KR102121623B1 - 연료 전지의 시일 구조 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 세퍼레이터(1, 2)를 적층하여 조립하는 과정에서, 개스킷(3)의 시일 돌조(32)의 압축 응력에 의해 베이스부(31)가 솟아올라 세퍼레이터(1, 2)의 사이에 물려 들어가는 것을 억제 또는 회피할 수 있는 연료 전지 시일 구조를 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 개스킷(3)이, 세퍼레이터(1)의 시일 장착 홈(11)에 비접착으로 끼움결합되는 베이스부(31)와, 세퍼레이터(2)의 시일 홈(21)에 밀착 접촉되는 시일 돌조(32)를 가지고, 시일 홈(32)의 폭방향 양측에, 개스킷(3)의 베이스부(31)에 맞닿는 누름 돌기(22) 및 상기 누름 돌기(22)에서 볼 때 시일 홈(21)과 반대측에 위치하는 릴리프 홈(23)이 형성되며, 시일 홈(21)과 그 양측의 누름 돌기(22)의 폭의 합(Wa)이 시일 장착 홈(11)의 폭(W11)보다 작고, 시일 홈(21)과 그 양측의 누름 돌기(22) 및 릴리프 홈(23)의 폭의 합(Wb)이 시일 장착 홈(11)의 폭(W11)보다 크다.

Description

연료 전지의 시일 구조{FUEL CELL SEALING STRUCTURE}
본 발명은, 연료 전지의 시일 구조에 관한 것이다.
연료 전지는, 전해질막의 양면에 한 쌍의 전극층을 설치한 막전극 복합체(MEA:Membrane Electrode Assembly)의 두께 방향 양측에 세퍼레이터를 적층하여 연료 전지 셀로 하고, 또한 상기 연료 전지 셀을 다수 적층한 스택(stack) 구조로 되어 있다. 그리고 산화 가스(공기)가 막전극 복합체의 캐소드(cathode)측에 공급되고, 연료 가스(수소)가 막전극 복합체의 애노드(anode)측에 공급되며, 물의 전기분해의 역반응(逆反應)인 전기화학반응, 즉 수소와 산소로 물을 생성하는 반응에 의해, 전력을 발생하는 것이다.
이러한 종류의 연료 전지는, 각 연료 전지 셀에, 연료 가스나 산화 가스, 상술한 전기화학반응에 의해 생성된 물이나, 잉여(剩餘) 공기 등을 시일하기 위한 개스킷(gasket)이 이용된다. 즉 예컨대 도 7에 나타내는 바와 같이, 서로 적층되는 세퍼레이터(101, 102) 중 일방(一方)의 세퍼레이터(101)에 형성된 시일 장착 홈(101a)에, 고무상(狀)(rubber-like)의 탄성 재료(고무 재료 또는 고무상(狀)의 탄성을 갖는 합성수지재료)로 이루어지는 개스킷(103)을 유지하고, 상기 개스킷(103)에 융기(隆起) 형성된 시일 돌조(突條, 103a)를, 타방(他方)의 세퍼레이터(102)에 형성된 시일 홈(102a)에 밀착 접촉시키는 것이다.
여기서, 세퍼레이터(101)의 시일 장착 홈(101a)과 세퍼레이터(102)의 시일 홈(102a)의 폭이 서로 동일한 경우에는, 세퍼레이터(101, 102)를 적층하여 조립하는 과정에서, 개스킷(103)의 시일 돌조(103a)가 그 두께방향으로 압축 변형됨에 따른 응력(應力)에 의해, 그 근원이 되는 베이스부(基部, 103b)가 솟아올라, 상기 베이스부(103b)의 단부(端部)가 세퍼레이터(101, 102)의 홈 어깨부(groove shoulder part) 사이에 물려 들어갈 우려가 있다.
