KR200470519Y1 - 연료전지용 금속 분리판의 가스켓 장착구조 - Google Patents

Abstract

본 고안은, 복수개의 단위전지 셀들이 적층된 연료전지 스택에 있어서, 하나의 단위전지 셀은, 막전극접합체와, 상기 막전극 접합체를 사이에 두고 일측 및 타측에 각각 서로 대향되도록 배치된 금속 분리판 모듈과, 상기 분리판들 사이를 밀봉시키도록 상기 분리판 각각에 결합된 가스켓을 포함하고,
상기 금속 분리판 모듈은, 편평한 형상의 주분리판과, 상기 주분리판의 양면에 접합되어 상기 가스켓을 수용하는 고정판을 포함하고, 상기 고정판은 상기 주분리판으로부터 돌출되도록 형성된 돌출판부와, 상기 돌출판부로터 상기 주 분리판 방향으로 오목하게 형성되어 중앙이 상기 주 분리판과 접하는 적어도 둘 이상의 수용판부들과, 상기 수용판부 사이를 연결하며 상기 주 분리판으로부터 이격 배치된 연결판부를 포함하며, 상기 가스켓 모듈은: 상기 수용판부마다 밀착되어 수용되며 고무 재질로 이루어진 적어도 두개의 가스켓와; 상기 연결판부를 가로질러서 상기 인접하는 가스켓의 내측 중앙부 사이를 연결하는 것으로, 양 끝단은 이에 대응되는 가스켓 내부에 각각 삽입되도록 형성된 금속 프레임을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 금속 분리판의 가스켓 장착구조를 제공한다.

Description

연료전지용 금속 분리판의 가스켓 장착구조{Gasket united separate plate construction of fuel battery}

본 고안은 연료전지용 금속 분리판에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 금속 분리판에 가스켓이 장착되는 구조에 관한 것이다.

연료전지란, 일반적으로 수소와 산소의 산화, 환원반응을 이용하여 화학에너지를 전기에너지로 변환하는 발전장치이다. 음극(anode)에서 수소가 산화되어 수소 이온과 전자로 분리되고, 수소 이온은 전해질을 통해 양극(cathode)으로 이동한다. 이때, 전자는 회로를 통해 양극으로 이동한다. 양극에서 수소 이온, 전자 및 산소가 반응하여 물이 되는 환원반응이 일어난다.

연료전지의 단위셀은 전압이 낮아 실용성이 떨어지기 때문에, 일반적으로 수개에서 수백개의 단위셀을 적층하여 사용한다. 단위셀의 적층 시 단위셀 간 전기적 접속이 이루어지게 하고, 반응 가스를 분리시켜주는 역할을 하는 것이 분리판이다.

과거에는 흑연으로 제조된 분리판을 주로 이용하였으나, 흑연의 취성 및 제조 단가가 높은 점 때문에 최근에는 금속 분리판의 개발이 활발하다.

도 1은 종래의 연료전지 스택의 단위전지 셀을 보인 분리 단면도이고, 도 2는 도 1에 따른 연료전지 스택의 가스켓 결합구조를 보인 단면도이다. 도시된 바와 같이 연료전지 스택은 단위전지 셀들을 다수 적층한 구조로 이루어진다. 상기 단위전지 셀은, 크게 한 쌍의 분리판(10)과, 상기 분리판의 사이를 밀봉하는 가스켓(20)과, 상기 분리판의 사이에 구비되는 막전극접합체(40)로 구성된다. 막전극접합체(40)는 고분자전해질막(42)과, 상기 고분자전해질막의 양면에 형성된 한 쌍의 전극인 연료극(44)과 공기극(46)으로 구성된다.

상기 분리판(10)은 흑연 등 도전성 소재로 구성되며, 상기 막전극접합체(40)를 기계적으로 고정함과 동시에, 인접한 막전극접합체 사이를 서로 전기적으로 직렬 또는 병렬로 접속시킨다.

상기 분리판(10)에는 수소와 공기의 반응에 따른 부산물인 물이 수용되는 매니폴더(30) 및 기체통로(15)가 형성된다. 가스켓(20)은 상기 물과 가스 등이 외부로 누출되지 않도록 상기 매니폴더(30)의 주위를 감싸도록 형성된다.

