KR102029150B1 - 연료전지용 분리판 가스켓 및 이를 갖는 연료전지 스택 - Google Patents

연료전지용 분리판 가스켓 및 이를 갖는 연료전지 스택 Download PDF

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세종공업 주식회사
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Abstract

연료전지용 분리판 가스켓이 제공된다. 상기 연료전지용 분리판 가스켓은, 단면으로 하단 양단에 하단 걸림봉(410,420)이 돌출 형성되고, 상단에 제 2 걸림봉(400)이 돌출 형성되며, 상기 하단 걸림봉(410,420) 및 상단 걸림봉(400)은 단면이 일정한 제 1 경사를 가지고 첨단이 평탄면인 것을 특징으로 한다.

Description

연료전지용 분리판 가스켓 및 이를 갖는 연료전지 스택{Separator gasket for fuel cell and Fuel cell stack having the same}
본 발명은 연료전지용 분리판 가스켓에 대한 것으로서, 더 상세하게는 분리판의 가스 기밀 성능을 개선하는 연료전지용 분리판 가스켓 및 이를 갖는 연료전지 스택에 관한 것이다.
일반적으로 연료전지 차량에는 연료전지 스택이 탑재되고, 상기 연료전지 스택은 수소와 산소를 전기화학적으로 반응하여 물을 생성하면서 전기를 발생시킴으로써 차량의 동력을 생성한다.
이를 위해 상기 연료전지 스택은 막전극 접합체(Membrane-Electrode Assembly)와 가스 확산층(Gas Diffusion Layer) 및 분리판으로 이루어진 단위 셀을 주요 구성요소로 한다.
부연하면, 연료전지 스택의 주요 구성 부품으로는 가장 중심부에는 막전극 접합체(MEA, Membrane-Electrode Assembly)가 위치하고, 막전극 접합체는 고분자 전해질막의 양쪽면에 촉매층이 도포된 형태로 구성되어 있다.
이러한 막전극 접합체의 바깥부분에는 가스 확산층(GDL,Gas Diffusion Layer)이 위치하고, 가스 확산층의 바깥부분으로 연료를 공급하고 반응에 의해 발생된 물을 배출하도록 채널 유로(Flow Field)가 형성된 분리판이 적층된다.
이러한 1장의 막전극 접합체, 2장의 가스확산층, 2장의 분리판으로 구성되는 단위셀이 수십 개에서 수백 개 적층함으로써 연료전지 스택이 원하는 규모의 출력을 확보할 수 있도록 한다.
그런데, 원하는 규모의 출력을 확보하기 위하여 수십 개에서 수백 개의 단위셀을 적층하는 과정에서, 셀 체결 후에는 분리판과 가스 확산층의 결합되는 눌림 현상에 의해 채널 유로가 좁아지는 문제가 발생된다.
1. 한국공개특허 제10-2009-0006973호 2. 한국공개특허 제10-2014-0128744호
본 발명은 위 배경기술에 따른 문제점을 해소하기 위한 것으로서, 분리판의 가스 기밀 성능을 안정적으로 유지할 수 있는 연료전지용 분리판 가스켓 및 이를 갖는 연료전지 스택을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 위에서 제시된 과제를 달성하기 위해, 분리판의 가스 기밀 성능을 안정적으로 유지할 수 있는 연료전지용 분리판 가스켓을 제공한다.
상기 연료전지용 분리판 가스켓은,
단면으로 하단 양단에 하단 걸림봉이 돌출 형성되고, 상단에 제 2 걸림봉이 돌출 형성되며, 상기 하단 걸림봉 및 상단 걸림봉은 단면이 일정한 제 1 경사를 가지고 첨단이 평탄면인 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 하단 걸림봉 및 상단 걸림봉은 단면이 동일한 형상인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 하단 걸림봉 및 상단 걸림봉의 밑단에는 요홈이 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 요홈은 부피를 감소시키기 위해 일정한 제 2 경사를 갖는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 하단 걸림봉 및 상단 걸림봉은 단면이 이등변 사각형인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제 1 경사는 두께를 증가시키기 위해 47˚인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 하단 걸림봉 사이에는 중간부가 형성되며, 상기 중간부의 두께는 상기 하단 걸림봉의 첨단보다 좁은 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 상단 걸림봉은 상기 중간부의 반대 위치에 형성되는 것을 특징으로 한다.