그리고, 이와 같이 물려 들어가는 것을 방지하기 위해서는, 도 7에 나타내는 예와 같이, 개스킷(103)과 대향되는 세퍼레이터(102)의 시일 홈(102a)의 폭(Wb)을, 세퍼레이터(101)의 시일 장착 홈(101a)의 폭(Wa)보다 크게 설정하는 것이 알려져 있다. 이와 같이 구성하면, 세퍼레이터(101, 102)를 적층하여 조립하는 과정에서, 개스킷(103)의 시일 돌조(103a)의 압축 응력에 의해 베이스부(103b)가 솟아올라도, 상기 베이스부(103b)의 단부가 세퍼레이터(101, 102)의 홈 어깨부 사이에 물려 들어가는 것을 억제 또는 회피할 수가 있다(하기 특허문헌 1 참조).
일본 특허 공개 공보 제2009-277957호
그런데, 도 7에 나타내는 예와 같이, 세퍼레이터(101)의 시일 장착 홈(101a)이 얕은 경우나, 시일 장착 홈(101a)의 표면 성상(性狀) 등에 따라, 상기 시일 장착 홈(101a)에 대한 개스킷(103)의 베이스부(103b)의 앵커(anchor) 작용이 약한 경우에는, 도 8에 나타내는 바와 같이, 세퍼레이터(101, 102)를 적층하여 조립하는 과정에서, 개스킷(103)의 시일 돌조(103a)의 압축 응력에 의해 베이스부(103b)가 크게 솟아올라, 도 9에 나타내는 바와 같이, 내부압력(內壓, P)에 의해 개스킷(103)이 홈 내부에서 폭방향으로 변위하여, 시일 기능이 저하될 우려가 있다.
또, 시일 돌조(103a)의 압축 응력에 의해 베이스부(103b)가 솟아오르는 것을 방지하기 위하여, 도 7에 나타내는 예와는 반대로, 개스킷(103)과 대향되는 세퍼레이터(102)의 시일 홈(102a)의 폭을, 세퍼레이터(101)의 시일 장착 홈(101a)의 폭보다 작게 하는 것도 고려되지만, 이러한 경우에는 도 10에 나타내는 바와 같이, 세퍼레이터(101, 102)를 적층하여 조립하는 과정에서, 개스킷(103)의 시일 돌조(103a)의 압축 응력에 의해 베이스부(103b)가 솟아오르면, 결국, 베이스부(103b)의 단부(103c)가 세퍼레이터(101, 102)의 홈 어깨부 사이에 물려 들어갈 우려가 있다.
본 발명은, 이상과 같은 점을 감안하여 이루어진 것으로서, 그 기술적 과제는, 세퍼레이터를 적층하여 조립하는 과정에서, 개스킷의 시일 돌조의 압축 응력에 의해 베이스부가 솟아올라 그 단부가 세퍼레이터의 사이에 물려 들어가는 것을 억제 또는 회피할 수 있는 연료 전지 시일 구조를 제공하는 데에 있다.
상술한 기술적 과제를 유효하게 해결하기 위한 수단으로서, 청구항 1의 발명에 관한 연료 전지의 시일 구조는, 서로 적층되어 두께 방향으로 대향되는 세퍼레이터 중 일방(一方)의 세퍼레이터에 형성된 시일 장착 홈에, 고무상(狀)의 탄성 재료로 이루어지는 개스킷을 장착하고, 상기 개스킷이, 상기 시일 장착 홈에 비(非)접촉으로 끼움결합되는 베이스부와, 상기 베이스부에 융기 형성되어 타방(他方)의 세퍼레이터에 형성된 시일 홈에 밀착 접촉하는 시일 돌조를 갖는 연료 전지의 시일 구조로서, 상기 시일 홈의 폭방향 양측에, 상기 개스킷의 베이스부에 맞닿는 누름 돌기(pressing projections) 및 상기 누름 돌기에서 볼 때 상기 시일 홈과 반대측에 위치하는 릴리프 홈(clearance grooves)이 형성되며, 상기 시일 홈과 그 양측의 누름 돌기의 폭의 합이 상기 시일 장착 홈의 폭보다 작고, 상기 시일 홈과 그 양측의 누름 돌기 및 릴리프 홈의 폭의 합이 상기 시일 장착 홈의 폭보다 큰 것을 특징으로 하는 것이다. 또한, 고무상의 탄성 재료란, 고무 재료 또는 고무상의 탄성을 갖는 합성수지재료를 말한다.
