KR102602857B1 - 연료전지 용 가스켓 및 이를 포함하는 연료전지 - Google Patents
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Abstract
연료전지 단위셀 용 가스켓이 제공된다. 일 실시예에 있어서, 연료전지의 단위셀에 포함되어 서로 압착되는 분리판 및 가스켓에 있어서, 상기 가스켓은 고분자 베이스 및 탄소복합소재 입자를 포함하는 고분자 베이스 층 조성물로부터 형성되는 고분자 베이스 층을 포함할 수 있다.
Description
본 발명은 연료전지용 가스켓 및 이를 포함하는 연료전지에 관한 것으로 구체적으로는 카본 복합소재 분리판에 적용될 수 있는 연료전지용 가스켓 및 이를 포함하는 연료전지에 관한 것이다.
일반적으로 연료전지는 단위셀 또는 단위셀을 적층한 스택(Stack) 형태로 이루어진다. 연료전지의 단위셀은 분리막의 양측에 가스를 확산시키기 위한 연료극(양극)과 공기극(음극)이 접합되어 반응부가 형성되는 막-전극 조립체(MEA : Membrane Electrode Assembly)와, 막-전극 조립체의 양측에 밀착되도록 조립되어 연료극(양극)과 공기극(음극)으로 투입되는 연료가스 및 산소함유가스의 유로(Flow field)가 형성된 분리판(Bipolar Plate), 분리판 가장자리에 배치되어 연료와 공기의 누설을 차단하는 가스켓(Gasket)과, 상기 분리판의 양측에 배치되어 연료극(양극)과 공기극(음극)의 집전극이 되는 엔드플레이트 또는 집전판으로 구성되어 있다.
가스켓은 분리판과 MEA 간의 일정한 간격을 유지하고, 분리판의 유로를 통하여 투입된 연료와 공기가 다른 부위로 새어 나오지 않도록 기밀성을 유지하는 역할을 하기 때문에 모든 분리판과 접촉하게 된다. 따라서 연료전지용 가스켓은 다양한 물성을 만족해야 한다. 예를 들어, 적절한 범위의 경도, 고탄성 또는 매우 낮은 영구압축줄음률, 온도 변화에 따른 적은 물성의 변화, 우수한 기계적 물성, 우수한 내산성/내가수분해성, 수소/공기/냉각수에 대한 낮은 확산성, 촉매 피독을 유발할 수 있는 불순물들의 낮은 함량 및 우수한 내열성 등을 동시에 만족시켜야 한다.
최근 연료전지의 부피의 축소와 경량화를 위해서 분리판의 두께가 얇아지고 있어 가스켓의 형상과 물성이 더욱 중요해지고 있다. 특히 카본 복합소재 분리판에 적용되는 가스켓의 경우 카본 복합소재 분리판에 적합한 물성을 확보해야 한다. 따라서, 유체의 정상적인 흐름을 방해하지 않으면서도 카본 복합소재를 포함하는 연료전지용 분리판과의 부착력 및 밀폐력이 우수하고, 상기 분리판을 효과적으로 지지할 수 있으면서도, 가공이 용이한 가스켓에 대한 개발이 요구된다.
본 발명은 유체의 정상적인 흐름을 방해하지 않으면서도 카본 복합소재를 포함하는 연료전지용 분리판과의 부착력이 우수하고, 충분한 밀폐력이 발휘되는 탄성을 가지면서도 상기 분리판을 효과적으로 지지할 수 있는 강성을 갖는, 카본 복합소재 분리판에 적용될 수 있는 연료전지 단위셀 용 가스켓을 제공한다.
본 발명은 상기와 같은 문제를 해결하기 위해, 연료전지의 단위셀에 포함되어 서로 압착되는 분리판 및 가스켓에 있어서, 상기 가스켓은 고분자 베이스 및 탄소복합소재 입자를 포함하는 고분자 베이스 층 조성물로부터 형성되는 연료전지 단위셀 용 가스켓을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 가스켓의 실링(sealing) 특성이 향상되어 유체가 연료전지 스택 외부로 유출되지 않도록 할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 가스켓을 형성하는 조성물에 포함된 탄소복합소재 입자가 상기 가스켓과 접촉하는 분리판을 형성하는 조성물에 포함된 탄소복합소재 입자와 동일한 소재가 적용되어, 물리적 압착력과 화학적 압착력의 상승작용에 의해 밀폐력을 더욱 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 가스켓의 적어도 일부가 분리판과 일체로 형성되어 밀폐력을 더욱 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 가스켓의 영역 별로 서로 다른 소재가 적용되어 경도, 탄성 등의 물성이 영역 별로 다르게 나타나도록 하여 유체의 이동을 방해하지 않으면서 밀폐력이 향상되도록 할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지의 모식도이다.
