어져 반응면(10-1)쪽으로 위치되며, 상기 냉각면 개스킷(20-2)은 메인 개스킷과 서브 개스킷으로 구성되어져 냉각면(10-2)쪽으로 위치된다. 이 경우 특히 상기 서브 개스킷은 메인 개스킷보다 큰 사이즈로 형성되고, 고무 또는 실리콘 재질로 이루어진다.
일례로, 상기 반응면 개스킷(20-1)의 메인 개스킷은 반응면 메인 개스킷(30)으로 서브 개스킷은 반응면 서브 개스킷(40)으로 구분되고, 상기 냉각면 개스킷(20-2)의 메인 개스킷은 냉각면 메인 개스킷(50)으로 서브 개스킷은 냉각면 서브 개스킷(60)으로 구분되며, 상기 반응면 메인 개스킷(30)과 상기 반응면 서브 개스킷(40) 및 상기 냉각면 메인 개스킷(50)과 상기 냉각면 서브 개스킷(60)의 각각은 고무 또는 실리콘 재질로 이루어짐으로써 실링재로 작용한다.
도 2의 반응면 개스킷(20-1)을 참조하면, 반응면 서브 개스킷(40)은 반응면(10-1)쪽의 개스킷 플랜지(9)에 놓여져 연료전지 분리판(10)의 외곽 테두리를 에워싸는 크기로 형성되는 반면 반응면 메인 개스킷(30)은 반응면 서브 개스킷(40)의 안쪽에서 반응면 서브 개스킷(40)이 에워싸는 크기로 형성된다.
그러므로 상기 반응면 서브 개스킷(40)은 연료전지 분리판(10)의 전체 형성과 동일하면서 개스킷 플랜지(9)이 폭을 감싸는 폭 크기로 이루어진다. 반면 상기 반응면 메인 개스킷(30)은 좌 매니폴드(2-1)와 채널 유로(8) 및 우 매니폴드(2-2)에 맞춘 형상과 폭 크기로 이루어진다. 이 경우 상기 반응면 서브 개스킷(40)과 상기 반응면 메인 개스킷(30)의 크기는 단위 셀의 적층 시 압축 변형하에서 좌,우 매니폴드(23-1,2-2)와 채널 유로(8)쪽을 침범하지 않도록 제한되면서 두께는 압축 변형하에서 탄성력을 유지할 수 있도록 주어진다.
일례로, 상기 반응면 메인 개스킷(30)은 루프(loop)를 형성하는 테두리 라인(31-1), 테두리 라인(31-1)의 안쪽에서 한쪽으로 형성된 좌 매니폴드 라인(30-1), 테두리 라인(31-1)의 안쪽에서 다른쪽으로 형성된 우 매니폴드 라인(30-2)으로 구분된다. 그러므로 상기 반응면 메인 개스킷(30)은 단일 루프(loop)형상을 이룬다.
상기 테두리 라인(31-1)은 좌 매니폴드(2-1)와 채널 유로(8) 및 우 매니폴드(2-2)의 둘레를 소정 폭으로 감싸고, 좌 매니폴드(2-1)쪽에서 좌 매니폴드 라인(30-1)을 형성하면서 우 매니폴드(2-2)쪽에서 우 매니폴드 라인(30-2)을 형성한다. 더불어 상기 테두리 라인(31-1)은 좌,우 매니폴드 라인(30-1,30-2)의 각각에 내측 연결 라인(32-1)을 더 형성하고, 상기 내측 연결 라인(32-1)은 "ㅓ"형상으로 이루어져 좌 매니폴드 라인(30-1)과 우 매니폴드 라인(30-1)을 각각 테두리 라인(31-1)과 연결시켜준다