다른 한편으로, 본 발명의 다른 일실시예는, 위에서 기술된 연료전지용 분리판 가스켓; 및 상기 분리판 가스켓이 삽입되는 분리판;을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택을 제공한다.
이때, 상기 연료전지용 분리판 가스켓의 재질은 고무 또는 실리콘인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 분리판의 재질은 금속 또는 탄소 복합재인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 분리판에는 물을 배출하기 위한 채널 유로가 형성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 분리판의 가스 기밀 성능을 유지하기 위한 가스켓을 설계함에 있어, 상층부의 분리판과 하층부의 분리판이 서로 조립이 될 때 맞닿는 단면적을 넓힘으로써, 기밀 성능의 개선을 도모할 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 효과로서는 가스켓이 상/하로 눌림에 따른 단면적을 충분히 확보하여, 기밀을 유지하기 위한 가스켓의 실링 면적이 넓어지는 장점을 얻을 수 있다는 점을 들 수 있다.
또한, 본 발명의 또 다른 효과로서는 가스켓의 재질이 고무, 실리콘 재질을 적용함에 따라서 충분히 재질에 따른 가스켓의 두께가 증가되는 이점을 확보할 수 있다는 점을 들 수 있다.
도 1은 일반적인 연료전지 스택의 분해 사시도를 보여주는 개념도이다.
도 2는 도 1에 도시된 막전극 조립체(MEA: Membrane-Electrode Assembly)의 상하단에 분리판이 적층되는 단면도이다.
도 3은 도 2에 도시된 분리판의 구성도이다.
도 4는 도 3에 도시된 분리판 가스켓의 제 1 단면도의 예시이다.
도 5는 도 3에 도시된 분리판 가스켓의 제 2 단면도의 예시이다.
도 6은 도 4 및 도 5에 도시된 분리판 가스켓의 차이를 보여주는 개념도이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다. 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 붙였다. 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "위에" 있다고 할때, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우뿐 아니라 그 중간에 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 어떤 부분이 다른 부분 "바로 위에" 있다고 할 때에는 중간에 다른 부분이 없는 것을 뜻한다. 또한, 어떤 부분이 다른 부분 위에 "전체적"으로 형성되어 있다고 할 때에는 다른 부분의 전체 면(또는 전면)에 형성되어 있는 것뿐만 아니라 가장 자리 일부에는 형성되지 않은 것을 뜻한다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일실시예에 따른 연료전지용 분리판 가스켓 및 이를 갖는 연료전지 스택을 상세하게 설명하기로 한다.
도 1은 일반적인 연료전지 스택(100)의 분해 사시도를 보여주는 개념도이다. 도 1을 참조하면, 연료전지 스택(100). 막전극 접합체(MEA: Membrane-Electrode Assembly)(110), 가스 확산층(130,140), 가스켓(150) 및 실링(160)을 하나의 단위 셀로 한다. 상기 단위 셀은 연료전지 스택(100)이 원하는 규모의 출력을 확보할 수 있도록 수십개에서 수백개 적층된다.
구체적으로 상기 단위 셀은 막전극 접합체(110), 이 막전극 접합체(110)의 상단에 적층되는 제 1 가스 확산층(130), 막전극 접합체(110)의 하단에 적층되는 제 2 가스 황산층(140), 가스 확산층(130,140)에 적층되는 분리판(120)으로 구성된다.
상기 막전극 접합체(110)는 고분자 전해질막의 양쪽면에 촉매층이 도포된 형태로 구성된다. 부연하면, 촉매 슬러리를 기체 확산층 위에 코팅, 분사, 페인팅 등의 방법을 통하여 전극을 만들고, 이것을 고분자 전해질막과 열압착하여 제조한다. 물론, 촉매 슬러리를 고분자 전해질막에 직접 분사, 코팅, 페인팅하여 기체확산층과 열압착하는 제조 방법이 있다. 또 다른 제조 방법으로 촉매 슬러리를 이형지에 분사, 코팅, 페인팅하고 이것을 고분자 전해질막에 전사하여 전극을 만들고, 이것을 기체확산층과 접합한다.