도 2는 본 발명의 각 실시예에 따른 가스켓의 배치 형태를 나타낸 것이다.
도 3 내지 도 5는 본 발명의 각 실시예에 따른 가스켓의 구조를 나타낸 것이다.
도 6은 본 발명의 각 실시예에 따른 가스켓의 구성 소재를 모식적으로 나타낸 것이다.
도 7은 본 발명의 각 실시예에 따른 가스켓을 평면으로 바라본 형태를 나타낸 것이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 인정력 측정기를 이용한 가스켓 부착력 테스트 방법의 모식도이다.
도 2는 본 발명의 각 실시예에 따른 가스켓의 배치 형태를 나타낸 것이다.
도 3 내지 도 5는 본 발명의 각 실시예에 따른 가스켓의 구조를 나타낸 것이다.
도 6은 본 발명의 각 실시예에 따른 가스켓의 구성 소재를 모식적으로 나타낸 것이다.
도 7은 본 발명의 각 실시예에 따른 가스켓을 평면으로 바라본 형태를 나타낸 것이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 인정력 측정기를 이용한 가스켓 부착력 테스트 방법의 모식도이다.
이하, 본 발명의 실시예들이 상세하게 설명된다. 그러나 본 발명이 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 내용을 더 완전하게 알려주기 위하여 제공되는 것이다.
본 명세서에서 일 요소가 다른 요소 '위' 또는 '아래'에 위치하는 것으로 언급되는 경우, 이는 상기 일 요소가 다른 요소 '위' 또는 '아래'에 바로 위치하거나 또는 그들 요소들 사이에 추가적인 요소가 개재될 수 있다는 의미를 모두 포함한다. 본 명세서에서, '상부' 또는 '하부' 라는 용어는 관찰자의 시점에서 설정된 상대적인 개념으로, 관찰자의 시점이 달라지면, '상부' 가 '하부'를 의미할 수도 있고, '하부'가 '상부'를 의미할 수도 있다.
복수의 도면들 상에서 동일 부호는 실질적으로 서로 동일한 요소를 지칭한다. 또한, '포함하다' 또는 '가지다' 등의 용어는 기술되는 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하 본 발명의 일 실시예를 도면을 참조하여 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 모식도이다.
도 1을 참조하면, 연료전지 스택(1)은 양 끝에 위치하는 엔드플레이트(20) 사이에 복수개의 단위셀(10)이 연속적으로 배치되는 구조를 포함한다.
단위셀(10)은 분리판(200), 가스켓(100), 및 막-전극 조립체(300)를 포함할 수 있고, 분리판(200), 가스켓(100), 막-전극 조립체(300), 가스켓(100), 및 분리판(200)의 순서로 배치될 수 있다. 이때, 이들 구성은 상호 압착되어 분리판(200)과 가스켓(100)이 밀착되고, 막-전극 조립체(300)와 가스켓(100)이 밀착될 수 있다. 또한 분리판(200)과 가스켓(100)이 서로 일체화된 구조가 적용될 수 있고, 막-전극 조립체(300)와 가스켓(100)이 서로 일체화된 구조가 적용될 수 있다.
가스켓(100)의 최외각은 소정의 폭과 두께를 갖고 폐쇄된 형태를 가질 수 있다. 이에 따라, 가스켓(100)은 분리판(200)에 형성된 분리판 유로(201)와 분리판 관통부(202), 및 막-전극 조립체(300)에 형성된 반응부(301)에 유입된 연료와 가스 등의 유체가 단위셀(10) 외부로 유출되지 않도록 밀폐시킬 수 있다. 예를 들어, 가스켓(100)의 상기 최외각은 도 7을 들어 후술하는 바와 같이 대응되는 한 쌍의 외측 제1테두리부(도 7의 101a) 및 외측 제1테두리부(도 7의 101a)에서 연장되되 대응되는 한 쌍의 외측 제2테두리부(도 7의 102a)로 정의될 수 있다.
또한, 가스켓(100)은 상기 최외각 내측에 형성된 내측 테두리부(도 7의 104a) 및 연결부(도 7의 103a)에 의해 영역이 구획될 수 있다.
예를 들어, 상기 내측 테두리부(도 7의 104a)는 분리판(200)에 형성된 분리판 유로(201)와 분리판 관통부(302) 사이에 형성되고, 상기 연결부(도 7의 103a)는 상기 외측 제1테두리부(도 7의 101a)와 상기 내측 테두리부(도 7의 104a)를 연결하되, 분리판 관통부(202)에 인접하여 형성될 수 있다.