상기 좌 매니폴드 라인(30-1)은 좌 매니폴드(2-1)쪽을 소정 폭으로 감싸며, 수소 배출통로부 라인(33-1)과 공기 복귀통로부 라인(35-2) 및 매니폴드 연결 라인(34)으로 구분되고, 수소 배출통로부(3-1)와 공기 복귀통로부(5-2) 및 냉각수 배출통로부(7-1)의 외관 테두리를 에워 싸 준다, 특히 상기 수소 배출통로부 라인(33-1)은 수소 배출통로부(3-1)에 이어진 수소 배출경로부(4-1)의 중간 부위에서 테두리 라인(31-1)으로 연결되면서 상기 매니폴드 연결 라인(34)이 수소 배출통로부 라인(33-1)과 테두리 라인(31-1)을 연결하여 준다. 반면 상기 공기 복귀통로부 라인(35-2)은 공기 복귀통로부(5-2)에 이어진 공기 복귀경로부(6-2)를 감싸 테두리 라인(31-1)과 연결된다. 더불어 상기 수소 배출통로부 라인(33-1)과 상기 공기 복귀통로부 라인(35-2)은 내측 연결 라인(32-1)과 매니폴드 연결 라인(34)의 사이에서 또 다른 연결부위를 형성한다,
상기 우 매니폴드 라인(30-2)은 우 매니폴드(2-2)쪽을 소정 폭으로 감싸며, 수소 복귀통로부 라인(33-2)과 공기 배출통로부 라인(35-1) 및 매니폴드 연결 라인(34)으로 구분되고, 수소 복귀통로부(3-2)와 공기 배출통로부(5-1) 및 냉각수 복귀통로부(7-2)의 외관 테두리를 에워 싸 준다, 특히 상기 수소 배출통로부 라인(33-1)은 수소 복귀통로부 라인(3-2)에 이어진 수소 복귀경로부(4-2)의 중간 부위에서 테두리 라인(31-1)으로 연결되면서 상기 매니폴드 연결 라인(34)이 수소 배출통로부 라인(33-1)과 테두리 라인(31-1)을 연결하여 준다. 반면 상기 공기 배출통로부 라인(35-1)은 공기 배출통로부(5-1)에 이어진 공기 배출경로부(6-1)를 감싸 테두리 라인(31-1)과 연결된다. 더불어 상기 수소 배출통로부 라인(33-1)과 상기 공기 복귀통로부 라인(35-2)은 내측 연결 라인(32-1)과 매니폴드 연결 라인(34)의 사이에서 또 다른 연결부위를 형성한다,
따라서 상기 좌 매니폴드 라인(30-1)의 수소 배출통로부 라인(33-1)과 공기 복귀통로부 라인(35-2) 및 상기 우 매니폴드 라인(30-2)의 수소 복귀통로부 라인(33-2)과 공기 배출통로부 라인(35-1)을 동일한 형상으로 형성하되, 매니폴드 연결 라인(34)이 냉각수 배출통로부(7-1)와 냉각수 복귀통로부(7-2)의 외관 테두리를 막아 주면서 테두리 라인(31-1)으로 연결된다.
도 3의 냉각면 개스킷(20-1)을 참조하면, 냉각면 서브 개스킷(60)은 냉각면(10-2)쪽의 개스킷 플랜지(9)에 놓여져 연료전지 분리판(10)의 외곽 테두리를 에워싸는 크기로 형성되는 반면 냉각면 메인 개스킷(50)은 냉각면 서브 개스킷(60)의 안쪽에서 냉각면 서브 개스킷(60)이 에워싸는 크기로 형성된다. 이 경우 상기 냉각면 서브 개스킷(60)과 상기 냉각면 메인 개스킷(50)의 크기는 단위 셀의 적층 시 압축 변형하에서 좌,우 매니폴드(23-1,2-2)와 채널 유로(8)쪽을 침범하지 않도록 제한되면서 두께는 압축 변형하에서 탄성력을 유지할 수 있도록 주어진다.
그러므로 상기 냉각면 서브 개스킷(60)은 연료전지 분리판(10)의 전체 형성과 동일하면서 개스킷 플랜지(9)의 폭을 감싸는 폭 크기로 이루어진다. 반면 상기 냉각면 메인 개스킷(50)은 우 매니폴드(2-2)와 채널 유로(8) 및 좌 매니폴드(2-1)에 맞춘 형상과 폭 크기로 이루어진다. 이 경우 상기 냉각면 서브 개스킷(60)과 상기 냉각면 메인 개스킷(50)의 크기는 단위 셀의 적층 시 압축 변형하에서 좌,우 매니폴드(23-1,2-2)와 채널 유로(8)쪽을 침범하지 않도록 제한되면서 두께는 압축 변형하에서 탄성력을 유지할 수 있도록 주어진다.