물론, 제 1 가스 확산층(130)은 양극 가스 확산층(Anode Gas Diffusion Layer)이고, 제 2 가스 확산층(140)은 음극 가스 확산층(Cathode Gas Diffusion Layer)이 될 수 있다. 즉, 막전극 접합체(110)의 바깥부분으로 위치된다. 가스켓(150)은 분리판(120)의 가스켓 플랜지(미도시)에 위치되어 압착 변형됨으로써 기밀을 형성하여 준다.
또한, 실링(160)이 사용될 수 있는데, 이 실링(160)은 분리판(120)과 가스 확산층(130,140)의 사이에 위치되어 압착 변형됨으로써 기밀을 형성하여 준다.
일반적으로 연료전지는 사용되는 전해질의 종류에 따라 폴리머 전해질막 연료전지(PEMFC), 인산 연료전지(PAFC), 용융탄산염 연료전지(MCFC), 고체산화물 연료전지(SOFC) 등으로 구분될 수 있다. 이러한 연료전지의 종류에 따라 작동온도, 구성 부품의 재질 등이 달라진다.
본 발명의 일실시예에서는 폴리머 전해질막 연료전지(PEMFC)를 기본으로 설명하나, 다른 연료전지에도 변형 등을 통해 적용될 수 있다. 폴리머 전해질막 연료전지(PEMFC)의 작동 온도로서는 비교적 낮은 온도인 약 80 내지 120℃에서 작동될 수 있으며, 매우 높은 전력밀도를 가질 수 있기 때문에 차량용, 가정용 등의 전력원으로서 적용될 수 있다.
도 2는 도 1에 도시된 막전극 조립체(MEA: Membrane-Electrode Assembly)(110)의 상하단에 분리판(120)이 적층되는 단면도이다. 도 2를 참조하면, 분리판(120)은 상부 분리판(211) 및 하부 분리판(212)으로 구분되어 제 1 가스 확산층(130)의 바깥부분으로 적층된다. 물론, 이러한 분리판(120)은 제 2 가스 확산층(140)의 바깥부분에도 유사하게 적층된다.
특히, 분리판은 공기극/수소극 분리판과 냉각수를 공급하는 냉각수 공급 분리판으로 구성되고, 공기극/수소극용 가스채널 및/또는 냉각수용 워터채널에 대한 이중의 채널 유로(Flow Field)를 형성함으로써 연료(수소, 공기)를 공급하고 반응에 의해 발생된 물을 배출한다.
분리판(120)의 재질로는 금속, 탄소 복합재, 그래파이트 등이 사용될 수 있다. 탄소 복합재는 원료에 따라 폴리아크릴로니트릴(이하 PAN)계, 피치계, 레이온계로 분류될 수 있다. 보통 PAN계와 피치계가 주로 상용화되는데 방사-탄화-흑연화-표면처리와 같은 제조과정을 거쳐 탄생한다. 탄소 복합재는 탄소섬유 강화 플라스틱(이하 CFRP)이라고 부르는 형태로 사용될 수 있다.
도 3은 도 2에 도시된 분리판(120)의 구성도이다. 도 3을 참조하면, 수소, 공기, 냉각수의 각각에 대한 입출구를 형성하는 매니폴드(350)가 양단에 위치되고, 양단에 위치되는 매니폴드(350) 사이에 유로(301)가 형성된다. 이 유로(301)에는 연료(즉, 수소)의 흐름, 공기의 흐름 및 냉각수의 흐름을 서로 간섭하지 않는 채널 유로로 이루어진다. 분리판(120)은 양단에 동일한 매니폴드(350)를 이용하여 채널 유로 공용화 타입으로 형성됨으로써 동일한 형상의 1세트 금형만 이용하여 설계의 용이성과 함께 비용 저감도 이루어진다.