예를 들어, 상기 내측 테두리부(도 7의 104a)는 막-전극 조립체(300)에 형성된 반응부(301)와 막-전극 조립체 관통부(302) 사이에 형성되고, 상기 연결부(도 7의 103a)는 상기 외측 제1테두리부(도 7의 101a)와 상기 내측 테두리부(도 7의 104a)를 연결하되, 막-전극 조립체 관통부(302)에 인접하여 형성될 수 있다.
이에 따라, 가스켓(100)은 분리판 유로(201), 분리판 관통부(202), 반응부(301) 및 막-전극 조립체 관통부(302)를 통과하는 유체가 연료전지 스택(1) 외부로 유출되지 않도록 할 수 있다.
한편, 분리판 관통부(202)는 도면에서 가스켓(100)의 일 측부에 2개, 타 측부에 2개가 형성된 것으로 도시되었으나, 설계 변경에 의해 그 개수가 달라질 수 있다.
도 2는 본 발명의 각 실시예에 따른 가스켓의 배치 형태를 나타낸 것으로, 가스켓(100a, 100b, 100c)과 분리판(200a, 200b, 200c)의 배치 형태에 관한 실시예를 나타낸 것이다.
도 2를 참조하면, 분리판(200a, 200b, 200c)은 각각 분리판 코팅층(220a, 220b, 220c) 사이에 보강층(210a, 210b, 210c)이 형성될 수 있다.
예를 들어, 가스켓(100a, 100b, 100c)은 분리판 코팅층(220a, 220b, 220c)과 동일한 소재를 포함할 수 있다.
도 2(a)를 참조하면, 가스켓(100a)은 분리판 코팅층(220a)의 적어도 일 면에 밀착하여 배치될 수 있다. 이때, 가스켓(100a)과 분리판 코팅층(220a)은 접착제로 부착되거나, 물리적 압력에 의하여 밀착될 수 있다.
도 2(b)를 참조하면, 가스켓(100b)은 분리판 코팅층(220b)의 적어도 일 면에 형성되는 분리판 홈(203)에 삽입되어 배치될 수 있다. 이때, 가스켓(100b)의 폭은 분리판 홈(203)의 폭과 대응되거나 보다 크도록 형성될 수 있으며, 가스켓(100b)의 두께는 홈(203)의 깊이보다 두껍게 형성될 수 있다. 또한, 가스켓(100a)은 분리판 홈(203)에 삽입된 후 접착제 및/또는 물리적 압력에 의하여 부착 및/또는 압착될 수 있다. 이에 따라, 가스켓(100b)과 분리판(200b)의 밀착력이 향상될 수 있다.
도 2(c)를 참조하면, 가스켓(100c)은 적어도 일부가 분리판 코팅층(220c)과 일체로 형성될 수 있다. 예를 들어, 가스켓(100c)은 분리판 코팅층(220c) 형성 공정 중에 형성될 수 있다. 예를 들어, 가스켓(100c)은 분리판 코팅층(220c)과 동일한 조성으로 일체로 제작되어 가스켓(100c)에 의한 실링(sealing) 특성을 향상시킬 수 있다.
도 3 내지 도 5는 본 발명의 각 실시예에 따른 가스켓의 구조를 나타낸 것으로, 가스켓(100d, 100e, 100f, 100g, 100h, 100i)의 각 형태에 관한 실시예를 나타낸 것이다.
도 3(a)를 참조하면, 가스켓(100d)은 가스켓(100d) 일면에 가스켓 함몰부(106)가 형성될 수 있다.
가스켓 함몰부(106)는 가스켓(100d)이 밀착되는 상기 분리판 또는 상기 막-전극 조립체에서 가스켓 함몰부(106)와 대응되는 위치와 형상으로 형성된 돌출부(미도시)에 결합되어, 밀폐력을 더욱 향상시킬 수 있다.
도 3(b)를 참조하면, 가스켓(100e)은 가스켓(100e)의 양 면에 가스켓 함몰부(106a, 106b)가 형성될 수 있다. 가스켓 함몰부(106a, 106b)는 가스켓(100e)이 밀착되는 상기 분리판 및 상기 막-전극 조립체에서 가스켓 함몰부(106a, 160b)와 대응되는 위치와 형상으로 형성된 돌출부(미도시)에 결합되어, 밀폐력을 더욱 향상시킬 수 있다.
도 4(a)를 참조하면, 가스켓(100f)은 가스켓(100f) 일면에 가스켓 돌출부(107)가 형성될 수 있다.
가스켓 돌출부(107)는 가스켓(100f)이 밀착되는 상기 분리판 또는 상기 막-전극 조립체에서 가스켓 돌출부(107)와 대응되는 위치와 형상으로 형성된 함몰부(미도시)에 결합되어, 밀폐력을 더욱 향상시킬 수 있다.