일례로, 상기 냉각면 메인 개스킷(50)은 루프(loop)를 형성하는 테두리 라인(31-1), 테두리 라인(31-1)의 안쪽에서 한쪽으로 형성된 좌 매니폴드 라인(30-1), 테두리 라인(31-1)의 안쪽에서 다른쪽으로 형성된 우 매니폴드 라인(30-2), 테두리 라인(31-1)의 바깥쪽에서 테두리 라인(31-1)을 에워 싸 폐 단면을 형성하는 서브 테두리 라인(31-2)으로 구분된다. 그러므로 상기 냉각면 메인 개스킷(50)은 테두리 라인(31-1)의 내측 루프(inside loop)와 서브 테두리 라인(31-2)의 외측 루프(outside loop)로 이중 루프(loop)형상을 이룬다.
상기 테두리 라인(31-1)은 우 매니폴드(2-2)와 채널 유로(8) 및 좌 매니폴드(2-1)의 둘레를 소정 폭으로 감싸고, 우 매니폴드(2-2)쪽에서 우 매니폴드 라인(30-2)을 형성하면서 좌 매니폴드(2-1)쪽에서 좌 매니폴드 라인(30-1)을 형성한다. 반면 상기 서브 테두리 라인(31-2)은 테두리 라인(31-1)과 연결되는 외측 연결 라인(32-2)을 더 형성하고, 상기 외측 연결 라인(32-2)은 "-"형상으로 이루어져 좌 매니폴드 라인(30-1)과 우 매니폴드 라인(30-1)의 쪽에서 테두리 라인(31-1)과 서브 테두리 라인(31-2)을 연결시켜준다.
상기 좌 매니폴드 라인(30-1)은 좌 매니폴드(2-1)쪽을 소정 폭으로 감싸며, 수소 배출통로부 라인(33-1)과 공기 복귀통로부 라인(35-2) 및 테두리 연결 라인(36)으로 구분되고, 수소 배출통로부(3-1)와 공기 복귀통로부(5-2) 및 냉각수 배출통로부(7-1)의 외관 테두리를 형성한다, 특히 상기 수소 배출통로부 라인(33-1)은 수소 배출통로부(3-1)에 이어진 수소 배출경로부(4-1)를 감싸 테두리 라인(31-1)과 연결되면서 수소 배출경로부(4-1)에 간격을 둔 테두리 연결 라인(36)이 더 형성되어 테두리 라인(31-1)과 이중으로 연결된다. 반면 상기 공기 복귀통로부 라인(35-2)은 공기 복귀통로부(5-2)에 이어진 공기 복귀경로부(6-2)의 중간 부위에서 테두리 라인(31-1)으로 연결된다. 그러므로 상기 수소 배출통로부 라인(33-1)과 상기 공기 복귀통로부 라인(35-2)은 냉각수 배출통로부(7-1)의 외관 테두리를 에워싸지 않는다,
상기 우 매니폴드 라인(30-2)은 우 매니폴드(2-2)쪽을 소정 폭으로 감싸며, 수소 복귀통로부 라인(33-2)과 공기 배출통로부 라인(35-1) 및 테두리 연결 라인(36)으로 구분되고, 수소 복귀통로부(3-2)와 공기 배출통로부(5-1) 및 냉각수 복귀통로부(7-2)의 외관 테두리를 형성한다, 특히 상기 수소 복귀통로부 라인(33-2)은 수소 복귀통로부(3-2)에 이어진 수소 복귀경로부(4-2)를 감싸 테두리 라인(31-1)과 연결되면서 수소 복귀경로부(4-1)에 간격을 둔 테두리 연결 라인(36)이 더 형성되어 테두리 라인(31-1)과 이중으로 연결된다. 반면 상기 공기 배출통로부 라인(35-1)은 공기 배출통로부(5-1)에 이어진 공기 배출경로부(6-1)의 중간 부위에서 테두리 라인(31-1)으로 연결된다. 그러므로 상기 수소 복귀통로부 라인(33-1)과 상기 공기 배출통로부 라인(35-1)은 냉각수 복귀통로부(7-2)의 외관 테두리를 에워싸지 않는다,
따라서 상기 좌 매니폴드 라인(30-1)의 수소 배출통로부 라인(33-1)과 공기 복귀통로부 라인(35-2) 및 상기 우 매니폴드 라인(30-2)의 수소 복귀통로부 라인(33-2)과 공기 배출통로부 라인(35-1)을 동일한 형상으로 형성하되, 테두리 연결 라인(36)이 냉각수 배출통로부(7-1)와 냉각수 복귀통로부(7-2)의 외관 테두리를 막아주지 않고 테두리 라인(31-1)으로 연결된다.