청구항 2의 발명에 관한 연료 전지의 시일 구조는, 청구항 1에 기재된 구성에 있어서, 누름 돌기가 개스킷의 베이스부에 대한 체결 여유(interference)를 갖는 것을 특징으로 하는 것이다.
청구항 3의 발명에 관한 연료 전지의 시일 구조는, 청구항 1 또는 2에 기재된 구성에 있어서, 릴리프 홈의 홈 깊이가 개스킷의 베이스부의 두께보다 작은 것을 특징으로 하는 것이다.
본 발명에 관한 연료 전지의 시일 구조에 의하면, 세퍼레이터를 적층하여 조립하는 과정에서, 개스킷의 시일 돌조가 시일 홈과 가압 접촉하고, 압축됨에 따라, 그 응력에 의해 개스킷의 베이스부가 솟아오르려 하지만, 상기 베이스부는 시일 홈의 폭방향 양측의 누름 돌기에 의해 눌러 넣어지며, 또한, 만일 상기 베이스부의 단부가 시일 장착 홈으로부터 비어져 나오는 경우가 있다 하더라도, 상기 시일 장착 홈의 홈 어깨부는 릴리프 홈과 대향되어 있기 때문에, 상기 베이스부의 단부가 세퍼레이터 사이에 물려 들어가는 것을 유효하게 억제 또는 회피할 수 있다.
또, 누름 돌기가 개스킷의 베이스부에 대한 체결 여유를 갖는 것이라면, 개스킷의 베이스부에 대한 누름 작용(pressing action)을 한층 높일 수가 있다.
또한, 릴리프 홈의 홈 깊이를 개스킷의 베이스부의 두께보다 작게 해 두면, 개스킷의 베이스부가 릴리프 홈으로 들어가기 어려우며, 이 때문에 내부압력(內壓) 등에 의한 개스킷의 폭방향으로의 변위를 방지할 수가 있다.
도 1은 본 발명에 관한 연료 전지의 시일 구조의 바람직한 제 1 실시형태를 나타내는 미(未)적층 상태의 부분 단면도이다.
도 2는 본 발명에 관한 연료 전지의 시일 구조의 바람직한 제 1 실시형태를 나타내는 적층 상태의 부분 단면도이다.
도 3은 본 발명에 관한 연료 전지의 시일 구조의 바람직한 제 2 실시형태를 나타내는 미적층 상태의 부분 단면도이다.
도 4는 본 발명에 관한 연료 전지의 시일 구조의 바람직한 제 2 실시형태를 나타내는 적층 상태의 부분 단면도이다.
도 5는 본 발명에 관한 연료 전지의 시일 구조의 바람직한 제 3 실시형태를 나타내는 미적층 상태의 부분 단면도이다.
도 6은 본 발명에 관한 연료 전지의 시일 구조의 바람직한 제 3 실시형태를 나타내는 적층 상태의 부분 단면도이다.
도 7은 종래 기술에 의한 연료 전지의 시일 구조의 일례를 나타내는 미적층 상태의 부분 단면도이다.
도 8은 종래 기술에 의한 연료 전지의 시일 구조의 일례에 있어서, 적층에 의해 개스킷이 변형된 상태를 나타내는 부분 단면도이다.
도 9는 종래 기술에 의한 연료 전지의 시일 구조의 일례에 있어서, 적층에 의해 개스킷이 변형되고, 내부압력에 의해 변위된 상태를 나타내는 부분 단면도이다.
도 10은 종래 기술에 의한 연료 전지의 시일 구조의 다른 예에 있어서, 적층에 의해 개스킷이 변형된 상태를 나타내는 부분 단면도이다.
이하, 본 발명에 관한 연료 전지의 시일 구조의 바람직한 실시형태에 대하여, 도면을 참조하면서 설명한다. 우선 도 1 및 도 2는, 제 1 실시형태를 나타내는 것이다.