도 4(b)를 참조하면, 가스켓(100g)은 가스켓(100g)의 양 면에 가스켓 돌출부(107a, 107b)가 형성될 수 있다. 가스켓 돌출부(107a, 107b)는 가스켓(100g)이 밀착되는 상기 분리판 및 상기 막-전극 조립체에서 가스켓 돌출부(107a, 170b)와 대응되는 위치와 형상으로 형성된 함몰부(미도시)에 결합되어, 밀폐력을 더욱 향상시킬 수 있다.
도 5(a)를 참조하면, 가스켓(100h)은 가스켓(100h)의 적어도 일 면에 가스켓 다단 함몰부(106c)가 형성될 수 있다. 가스켓 다단 함몰부(106c)는 가스켓(100h)이 밀착되는 상기 분리판 및/또는 상기 막-전극 조립체에서 가스켓 함몰부(106c)와 대응되는 위치와 형상으로 형성된 다단 돌출부(미도시)에 결합되어, 밀폐력을 더욱 향상시킬 수 있다.
도 5(b)를 참조하면, 가스켓(100i)은 가스켓(100i)의 적어도 일 면에 가스켓 다단 돌출부(107c)가 형성될 수 있다. 가스켓 다단 돌출부(107c)는 가스켓(100i)이 밀착되는 상기 분리판 및/또는 상기 막-전극 조립체에서 가스켓 다단 돌출부(107c)와 대응되는 위치와 형상으로 형성된 다단 함몰부(미도시)에 결합되어, 밀폐력을 더욱 향상시킬 수 있다.
한편, 도 3 내지 도 5에서 전술한 상기 돌출부, 상기 함몰부, 상기 다단 돌출부, 및 상기 다단 함몰부는 가스켓 함몰부(106, 106a, 106b), 가스켓 돌출부(107, 107a, 107b), 가스켓 다단 함몰부(106c), 및 가스켓 다단 함몰부(107c)와 대응되는 형태로서 통상의 기술자가 본 발명의 설명으로부터 실시 가능한 것이므로 도면에서의 도시를 생략하였다.
도 6은 본 발명의 각 실시예에 따른 가스켓의 구성 소재를 모식적으로 나타낸 것으로, 이하 설명하는 가스켓(100j, 100k, 100k-1)은 전술한 가스켓(100, 100a, 100b, 100c, 100d, 100e, 100f, 100g, 100h, 100i)의 형태에 적용될 수 있다.
도 6(a)를 참조하면, 가스켓(100j)은 고분자 베이스 층(111a)에 탄소복합소재 입자(112a)가 혼합된 소재를 포함하여 구성될 수 있다.
가스켓(100j)은 고분자 베이스 및 탄소복합소재 입자(112a)를 포함하는 고분자 베이스 층 조성물로부터 형성되는 고분자 베이스 층(111a)을 포함할 수 있다. 일 예로, 가스켓(100j)은 서로 동일 또는 상이한 조성을 가지는 복수의 상기 고분자 베이스 층 조성물로부터 형성되는 복수의 상기 고분자 베이스 층을 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 고분자 베이스 층 조성물은 Acrylonitrile-butadiene Rubber(NBR), Ethylene-propylene-diene Rubber(EPDM), Vinyl-methyl Silicon Rubber(VMQ) 및 Fluoro Silicon Rubber(FVMQ), Fluorocarbon Rubber(FKM) 고무 계열 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
예를 들어, 탄소복합소재 입자(112a)는 천연 흑연, 인상 흑연, 고결정질 흑연, 미정질 흑연, 팽창크라파이트, 카본나노튜브, 그래핀, 카본 블랙, 전도성 카본블랙 및 카본파이버 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
예를 들어, 탄소복합소재 입자(112a)는 10~170 ㎛ 범위의 크기로 형성될 수 있으며, 일 예로, 비정형인 것을 포함할 수 있다.
상기 고분자 베이스 층 조성물은 상기 고분자 베이스 층 조성물 100 중량부 당 상기 고분자 베이스 45~75 중량부 및 탄소복합소재 입자(112a) 25~55 중량부를 포함할 수 있다. 상기 고분자 베이스가 75 중량부 초과일 경우 요구되는 가스켓의 탄성 및 내구성 문제가 발생할 수 있고, 45 미만일 경우 고무 성형 시 흐름성이 낮아져 성형이 어려우지는 문제가 발생할 수 있다. 탄소복합소재 입자(112a)가 55 중량부 초과일 경우 고무 경도가 높아 가스켓 실링 문제가 발생할 수 있고, 25 미만일 경우 고무 경도가 낮아 흐름성은 좋지만 원하는 탄성에 문제가 발생할 수 있다.