한편 도 4를 참조하면, 연료전지 분리판(10)은 좌 매니폴드(2-1)와 우 매니폴드(2-2), 좌,우 매니폴드(2-1,2-2)의 사이에 위치되어 좌,우 매니폴드(2-1,2-2)를 연결하는 채널 유로(8), 좌 매니폴드(2-1)와 채널 유로(8) 및 우 매니폴드(2-2)를 감싸 연료전지 분리판(10)의 테두리를 형성함으로써 연료전지 분리판(10)이 전극막 접합체와 가스 확산층으로 단위 셀을 형성할 때 기밀을 위한 반응면 개스킷(20-1) 및 냉각면 개스킷(20-2)이 놓여지는 공간을 제공하는 개스킷 플랜지(9)로 구성된다. 그러므로 상기 좌,우 매니폴드(2-1,2-2)와 상기 채널 유로(8) 및 상기 개스킷 플랜지(9)는 반응면(10-1)과 냉각면(10-2)에 각각 동일하게 형성된다.
구체적으로 상기 좌 매니폴드(2-1)는 수소 배출통로부(3-1), 수소 배출경로부(4-1), 공기 복귀통로부(5-2), 공기 복귀경로부(6-2), 냉각수 배출통로부(7-1)를 포함한다. 여기서 "배출"은 빠져나오는 출구를 "복귀"는 다시 들어가는 입구를 의미한다.
일례로 상기 수소 배출통로부(3-1)와 상기 수소 배출경로부(4-1)는 좌 매니폴드(2-1)의 바디면에 뚫려져 형성되고, 레이아웃 측면에서 수소 배출통로부(3-1)와 수소 배출경로부(4-1)가 일직선상으로 연속 배열됨으로써 수소 배출통로부(3-1)에 간격을 두고 위치된 수소 배출경로부(4-1)가 채널 유로(8)쪽으로 근접 위치된다. 상기 공기 복귀통로부(5-2)와 상기 공기 복귀경로부(6-2)는 좌 매니폴드(2-1)의 바디면에 뚫려져 형성되고, 레이아웃 측면에서 공기 복귀통로부(5-2)와 공기 복귀경로부(6-2)가 일직선상으로 연속 배열됨으로써 공기 복귀통로부(5-2)에 간격을 두고 위치된 공기 복귀경로부(6-2)가 채널 유로(8)쪽으로 근접 위치된다. 상기 냉각수 배출통로부(7-1)는 수소 배출통로부(3-1)와 공기 복귀통로부(5-2)를 구분하며, 좌 매니폴드(2-1)의 바디면에 뚫려진 홀로 이루어져 채널 유로(8)쪽으로 이어진다. 따라서 상기 좌 매니폴드(2-1)는 냉각수 배출통로부(7-1)를 중앙구간으로 하여 수소 배출통로부(3-1)와 공기 복귀통로부(5-2)가 대칭을 이룬다.
구체적으로 상기 우 매니폴드(2-2)는 수소 복귀통로부(3-2), 수소 복귀경로부(4-2), 공기 배출통로부(5-1), 공기 배출경로부(6-1), 냉각수 복귀통로부(7-2)를 포함한다. 여기서 "배출"은 빠져나오는 출구를 "복귀"는 다시 들어가는 입구를 의미한다.