종래의 흑연 분리판의 경우 분리판에 형성된 홈에 가스켓이 삽입되어 고정됨에 따라 가스켓의 이탈 가능성이 적었다. 그러나 박판 성형으로 제조된 금속 분리판의 경우 홈이 형성될 수가 없는 등, 가스켓의 이탈을 방지하기 위한 별도의 부재 또는 구조가 구비되지 않아 스택 체결시의 높은 압력에 의해 가스켓이 이탈할 가능성이 높았다.

이런 문제점을 해결하기 위하여, 도 2에 도시된 바와 같이 가스켓 내부에 금속 지지대를 삽입시킬 수 있다. 이 경우, 가스켓이 금속 지지대에 의하여 형태를 유지시킬 수 있게 되어서 실링부위에 가스켓이 정확하게 위치할 수 있도록 한다. 그러나, 금속 프레임이 가스켓 내부에 삽입되어 제작되므로, 가스켓 성형시 내부의 금속 프레임을 고정해 줄 수 없어서 변형이 발생하거나, 실링 위치를 이탈하는 문제점은 동일하게 가지고 있다.

또한, 상기 금속 지지대가 외부로 노출되면, 금속 프레임의 부식에 의하여 연료 전지 내부에 오염이 발생한다.

본 고안은 상술한 바와 같은 종래의 제반 문제점을 해소하기 위해 안출된 것으로, 가스켓의 정렬이 용이함과 동시에, 금속 분리판으로부터 변형이나 이탈이 발생하지 않는 연료전지용 금속 분리판의 가스켓 장착구조를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기와 같은 목적을 이루기 위해 본 고안은, 복수개의 단위전지 셀들이 적층된 연료전지 스택에 있어서, 하나의 단위전지 셀은, 막전극접합체와, 상기 막전극 접합체를 사이에 두고 일측 및 타측에 각각 서로 대향되도록 배치된 금속 분리판 모듈과, 상기 분리판들 사이를 밀봉시키도록 상기 분리판 각각에 결합된 가스켓을 포함하고,

상기 금속 분리판 모듈은, 편평한 형상의 주분리판과, 상기 주분리판의 양면에 접합되어 상기 가스켓을 수용하는 고정판을 포함하고, 상기 고정판은 상기 주분리판으로부터 돌출되도록 형성된 돌출판부와, 상기 돌출판부로터 상기 주 분리판 방향으로 오목하게 형성되어 중앙이 상기 주 분리판과 접하는 적어도 둘 이상의 수용판부들과, 상기 수용판부 사이를 연결하며 상기 주 분리판으로부터 이격 배치된 연결판부를 포함하며, 상기 가스켓 모듈은: 상기 수용판부마다 밀착되어 수용되며 고무 재질로 이루어진 적어도 두개의 가스켓와; 상기 연결판부를 가로질러서 상기 인접하는 가스켓의 내측 중앙부 사이를 연결하는 것으로, 양 끝단은 이에 대응되는 가스켓 내부에 각각 삽입되도록 형성된 금속 프레임을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 금속 분리판의 가스켓 장착구조를 제공한다.

상기 금속 프레임의 중앙부는 상기 연결판부와 이격 형성될 수 있다.

이 경우, 상기 수용판부는 상기 주 분리판과 접하는 부분으로부터 상측으로 단면이 넓어지는 형상을 가지고, 상기 가스켓은 상기 수용판부의 형상에 맞추어 단부로부터 중앙부로 폭이 넓어지는 형상을 가질 수 있다.

또한, 상기 가스켓의 중앙부 중 적어도 상기 금속 프레임이 통과하지 않는 외측 중앙부는 상기 돌출판부에 안착되도록 외측으로 돌출 형성될 수 있다.

상기와 같은 구성을 가지는 본 고안에 따르면, 금속 분리판 모듈을 가스켓을 고정 가이드할 수 있도록 두 개의 부재로 이루어지고, 가스켓 모듈이 금속 프레임 양측에 가스켓이 형성된 구조로 이루어져서 금속 프레임이 외부에 노출되지 않는다.

이에 따라서 가스켓의 정렬이 용이함과 동시에, 금속 분리판으로부터 변형이나 이탈이 발생하지 않는다.