가스켓(100j)을 형성하기 위한 상기 고분자 베이스 층 조성물은 상기 분리판을 형성하기 위한 분리판 조성물과 동일한 탄소복합소재 입자(112a)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 고분자 베이스 층 조성물은 분리판 코팅층(도 2의 220a, 220b, 220c)을 형성하기 위한 분리판 코팅층 조성물과 동일한 탄소복합소재 입자(112a)를 포함할 수 있다. 이에 따라, 가스켓(100j)이 전술한 상기 분리판과 부착되는 경우, 물리적 접착과 화학적 접착의 상승효과로 부착력이 크게 향상되어, 가스켓(100j)에 의한 밀폐력을 크게 향상시킬 수 있다.
가스켓(100j)을 형성하기 위한 상기 고분자 베이스 층 조성물은 상기 분리판을 형성하기 위한 분리판 조성물과 동일한 소재 및/또는 조성을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 고분자 베이스 층 조성물은 분리판 코팅층(도 2의 220a, 220b, 220c)을 형성하기 위한 분리판 코팅층 조성물과 동일한 성분 및/또는 조성으로 형성될 수 있다. 일 예로, 고분자 베이스 45~75 중량부 및 탄소복합소재 입자(112a) 25~55 중량부를 포함하는 고분자 베이스 층 조성물로부터 제조된 고분자 베이스 층(111a)을 포함하는 가스켓(100j)과 전술한 분리판 코팅층(도 2의 220a, 220b, 220c)이 부착되는 경우, 물리적 접착과 화학적 접착의 상승효과로 부착력이 크게 향상되어, 가스켓(100j)에 의한 밀폐력을 크게 향상시킬 수 있다.
도 6(b)를 참조하면, 가스켓(100k)은 적어도 한 쌍의 고분자 베이스 층(111b, 111c) 사이에 프리프레그 층(113)이 형성되고 프리프레그 층(113)은 고분자 베이스 층(111b, 111c)이 형성되는 영역과 구분되는 구조를 포함할 수 있다.
일 면에 형성된 고분자 베이스 층(111b)과 타 면에 형성된 고분자 베이스 층(111c)은 이들을 형성하기 위한 상기 고분자 베이스 층 조성물의 조성이 동일할 수 있거나 상이할 수 있으며, 구체적인 조성은 도 6(a)를 들어 전술한 고분자 베이스 층(111a), 탄소복합소재 입자(112a), 및 이들을 포함하는 상기 고분자 베이스 층 조성물이 적용될 수 있다.
프리프레그 층(113)은 일방향 카본파이버, 포지드 카본파이버, 직물형 카본파이버 및 유리섬유 중 적어도 어느 하나 이상적용된 프리프레그로 형성될 수 있다. 이에 따라, 가스켓 형상유지가 용이해지는 효과가 있다.
예를 들어, 프리프레그 층(113)은 단일한 프리프레그로 구성되거나 또는 복수의 프리프레그가 적층된 구조를 포함할 수 있고, 상기 복수의 프리프레그는 서로 동일 또는 상이한 조성으로 형성될 수 있다.
예를 들어, 프리프레그 층(113)은 0.05~0.35 mm의 두께로 형성될 수 있고, 상기 수치 범위에서 다양한 분리판 제작 효과가 있다.
도 6(c)를 참조하면, 가스켓(100k-1)은 상기 고분자 베이스 층(111d)과 복수의 프리프레그(113a)가 포함될 수 있다.
예를 들어, 가스켓(100k-1)은 복수의 층으로 구성될 수 있다. 일 예로, 가스켓(100k-1)은, 고분자 베이스 층(111d)이 2개 이상의 프리프레그(113a)에 의해 층이 3개 이상으로 구분되는 구조를 포함할 수 있다.
예를 들어, 가스켓(100k-1)은 고분자 베이스 층(111d)과 프리프레그(113a)의 적층 구조가 연속되는 형태를 가질 수 있다.
고분자 베이스 층(111d)은 전술한, 고분자 베이스 층(111a, 111b, 111c)을 형성하는 상기 고분자 베이스 층 조성물과 전술한 탄소복합소재 입자(112a, 112b, 112c)를 포함할 수 있다.
도 7은 본 발명의 각 실시예에 따른 가스켓을 평면으로 바라본 형태를 나타낸 것이다.
도 7(a)를 참조하면, 가스켓(100l)은 외측 제1테두리부(101a) 및 외측 제2테두리부(102a)로 상기 최외각이 정의될 수 있고, 상기 최외각 내부에 내측 테두리부(104a) 및 연결부(103a)가 형성될 수 있다. 외측 제1테두리부(101a), 외측 제2테두리부(102a), 연결부(103a), 및 내측 테두리부(104a)의 배치 형태는 도 1을 들어 전술한 바가 적용될 수 있다.