일례로 상기 수소 복귀통로부(3-2)와 상기 수소 복귀경로부(4-2)는 우 매니폴드(2-2)의 바디면에 뚫려져 형성되고, 레이아웃 측면에서 수소 복귀통로부(3-2)와 수소 복귀경로부(4-2)가 일직선상으로 연속 배열됨으로써 수소 복귀통로부(3-2)에 간격을 두고 위치된 수소 복귀경로부(4-2)가 채널 유로(8)쪽으로 근접 위치된다. 상기 공기 배출통로부(5-1)와 상기 공기 배출경로부(6-1)는 우 매니폴드(2-1)의 바디면에 뚫려져 형성되고, 레이아웃 측면에서 공기 배출통로부(5-1)와 공기 배출경로부(6-1)가 일직선상으로 연속 배열됨으로써 공기 배출통로부(5-1)에 간격을 두고 위치된 공기 배출경로부(6-1)가 채널 유로(8)쪽으로 근접 위치된다. 상기 냉각수 복귀통로부(7-2)는 수소 복귀통로부(3-2)와 공기 배출통로부(5-1)를 구분하며, 우 매니폴드(2-2)의 바디면에 뚫려진 홀로 이루어져 채널 유로(8)쪽으로 이어진다. 따라서 상기 우 매니폴드(2-2)는 냉각수 복귀통로부(7-2)를 중앙구간으로 하여 수소 복귀통로부(3-2)와 공기 배출통로부(5-1)가 대칭을 이룬다.
구체적으로 상기 채널 유로(8)는 수소극의 수소 흐름을 형성하는 수소 채널, 공기극의 공기 흐름을 형성하는 공기 채널, 냉각수 흐름을 형성하는 냉각수 채널로 구분된다. 그러므로 상기 채널 유로는 연료를 공급하고 반응에 의해 발생된 물을 배출하여 준다. 이 경우 수소 채널과 공기 채널 및 냉각수 채널은 하나의 선으로 단순 표현되었으나 실제적으론 복수로 복잡하게 형성된다.
구체적으로 상기 개스킷 플랜지(9)는 좌 매니폴드(2-1)와 채널 유로(8) 및 우 매니폴드(2-2)를 감싸 연료전지 분리판(10)의 테두리를 형성하여 주고, 연료전지 분리판(10)이 전극막 접합체와 가스 확산층으로 단위 셀을 형성할 때 기밀을 위한 반응면 개스킷(20-1) 및 냉각면 개스킷(20-2)이 놓여지는 공간을 제공한다.
전술된 바와 같이, 본 실시예에 따른 연료전지 분리판 어셈블리(1)에는 수소와 공기 및 냉각수의 흐름 경로를 형성한 연료전지 분리판(10), 연료전지 분리판(10)의 반응면(10-1)에서 흐름 경로에 대한 기밀을 형성해주는 반응면 메인 개스킷(30)을 에워싸 반응면(10-1)에 대한 기밀을 형성해주는 반응면 서브 개스킷(40)으로 이루어진 반응면 개스킷(20-1), 연료전지 분리판(10)의 냉각면(10-2)에서 흐름 경로에 대한 기밀을 형성해주는 냉각면 메인 개스킷(50)을 에워싸 냉각면(10-2)에 대한 기밀을 형성해주는 냉각면 서브 개스킷(60)으로 이루어진 냉각면 개스킷(20-2)이 포함됨으로써 메인과 서브로 구분된 이중 개스킷으로 단위 셀 조립 시 눌림으로 인한 채널 유로 축소 방지와 함께 유로 형상의 복잡화로 인한 채널 유로의 압력손실도 방지된다.