도 1은 종래의 연료전지 스택의 단위전지 셀을 보인 분리 단면도이다.
도 2는 도 1에 따른 연료전지용 금속 분리판의 가스켓 장착구조를 보인 단면도이다.
도 3은 본 고안의 바람직한 실시예에 따른 연료전지용 금속 분리판의 가스켓 장착구조를 보인 단면도이다.
도 4는 도 3의 A부를 분해 도시한 단면도이다.
도 5a 및 도 5b는 본 고안의 가스켓 모듈을 제작하는 단계를 도시한 사시도이다.

이하, 본 고안의 바람직한 일 실시예를 첨부된 도면을 참고하여 상세하게 설명한다.

도 3은 본 고안의 바람직한 실시예에 따른 연료전지용 금속 분리판의 가스켓(121) 장착구조(100)를 단위전지 셀에서 보인 단면도이고, 도 4는 도 3의 A부를 분리하여서 도시한 단면도이다.

이 경우, 연료전지 스택은 복수개의 단위전지 셀들이 적층되어서 이루어진다. 하나의 단위전지 셀은, 막전극접합체와, 상기 막전극 접합체를 사이에 두고 일측 및 타측에 각각 서로 대향되도록 배치된 금속 분리판 모듈(110)과, 상기 금속 분리판 모듈(110)들 사이를 밀봉시키도록 상기 금속 분리판 모듈(110) 각각에 결합된 가스켓 모듈(120)을 포함한다.

막전극 접합체는, 수소 이온을 선택적으로 수송하는 고분자전해질막(42; 도1 참조)과, 상기 고분자전해질막의 양면에 형성된 한 쌍의 전극인 연료극(44; 도 1 참조)과 공기극(46; 도 1 참조)으로 구성된다. 상기 연료극과 공기극은 고분자 전해질막의 표면에 형성된 촉매층과, 상기 촉매층의 바깥면에 형성되고 통풍성과 전자전도성을 함께 가진 기체확산층을 구비하여 이루어진다.

도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 분리판(separator plate) 모듈(110)은, 박판 형상의 주분리판(111)과, 상기 주분리판(111)의 적어도 일면, 바람직하게는 양면에 접합되어 상기 가스켓 모듈(120)을 수용하는 고정판(116)을 포함한다.

금속 분리판 모듈(110)은 상기 막전극 접합체의 일측 밑 타측에 배치된다. 상기 금속 분리판 모듈(110)은 막전극 접합체를 기계적으로 고정함과 동시에, 인접한 막전극 접합체를 서로 전기적으로 직렬 또는 병렬로 접속시킨다. 상기 금속 분리판 모듈(110)은 상기 막전극 접합체를 사이에 두고 일측 및 타측에 각각 형성된다.

주분리판(111)은 도전성 소재로 이루어진다. 상기 주분리판(111)에는 수소와 공기의 반응에 따른 부산물인 물이 수용되는 매니폴더와 기체통로가 형성될 수 있다.

고정판(116)은 상기 주분리판(111)의 양측면에 접합된다. 상기 고정판(116)은 후술할 가스켓 모듈이 안착되는 위치를 따라서 접합된다. 이 경우 상기 고정판(116)은 주분리판(111)과 동일한 소재로 이루어질 수도 있고, 이와 다른 소재로도 이루어질 수 있다. 상기 고정판(116)은 주분리판(111)에 용접 등의 방법으로 고정될 수 있다.

상기 고정판(116)은 돌출판부(116a)와, 수용판부(116b)들과, 연결판부(116c)를 포함한다. 돌출판부(116a)는 상기 주분리판(111)으로부터 돌출되도록 형성된다. 상기 돌출판부(116a)의 끝단은 상기 주분리판(111)에 접합되고, 점점 상측으로 돌출되도록 형성된다. 수용판부(116b)들은 복수로 이루어지며, 상기 돌출판부(116a)로부터 상기 주 분리판 방향으로 오목하게 형성되어 중앙이 상기 주분리판과 접하게 형성된다. 연결판부(116c)는 상기 수용판부(116b) 사이를 연결하며 상기 주분리판(111)으로부터 이격 배치된다.