연결부(103a)와 내측 테두리부(104a) 중 적어도 어느 하나에 가스켓 연통부(105)가 형성될 수 있다. 가스켓 연통부(105)는 도 1에서 전술한 분리판 유로(201), 분리판 관통부(202), 반응부(301), 및 막-전극 조립체 관통부(302) 간 연료와 가스 등 유체의 이동이 가능하도록 하는 것으로, 하나 이상이 형성될 수 있다.
한편, 가스켓(100l)을 사이에 두고 전술한 상기 분리판과 상기 막-전극 조립체를 압착할 경우 상기 분리판과 상기 막-전극 조립체의 두께가 얇기 때문에 압착력이 가스켓(100l)의 전 면적으로 고르게 전달되지 않을 수 있다. 따라서, 가스켓(100l)은 0.15~0.45mm 두께로 제작되되, 두께 편차가 ±0.01mm 이하로 제작되는 것이 바람직하다. 또한 탄성률이 1~100[N/㎟] 로 제작되는 것이 바람직하다.
도 7(b)를 참조하면, 가스켓(100m)은 도 7(a)를 들어 전술한 가스켓(100l)에서 외측 제1테두리부(101b), 외측 제2테두리부(102b), 연결부(103b), 및 내측 테두리부(104b) 중 적어도 어느 하나가 서로 다른 상기 고분자 베이스 층 조성물로 형성될 수 있다. 예를 들어, 가스켓(100m)에 압착력이 높게 가해지는 부분에 적합한 두께, 탄성률 및 강도를 갖도록 조합할 수 있다. 이에 따라, 분리판과 가스켓(100m)의 밀착이 우수해지고 보관이나 체결과정에서 가스켓이 이탈하거나 변형되는 가능성이 낮아질 수 있다. 또한, 가스켓(100m)의 밀착을 위해 인가되어야 하는 압축력이 낮아짐으로 체결된 스택의 체결압을 낮추는 것이 가능하며, 가스켓(100m) 전체의 압축력 분포가 고르게 분포되어, 실링성능이 향상되는 효과가 있다.
이하, 실시예, 비교예 및 실험예를 통해 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다. 그러나 하기의 실시예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 것일 뿐 어떠한 의미로든 본 발명의 범위가 이들 실시예로 한정되는 것은 아니다.
실시예
NBR : 고상의 NBR (금호석유화학 B6280)
가황제 : 유황, Sulfate (미원유화)
경화제 : 20% 농도 염화칼슘 (유진실업), 15 ~ 25 % 농도의 칼슘 나이트레이트
흑연 : 0.5 ~ 20 중량%로 수성 매질에 분산된, 40 ㎛ 천연 흑연
고분자 베이스 층 조성물인 NBR, Sulfate, 경화제 및 탄소복합소재 입자인 흑연을 하기 표 1의 투입량을 기준으로 배합기에 투입 후 온도 80 ℃조건에서 10 ~ 20rpm의 교반 속도로 30분 동안 믹싱을 진행하여 실시예1 내지 3을 제조하였다.
| 구분 | 고분자 베이스 층 조성물 | 탄소복합소재 입자 | 비고 흑연 함유량 (wt%) |
||
| NBR(g) | Sulfate(g) | 경화제(g) | 흑연 (g) | ||
| 실시예1 | 100 | 1.0 | 3.5 | 50 | 32.2 |
| 실시예2 | 100 | 1.0 | 3.5 | 55 | 34.5 |
| 실시예3 | 100 | 1.0 | 3.5 | 60 | 36.5 |
비교예
NBR : 고상의 NBR (금호석유화학 B6280)
가황제 : 유황, Sulfate (미원유화)
경화제 : 20% 농도 염화칼슘 (유진실업), 15 ~ 25 % 농도의 칼슘 나이트레이트
흑연 : 0.5 ~ 20 중량%로 수성 매질에 분산된, 40 ㎛, 천연 흑연
고분자 베이스 층 조성물인 NBR, Sulfate, 경화제 및 탄소복합소재 입자인 흑연을 하기 표 2의 투입량을 기준으로 배합기에 투입 후 온도 80 ℃조건에서 10 ~ 20rpm의 교반 속도로 30분 동안 믹싱을 진행하여 비교예1 내지 2를 제조하였다.