도 1에 나타내는 미적층 상태에 있어서, 참조 부호 1은 연료 전지 셀을 구성하는 일방의 세퍼레이터, 참조 부호 2는 타방의 세퍼레이터이다. 일방의 세퍼레이터(1)에 있어서의 타방의 세퍼레이터(2)와의 대향면에는 시일 장착 홈(11)이 형성되고, 상기 시일 장착 홈(11)에는 개스킷(3)이 장착되어 있다.
개스킷(3)은 고무상(狀)의 탄성 재료에 의해 성형된 것으로서, 세퍼레이터(1)에 있어서의 시일 장착 홈(11)에, 상기 시일 장착 홈(11)을 메우도록 비접착으로 끼움결합되며, 상면이 시일 장착 홈(11)의 홈 어깨부와 대략 면 일치(面一)하는 편평한 베이스부(31)와, 상기 베이스부(31)의 폭 방향 중간부에 융기 형성된 시일 돌조(32)를 갖는다.
타방의 세퍼레이터(2)에 있어서의 일방의 세퍼레이터(1)와의 대향면에는, 상기 세퍼레이터(1)에 있어서의 시일 장착 홈(11)의 폭방향 중간부와 대향되며 바닥면(底面)에 개스킷(3)의 시일 돌조(32)가 적절히 압축 상태로 밀착 접촉되는 시일 홈(21)과, 상기 시일 홈(21)의 폭방향 양측에 위치하며 상기 개스킷(3)의 베이스부(31)에 맞닿는 누름 돌기(22, 22) 및 상기 누름 돌기(22, 22)에서 볼 때 상기 시일 홈(21)과 반대측에 위치하는 릴리프 홈(23, 23)이 형성되어 있다.
세퍼레이터(2)의 시일 홈(21)의 폭(W21), 다시 말해 누름 돌기(22, 22) 사이의 폭은, 적층에 의한 압축 상태에서의 개스킷(3)의 시일 돌조(32)의 시일 홈(21)에 대한 충전율이 100%를 넘지 않는 범위로 설정된다. 그리고 상기 시일 홈(21)과 그 양측의 누름 돌기(22, 22)의 폭의 합(W21+W22×2(=Wa))은, 세퍼레이터(1)의 시일 장착 홈(11)의 폭(W11)보다 작고, 상기 시일 홈(21)과 그 양측의 누름 돌기(22, 22) 및 릴리프 홈(23, 23)의 폭의 합(W21+W22×2+W23×2(=Wb))은, 상기 시일 장착 홈(11)의 폭(W11)보다 큰 것으로 되어 있다. 또, 시일 홈(21)의 깊이와 릴리프 홈(23)의 깊이와 누름 돌기(22)의 높이는 동일하다.
따라서, 세퍼레이터(1, 2)를 적층하여 조립하는 과정에서는, 우선 개스킷(3)의 시일 돌조(32)가 시일 홈(21)의 바닥면과 가압 접촉하여, 압축되어 감에 따라서, 그 응력에 의해 개스킷(3)의 베이스부(31)가 시일 장착 홈(11)으로부터 솟아올라, 부상(浮上)하려고 하지만, 상기 베이스부(31)는, 도 2에 나타내는 바와 같이 시일 홈(21)의 양측의 누름 돌기(22, 22)에 의해 눌러 넣어진다. 또, Wa＜W11＜Wb임에 따라, 상기 베이스부(31)의 양단은 릴리프 홈(23)과 대향되게 된다. 따라서, 개스킷(3)의 베이스부(31)의 단부가 세퍼레이터(1, 2)의 사이에 물려 들어가는 것을 유효하게 억제 또는 회피할 수가 있다.