이러한 매니폴드(350)에는 수소를 배출하는 수소 배출통로(330-1), 공기를 복귀시키는 공기 복귀통로(330-2), 냉각수를 배출하는 냉각수 배출통로(340), 냉각수 순환 경로인 냉각수 경로(360) 등이 구성될 수 있다. 여기서, “배출”은 빠져나오는 출구를 “복귀”는 다시 들어가는 입구를 의미한다.
이 분리판(120)의 상단면에 분리판 가스켓(320)이 체결된다. 물론, 이러한 체결을 위해 분리판(120)에는 미리 돌출부(미도시)가 형성되며, 분리판 가스켓(320)에 이 돌출부에 삽입되는 삽입홀(321)이 형성된다.
분리판 가스켓(320)의 재질로는 고무, 실리콘 등이 사용될 수 있다.
도 4는 도 3에 도시된 분리판 가스켓(320)의 제 1 단면도의 예시이다. 도 4를 참조하면, 분리판 가스켓(320)은, 단면으로 하단 양단에 하단 걸림봉(410,420)이 돌출 형성되고, 상단에 제 2 걸림봉(400)이 돌출 형성된다. 부연하면, 좌측 말단 하단면에 제 1 하단 걸림봉(410)이 형성되고, 제 1 하단 걸림봉(410)과 일정한 이격으로 우측 말단 하단면에 제 2 하단 걸림봉(420)이 형성된다.
또한, 제 1 하단 걸림봉(410)과 제 2 하단 걸림봉(420)사이에는 중간부(402)가 형성되며, 상기 중간부(402)의 두께는 상기 하단 걸림봉(410,420)의 첨단보다 좁다. 이 중간부(402)의 반대 위치에 상단 걸림봉(400)이 형성된다. 즉, 제 1 하단 걸림봉(410)과 제 2 하단 걸림봉(420)사이의 중앙에 위치된다.
상단 및 하단 걸림봉(400,410,420)은 단면이 일정한 제 1 경사(43)를 가지고 첨단이 평탄면인 것을 특징으로 할 수 있다. 즉, 상단 걸림봉(400)의 밑단에는 요홈(401,411)이 형성된다. 부연하면, 상단 걸림봉(400)의 밑단에는 제 1 요홈(401)이 하단 걸림봉(410,420)의 밑단에는 제 2 요홈(411)이 형성된다.
특히, 하단 걸림봉(410,420) 및 상단 걸림봉(400)은 단면이 동일한 형상인 것을 특징으로 한다. 즉, 하단 걸림봉(410,420)은 상단 걸림봉(400)의 역형상이 된다. 물론, 상단 걸림봉(400)도 하단 걸림봉(410,420)의 역형상이 된다. 부연하면, 상기 하단 걸림봉(410,420) 및 상단 걸림봉(400)은 단면이 이등변 사각형이 된다.
이러한, 하단 걸림봉(410,420) 및 상단 걸림봉(400)이 형성된 분리판 가스켓(320)이 분리판(120)과 서로 조합됨으로써, 분리판 가스켓(320)이 서로 압착되어서 기밀을 유지할 수 있다. 즉, 이러한 압착으로 인해 실링(단면적) 성능이 개선된다.
하단 걸림봉(410,420) 및 상단 걸림봉(400)은 단면이 일정한 제 1 경사(43)를 가지고 첨단이 평탄면이다. 이때, 제 1 경사(43)는 약 52˚이다. 이 경우, 급격한 경사가 되면서 높이가 증가된다. 따라서, 분리판(120)과의 접촉시 높이의 증가로 인해 압착되더라도 기밀성이 다소 떨어질 수 있다.
한편, 요홈(401,411)도 일정 제 2 경사를 갖도록 형성된다. 즉, 바깥쪽에서 안쪽으로 갈수록 폭이 좁아지는 구조이다.
도 4를 계속 참조하면, 하단 걸림봉(410,420) 및 상단 걸림봉(400)의 높이(42)는 약 0.9t(여기서 t는 mm 단위를 나타낸다)이다. 또한, 하단 걸림봉(410,420) 및 상단 걸림봉(400)의 첨단에 형성되는 평탄면의 제 1 길이(41)는 약 0.6t이다. 또한, 요홈(401,411)을 형성하는 바깥 폭(40)은 약 0.33t이다.