| 구분 | 고분자 베이스 층 조성물 | 탄소복합소재 입자 | 비고 흑연 함유량 (wt%) |
||
| NBR(g) | Sulfate(g) | 경화제(g) | 흑연 (g) | ||
| 비교예1 | 100 | 1.0 | 3.5 | 0 | 0 |
| 비교예2 | 100 | 1.0 | 3.5 | 45 | 31.0 |
실험예 : 분리판 및 가스켓 접착력 측정
폭 3cm, 두께 2mm의 흑연 재질의 분리판 시편 상부에 상기 실시예1 내지 3 및 비교예1 내지 2를 이용하여 폭 2cm, 두께 1mm로 도포 후 165 ℃ 100 kgf/cm2 조건에서 360초 동안 열경화를 진행하여 가스켓을 형성하였다. 상기 분리판 시편에 부착된 상기 가스켓의 일 단부를 인장력 측정기(UTM)에 고정한 후 상기 인정력 측정기를 이용하여 도 8과 같이 상기 분리판에 수직 방향으로 힘을 가하여 상기 가스켓을 상기 분리판 시편에서 분리시켰다. 이때, 상기 가스켓이 분리되어 상승하는 높이가 5 mm 에서 20 mm 까지 변화하는 과정에 인가되는 평균 인장력(kgf)을 측정하여, 상기 분리판 시편과 상기 가스켓의 접합력을 하기 표 3과 같이 측정하였다.
| 구분 | 평균인장력(kgf) | 비고 |
| 실시예1 | 0.857 | |
| 실시예2 | 0.879 | |
| 실시예3 | 0.831 | |
| 비교예1 | 0 | 분리판 시편에서 바로 탈락되어 인장력 측정 불가 |
| 비교예2 | 0.383 |
흑연 함유량이 증가하면서 분리판과의 접착력이 증가하지만 흑연 함유량 32.2~36.5wt% 구간에서 더이상 변화가 없음을 확인할 수 있다.
이에 따라, 본 발명에 따른 가스켓은 흑연 재질의 분리판과 유사한 조성으로 제조되어, 물리적 압착력과 화학적 압착력의 상승작용에 의해 분리판과 가스켓의 밀착력과 밀폐력을 더욱 향상시킬 수 있다.
위에서 설명한 바와 같이 본 발명에 대한 구체적인 설명은 첨부된 도면을 참조한 실시예에 의해서 이루어졌지만, 상술한 실시예는 본 발명의 바람직한 예를 들어 설명하였을 뿐이므로, 본 발명이 상기 실시예에만 국한되는 것으로 이해돼서는 안 되며, 본 발명의 권리범위는 후술하는 청구범위 및 그 등가개념으로 이해되어야 할 것이다.
예를 들어, 도면은 이해를 돕기 위해 각각의 구성요소를 주체로 하여 모식적으로 나타낸 것으로, 도시된 각 구성요소의 두께, 길이, 개수 등은 도면 작성의 진행상, 실제와 다를 수 있다. 또한, 상기의 실시형태에서 나타낸 각 구성요소의 재질이나 형상, 치수 등은 한 예로서, 특별히 한정되지 않고, 본 발명의 효과에서 실질적으로 벗어나지 않는 범위에서 여러 가지 변경이 가능하다.
1 : 연료전지 스택
10 : 단위셀
20 : 엔드플레이트
100, 100a, 100b, 100c, 100d, 100e, 100f, 100g, 100h, 100i, 100j, 100k, 100l, 100m : 가스켓
101a, 101b : 외측 제1테두리부
102a, 102b : 외측 제2테두리부
103a, 103b : 연결부
104a, 104b : 내측 테두리부
105 : 가스켓 연통부
106, 106a, 106b : 가스켓 함몰부
106c: 가스켓 다단 함몰부
107, 107a, 107b : 가스켓 돌출부
107c: 가스켓 다단 돌출부
111a, 111b, 111c, 111d : 고분자 베이스 층
112a, 112b, 112c, 112d : 탄소복합소재 입자
113, 113a : 프리프레그 층
200, 200a, 200b, 200c : 분리판
201 : 분리판 유로
202 : 분리판 관통부
203 : 분리판 홈
210a, 210b, 210c : 분리판 보강층
220a, 220b, 220c : 분리판 코팅층
300 : 막-전극 조립체
301 : 반응부
302 : 막-전극 조립체 관통부
10 : 단위셀
20 : 엔드플레이트
100, 100a, 100b, 100c, 100d, 100e, 100f, 100g, 100h, 100i, 100j, 100k, 100l, 100m : 가스켓
101a, 101b : 외측 제1테두리부
102a, 102b : 외측 제2테두리부
103a, 103b : 연결부
104a, 104b : 내측 테두리부
105 : 가스켓 연통부
106, 106a, 106b : 가스켓 함몰부
106c: 가스켓 다단 함몰부
107, 107a, 107b : 가스켓 돌출부
107c: 가스켓 다단 돌출부
111a, 111b, 111c, 111d : 고분자 베이스 층
112a, 112b, 112c, 112d : 탄소복합소재 입자
113, 113a : 프리프레그 층
200, 200a, 200b, 200c : 분리판
201 : 분리판 유로
202 : 분리판 관통부
203 : 분리판 홈
210a, 210b, 210c : 분리판 보강층
220a, 220b, 220c : 분리판 코팅층
300 : 막-전극 조립체
301 : 반응부
302 : 막-전극 조립체 관통부
Claims (10)
- 연료전지의 단위셀에 포함되어 서로 압착되는 분리판 및 가스켓에 있어서,
상기 가스켓은 고분자 베이스 및 탄소복합소재 입자를 포함하는 고분자 베이스 층 조성물로부터 형성되는 고분자 베이스 층을 포함하되 상기 탄소복합소재 입자의 크기가 10~170㎛ 이고,
상기 고분자 베이스 층 조성물과 상기 분리판을 형성하기 위한 분리판 조성물은 동일한 상기 고분자 베이스 및 상기 탄소복합소재 입자를 포함하는,
연료전지 단위셀 용 가스켓.