다음으로 도 3 및 도 4는, 제 2 실시형태를 나타내는 것이다. 본 실시형태에 있어서, 상술한 제 1 실시형태와 다른 점은, 누름 돌기(22)의 높이가 세퍼레이터(2)에 있어서의 세퍼레이터(1)와의 적층면(2a)보다 Δh만큼 높고, 이 때문에, 도 4에 나타내는 적층 상태에 있어서 누름 돌기(22)가 개스킷(3)의 베이스부(31)에 대하여 체결 여유(Q)를 가지고 맞닿게 되어 있는 점에 있다. 그 밖의 구성은, 제 1 실시형태와 마찬가지이다.
이와 같이 구성하면, 개스킷(3)의 베이스부(31)에 대한 누름 돌기(22)의 가압력이 높아지기 때문에, 내부압력 등에 의한 개스킷(3)의 폭방향으로의 변위를 유효하게 방지할 수가 있다.
또, 누름 돌기(22)의 체결 여유(Q)가 클수록, 적층에 의해 세퍼레이터(1, 2)에 작용하는 부하(負荷)가 커지기 때문에, 그것을 고려하여 Δh는 적절히 설정된다.
다음으로 도 5 및 도 6은, 제 3 실시형태를 나타내는 것이다. 본 실시형태에 있어서, 앞서 설명한 제 1 실시형태와 다른 점은, 세퍼레이터(2)에 있어서의 릴리프 홈(23)의 홈 깊이(d)를 개스킷(3)의 베이스부(31)의 두께(t(≒시일 장착 홈(11)의 깊이))보다 작게 한 점에 있다. 그 밖의 구성은, 제 1 실시형태와 마찬가지이다.
이와 같이 구성하면, 개스킷(3)이 내부압력을 받아도, 개스킷(3)의 베이스부(31)가 릴리프 홈(23)으로 들어가기 어려우며, 이 때문에 개스킷(3)의 폭방향으로의 변위를 방지할 수가 있다.
또, 본 제 3 실시형태에 있어서도, 제 2 실시형태와 마찬가지로, 누름 돌기(22)에 개스킷(3)의 베이스부(31)에 대한 체결 여유를 설정한 구성으로 할 수가 있다.
1; 일방(一方)의 세퍼레이터
11; 시일 장착 홈
2; 타방(他方)의 세퍼레이터
21; 시일 홈
22; 누름 돌기
23; 릴리프 홈
3; 개스킷
31; 베이스부
32; 시일 돌조(突條)

Claims (3)

  1. 서로 적층되어 두께 방향으로 대향되는 세퍼레이터 중 일방(一方)의 세퍼레이터에 형성된 시일 장착 홈에, 고무상(狀)(rubber-like)의 탄성 재료로 이루어지는 개스킷(gasket)을 장착하고, 상기 개스킷이, 상기 시일 장착 홈에 비(非)접촉으로 끼움결합되는 베이스부(基部)와, 상기 베이스부에 융기(隆起) 형성되어 타방(他方)의 세퍼레이터에 형성된 시일 홈에 밀착 접촉되는 시일 돌조(突條)를 갖는 연료 전지의 시일 구조로서, 상기 시일 홈의 폭방향 양측에, 상기 개스킷의 베이스부에 맞닿는 누름 돌기(pressing projections) 및 상기 누름 돌기에서 볼 때 상기 시일 홈과 반대측에 위치하는 릴리프 홈이 형성되며, 상기 시일 홈과 그 양측의 누름 돌기의 폭의 합이 상기 시일 장착 홈의 폭보다 작고, 상기 시일 홈과 그 양측의 누름 돌기 및 릴리프 홈의 폭의 합이 상기 시일 장착 홈의 폭보다 큰 것을 특징으로 하는 연료 전지의 시일 구조.
  2. 제 1항에 있어서,
    누름 돌기가 개스킷의 베이스부에 대한 체결 여유를 갖는 것을 특징으로 하는 연료 전지의 시일 구조.
  3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    릴리프 홈의 홈 깊이가 개스킷의 베이스부의 두께보다 작은 것을 특징으로 하는 연료 전지의 시일 구조.
KR1020157034798A 2013-05-27 2014-05-13 연료 전지의 시일 구조 KR102121623B1 (ko)

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