도 5는 도 3에 도시된 분리판 가스켓의 제 2 단면도의 예시이다. 도 5를 참조하면, 하단 걸림봉(410,420) 및 상단 걸림봉(400)은 단면이 일정한 제 1 경사(53)를 가지고 첨단이 평탄면이다. 제 1 경사(530)는 약 47˚가 된다. 이는 도 4에 도시된 약 52˚보다 완만한 경사를 의미한다. 이때, 하단 걸림봉(410,420) 및 상단 걸림봉(400)의 높이(52)는 약 0.8t가 된다. 즉, 높이가 도 4에 도시된 것보다 낮아진다. 이를 통해, 분리판(120)과의 접촉시 높이가 감소되므로 인해 압착에 의해 기밀성이 개선된다.
하단 걸림봉(410,420) 및 상단 걸림봉(400)의 첨단에 형성되는 평탄면의 제 1 길이(51)는 약 0.6t이다. 또한, 요홈(401,411)을 형성하는 바깥 폭(40)은 약 0.48t이다. 즉, 도 4에 도시된 것보다 약 0.15t가 증가한 수치다.
도 6은 도 4 및 도 5에 도시된 분리판 가스켓의 차이를 보여주는 개념도이다. 도 6을 참조하면, 얇은선(601)은 도 4에 따른 결과이고, 굵은선(602)은 도 5에 따른 결과이다. 얇은선(601)과 굵은선(602)에 따라 높이 차이(60) 및 바깥폭 차이가 발생한다. 즉 높이 차이(60)에 따라 하단 걸림봉(410,420) 및 상단 걸림봉(400)의 높이축으로 두께 증가가 발생한다(620). 또한, 바깥폭 차이에 따라 전체적으로 부피 감소가 발생한다(610).
100: 연료전지 스택
110: 막전극 접합체
120, 310: 분리판
130,140: 제 1 및 제 2 가스 확산층
150: 가스켓
160: 실링
320: 분리판 가스켓
400: 상단 걸림봉
410,420: 제 1 및 제 2 하단 걸림봉

Claims (12)

  1. 연료전지용 분리판 가스켓(320)에 있어서,
    상층부의 분리판과 하층부의 분리판이 서로 조립이 될 때 맞닿도록 단면으로 하단 양단에 하단 걸림봉(410,420)이 돌출 형성되고, 상단에 제 2 걸림봉(400)이 돌출 형성되며, 상기 하단 걸림봉(410,420) 및 상단 걸림봉(400)은 단면이 일정한 제 1 경사를 가지고 첨단이 평탄면이고,
    상기 하단 걸림봉(410,420)사이에는 중간부(402)이 형성되며, 상기 중간부(402)의 두께는 상기 하단 걸림봉(410,420)의 첨단보다 좁고,
    상기 상단 걸림봉(400)은 상기 중간부(402)의 반대 위치에 형성되고,
    상기 하단 걸림봉(410,420) 및 상단 걸림봉(400)은 서로 엇갈리게 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판 가스켓.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 하단 걸림봉(410,420) 및 상단 걸림봉(400)은 단면이 동일한 형상인 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판 가스켓.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 하단 걸림봉(410,420) 및 상단 걸림봉(400)의 밑단에는 요홈(411.401)이 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판 가스켓.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 요홈(411,401)은 부피를 감소시키기 위해 일정한 제 2 경사를 갖는 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판 가스켓.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 하단 걸림봉(410,420) 및 상단 걸림봉(400)은 단면이 이등변 사각형인 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판 가스켓.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 경사는 두께를 증가시키기 위해 47˚인 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판 가스켓.
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 따른 연료전지용 분리판 가스켓(320); 및
    상기 분리판 가스켓(320)이 삽입되는 분리판(120);
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 연료전지용 분리판 가스켓(320)의 재질은 고무 또는 실리콘인 것을 특징으로 하는 연료전지 스택.
  11. 제 9 항에 있어서,
    상기 분리판(120)의 재질은 금속 또는 탄소 복합재인 것을 특징으로 하는 연료전지 스택.
  12. 제 9 항에 있어서,
    상기 분리판(120)에는 물을 배출하기 위한 채널 유로가 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택.
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