- 삭제
- 청구항 1에 있어서,
상기 탄소복합소재 입자는, 천연 흑연, 인상 흑연, 고결정질 흑연, 미정질 흑연, 팽창크라파이트, 카본나노튜브, 그래핀, 카본 블랙, 전도성 카본블랙, 및 카본파이버 중 하나 이상을 포함하는, 연료전지 단위셀 용 가스켓.
- 청구항 1에 있어서,
상기 가스켓은,
상기 분리판의 적어도 일부가 삽입되기 위한 가스켓 함몰부; 및
상기 분리판의 적어도 일부에 삽입되기 위한 가스켓 돌출부;
중 적어도 어느 하나가 형성된, 연료전지 단위셀 용 가스켓.
- 청구항 1에 있어서,
상기 가스켓은 상기 분리판과 일체로 형성되는, 연료전지 단위셀 용 가스켓.
- 청구항 1에 있어서,
상기 가스켓은,
일방향 카본파이버, 포지드 카본파이버, 직물형 카본파이버 및 유리섬유중 적어도 어느 하나 이상 적용된 프리프레그를 포함하는, 연료전지 단위셀 용 가스켓.
- 청구항 6에 있어서,
상기 프리프레그는 상기 고분자 베이스 층이 형성된 영역과 구분된 구조를 갖는, 연료전지 단위셀 용 가스켓.
- 청구항 6에 있어서,
상기 프리프레그는 상기 고분자 베이스 층 조성물에 포함되는, 연료전지 단위셀 용 가스켓.
- 청구항 1에 있어서,
상기 가스켓은,
상기 가스켓의 최외각을 정의하기 위해, 대응하는 형태로 배치된 한 쌍의 외측 제1테두리부 및 상기 외측 제1테두리부에서 대응하는 형태로 연장되는 한 쌍의 외측 제2테두리부;
상기 한 쌍의 외측 제2테두리부를 서로 연결하는 내측 테두리부; 및
상기 내측 테두리부와 적어도 하나의 상기 외측 제1테두리부를 연결하는 연결부;
를 포함하고,
상기 외측 제1테두리부, 상기 외측 제2테두리부, 상기 내측 테두리부, 및 상기 연결부 중 적어도 어느 하나는 서로 다른 상기 고분자 베이스 층 조성물로 형성되어, 하나의 가스켓에서 다른 물성이 발현되도록 함으로써 유체의 이동을 방해하지 않으면서 밀폐력이 향상되도록 한, 연료전지 단위셀 용 가스켓.
- 청구항 1에 있어서,
상기 고분자 베이스 층 조성물은
상기 고분자 베이스 45~75 중량부; 및
상기 탄소복합소재 입자 25~55중량부; 를 포함하는
연료전지 단위셀 용 가스켓.
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| KR1020230049614A KR102602857B1 (ko) | 2023-04-14 | 2023-04-14 | 연료전지 용 가스켓 및 이를 포함하는 연료전지 |
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| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020230049614A KR102602857B1 (ko) | 2023-04-14 | 2023-04-14 | 연료전지 용 가스켓 및 이를 포함하는 연료전지 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR102602857B1 (ko) |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20040000571A (ko) * | 2002-06-21 | 2004-01-07 | 엘지전자 주식회사 | 연료전지의 패킹구조 |
| KR20140077480A (ko) * | 2012-12-14 | 2014-06-24 | 한국타이어 주식회사 | 연료전지용 분리판의 제조방법 및 이를 이용하여 제조된 연료전지용 분리판 |
| KR20170129574A (ko) * | 2016-05-17 | 2017-11-27 | 현대자동차주식회사 | 연료전지용 프레임 가스켓 및 그 성형방법 |
-
2023
- 2023-04-14 KR KR1020230049614A patent/KR102602857B1/ko active IP Right Grant
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20040000571A (ko) * | 2002-06-21 | 2004-01-07 | 엘지전자 주식회사 | 연료전지의 패킹구조 |
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| KR20170129574A (ko) * | 2016-05-17 | 2017-11-27 | 현대자동차주식회사 | 연료전지용 프레임 가스켓 및 그 성형방법 |
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