1 : 연료전지 분리판 어셈블리 10 : 연료전지 분리판
10-1 : 반응면 10-2 : 냉각면
2-1,2-2 : 좌,우 매니폴드
3-1 : 수소 배출통로부 3-2 : 수소 복귀통로부
4-1 : 수소 배출경로부 4-2 : 수소 복귀경로부
5-1 : 공기 배출통로부 5-2 : 공기 복귀통로부
6-1 : 공기 배출경로부 6-2 : 공기 복귀경로부
7-1 : 냉각수 배출통로부 7-2 : 냉각수 복귀통로부
8 : 채널 유로 9 : 개스킷 플랜지
20-1 : 반응면 개스킷 20-2 : 냉각면 개스킷
30 : 반응면 메인 개스킷
30-1,30-2,50-1,50-2 : 좌,우 매니폴드 라인
31-1 : 테두리 라인 31-2 : 서브 테두리 라인
32-1 : 내측 연결 라인 32-2 : 외측 연결 라인
33-1 : 수소 배출통로부 라인 33-2 : 수소 복귀통로부 라인
34 : 매니폴드 연결 라인
35-1 : 공기 배출통로부 라인 35-2 : 공기 복귀통로부 라인
36 : 테두리 연결 라인
40 : 반응면 서브 개스킷 50 : 냉각면 메인 개스킷
60 : 냉각면 서브 개스킷

Claims (18)

  1. 연료전지 분리판에 형성된 수소와 공기 및 냉각수의 흐름 경로 주위를 에워싸 밀폐구간으로 형성해주는 서브 개스킷, 상기 흐름 경로가 수소 흐름 경로와 공기 흐름 경로 및 냉각수 흐름 경로로 구분되도록 상기 수소 흐름 경로와 상기 공기 흐름 경로 및 상기 냉각수 흐름 경로의 각각을 에워싸 테두리로 형성해주는 메인 개스킷이 포함되며,
    상기 메인 개스킷은 중앙구간에 대해 좌우 양쪽으로 형성된 좌 매니폴드 라인과 우 매니폴드 라인으로 상기 흐름 경로의 테두리를 형성하고, 상기 좌 매니폴드 라인과 상기 우 매니폴드 라인을 이어주는 테두리 라인으로 루프(loop)를 형성하고, 상기 메인 개스킷은 내측 연결 라인을 더 형성하고, 상기 내측 연결 라인은 상기 테두리 라인의 안쪽위치에서 좌 매니폴드 라인과 상기 우 매니폴드 라인의 각각을 상기 테두리 라인에 연결시켜주는
    것을 특징으로 하는 연료전지 분리판 어셈블리.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 서브 개스킷은 고무 또는 실리콘 재질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료전지 분리판 어셈블리.
  3. 청구항 1에 있어서, 상기 서브 개스킷은 상기 연료전지 분리판의 테두리 전체에 덧대어져 상기 메인 개스킷을 에워싸는 것을 특징으로 하는 연료전지 분리판 어셈블리.
  4. 청구항 3에 있어서, 상기 서브 개스킷의 폭은 상기 연료전지 분리판의 상기 테두리의 폭과 동일하게 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지 분리판 어셈블리.
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 청구항 1에 있어서, 상기 내측 연결 라인은 "ㅓ"형상으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료전지 분리판 어셈블리.
  8. 청구항 1에 있어서, 상기 메인 개스킷은 중앙구간에 대해 좌우 양쪽으로 형성된 좌 매니폴드 라인과 우 매니폴드 라인으로 상기 흐름 경로의 테두리를 형성하고, 상기 좌 매니폴드 라인과 상기 우 매니폴드 라인을 이어주는 테두리 라인으로 내측 루프(inside loop)를 형성하며, 상기 테두리 라인을 에워싸는 서브 테두리 라인으로 외측 루프(outside loop)를 형성하는 것을 특징으로 하는 연료전지 분리판 어셈블리.
  9. 청구항 8에 있어서, 상기 메인 개스킷은 외측 연결 라인을 더 형성하고, 상기 외측 연결 라인은 상기 테두리 라인과 상기 서브 테두리 라인을 연결시켜주는 것을 특징으로 하는 연료전지 분리판 어셈블리.
  10. 청구항 9에 있어서, 상기 외측 연결 라인은 "-"형상으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료전지 분리판 어셈블리.
  11. 수소와 공기 및 냉각수의 흐름 경로를 형성하고, 한쪽면이 반응면으로 다른 쪽 면이 냉각면으로 형성되는 연료전지 분리판;
    상기 반응면으로 위치되고, 상기 흐름 경로를 에워싼 테두리로 상기 흐름 경로에 대한 기밀이 형성되는 반응면 메인 개스킷, 상기 반응면 메인 개스킷을 에워싸 상기 반응면에 대한 기밀이 형성되는 반응면 서브 개스킷으로 이루어진 반응면 개스킷;
    상기 냉각면으로 위치되고, 상기 흐름 경로를 에워싼 테두리로 상기 흐름 경로에 대한 기밀이 형성되는 냉각면 메인 개스킷, 상기 냉각면 메인 개스킷을 에워싸 상기 냉각면에 대한 기밀이 형성되는 냉각면 서브 개스킷으로 이루어진 냉각면 개스킷;이 포함되며,
    상기 냉각면 메인 개스킷은 중앙구간에 대해 좌우 양쪽으로 형성된 좌 매니폴드 라인과 우 매니폴드 라인으로 상기 흐름 경로의 테두리를 형성하고, 상기 좌 매니폴드 라인과 상기 우 매니폴드 라인을 이어주는 테두리 라인으로 내측 루프(inside loop)를 형성하며, 상기 테두리 라인을 에워싸는 서브 테두리 라인으로 외측 루프(outside loop)를 형성하는
    것을 특징으로 하는 연료전지 분리판 어셈블리.
  12. 청구항 11에 있어서, 상기 반응면 서브 개스킷과 상기 냉각면 서브 개스킷은 고무 또는 실리콘 재질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료전지 분리판 어셈블리.
  13. 청구항 11에 있어서, 상기 반응면 서브 개스킷과 상기 냉각면 서브 개스킷의 각각은 상기 연료전지 분리판의 테두리의 폭과 동일하게 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지 분리판 어셈블리.
  14. 청구항 11에 있어서, 상기 반응면 메인 개스킷은 중앙구간에 대해 좌우 양쪽으로 형성된 좌 매니폴드 라인과 우 매니폴드 라인으로 상기 흐름 경로의 테두리를 형성하고, 상기 좌 매니폴드 라인과 상기 우 매니폴드 라인을 이어주는 테두리 라인으로 루프(loop)를 형성하는 것을 특징으로 하는 연료전지 분리판 어셈블리.
  15. 청구항 14에 있어서, 상기 반응면 메인 개스킷은 "ㅓ"형상으로 이루어진 내측 연결 라인을 더 형성하고, 상기 내측 연결 라인은 상기 테두리 라인의 안쪽위치에서 좌 매니폴드 라인과 상기 우 매니폴드 라인의 각각을 상기 테두리 라인에 연결시켜주는 것을 특징으로 하는 연료전지 분리판 어셈블리.
  16. 삭제
  17. 청구항 11에 있어서, 상기 냉각면 메인 개스킷은 "-"형상으로 이루어진 외측 연결 라인을 더 형성하고, 상기 외측 연결 라인은 상기 테두리 라인과 상기 서브 테두리 라인을 연결시켜주는 것을 특징으로 하는 연료전지 분리판 어셈블리.
  18. 청구항 11에 있어서, 상기 연료전지 분리판은 수소 배출통로부와 수소 배출경로부로 수소가 나오는 흐름을 형성하고, 공기 복귀통로부와 공기 복귀경로부로 공기가 들어가는 흐름을 형성하며, 냉각수 배출통로부와 냉각수 경로부로 냉각수가 나오는 흐름을 형성하는 좌 매니폴드;
    수소 복귀통로부와 수소 복귀경로부로 수소가 들어가는 흐름을 형성하고, 공기 배출통로부와 공기 배출경로부로 공기가 나오는 흐름을 형성하며, 냉각수 복귀통로부와 냉각수 경로부로 냉각수가 들어가는 흐름을 형성하는 우 매니폴드;
    상기 좌 매니폴드와 상기 우 매니폴드의 중간에 위치되어 상기 좌 매니폴드와 상기 우 매니폴드를 연결하고, 상기 수소와 상기 공기 및 상기 냉각수의 각 흐름을 서로 간섭하지 않는 채널 유로;
    상기 좌 매니폴드와 상기 채널 유로 및 상기 우 매니폴드를 에워싸 테두리를 형성하는 개스킷 플랜지;
    가 포함되는 것을 특징으로 하는 연료전지 분리판 어셈블리.
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KR20160096175A (ko) * 2014-01-09 2016-08-12 지멘스 악티엔게젤샤프트 연료 전지 유닛

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