즉, 금속 분리판 모듈(110)은 기존의 박판 형상의 분리판과 함께, 상기 주분리판(111)의 상하측에 굴곡지도록 접합된 고정판(116)을 포함하며, 상기 고정판(116)이 가스켓(121)을 수용하여 고정시킴으로써, 가스켓 모듈의 정렬이 용이하게 되도록 할 수 있다.

이 경우, 상기 가스켓 모듈(120)은, 적어도 두 개의 가스켓(121)과, 금속 프레임(126)을 포함할 수 있다.

가스켓(121) 각각은 상기 수용판부(116b)마다 밀착되어 수용되며 고무 재질로 이루어진다. 상기 가스켓(121)은 상기 연료극과 공기극에 공급되는 연료가스 및 산화제가스가 외부로 누설되거나 두 종류의 가스가 서로 혼합되지 않도록 실링(sealing) 작용을 한다.

상기 가스켓(121)은 니트릴부타디엔고무(NBR)와, 에틸렌프로필렌고무(EPDM)와, 불소화고무(FKM)와, 아크릴고무(ACM)와, 실리콘고무(VMQ)와, 플루오로실리콘고무(FVMQ)와, 스티렌부타디엔고무(SBR)와, 부타디엔고무(BR)와, 클로로프렌고무(CR)의 그룹들 중에서 적어도 하나가 선택되는 폴리머를 배합제와 컴파운딩하여 이루어질 수 있다.

니트릴부타디엔고무는 아크릴로니트릴과 부타디엔과의 공중합으로 만들어져 내유성(耐油性), 내마모성이 우수하고, 불소화고무는 내열성과 내약품성이 우수하고, 클로로프렌고무는 접착력이 우수한 특징이 있으므로, 연료전지의 특성에 맞추어 선택될 수 있다.

금속 프레임(126)은 상기 연결판부(116c)를 가로질러서 상기 인접하는 가스켓(121) 사이를 연결하는 것으로, 양 끝단은 상기 인접하는 가스켓(121) 내부에 각각 삽입되어서 상기 가스켓(121)이 상기 금속 프레임(126)의 끝단을 감싸는 형상을 가진다.

본 고안에 따르면, 상기 가스켓(121)이 적어도 두개가 나란히 배치되면서 실링하게 된다. 즉, 상기 가스켓(121)이 이중 실링 구조로 되어 있음으로써 실링성을 향상시킨다.

또한, 가스켓(121)이 상기 금속 프레임(126)을 끝단을 감싸도록 형성된다. 이에 따라서 금속 프레임(126)의 부식이 방지된다. 이와 더불어 금속 프레임(126)이 상기 가스켓(121)에 삽입되어 있음으로써, 가스켓 모듈(120)의 강도가 우수하게 된다는 장점이 있다.

또한, 상기 금속 프레임(126)의 중앙부(127)는 상기 가스켓 사이에 배치되어서 외부와 노출되지 않는다. 따라서, 상기 금속 프레임의 부식이 방지된다.

한편, 상기 금속 프레임(126)의 중앙부(127)는 성형시에는 외부로 노출되어 있다. 이에 따라서 금형으로 가스켓 모듈(120)을 제조함에 있어서, 상기 금속 프레임(126)의 중앙부(127)를 돌출편으로로 밀착시킨 상태에서 가스켓(121)을 성형시킬 수 있게 됨으로써, 성형시 가스켓 모듈(120)이 변형되거나, 한쪽이 처짐이 발생하는 등의 문제점을 예방할 수 있게 된다.

상기 금속 프레임(126)의 외부로 노출된 중앙부(127)는 상기 연결판부(116c)와 이격 형성될 수 있다. 즉, 상기 연결판부(116c)의 주분리판으로부터의 높이는, 상기 가스켓(121) 밑단으로부터의 금속 프레임(126) 높이보다 낮다. 이에 따라서 금속 분리판 모듈(110)이 적층되더라도 상기 금속 프레임(126)이 상기 금속 분리판 모듈(110)과 맞닿지 않게 되어서 단락 등의 위험이 없게 된다.

이 경우, 상기 수용판부(116b)는 상기 주분리판(111)과 접하는 부분으로부터 상측으로 단면이 넓어지는 형상을 가지고, 상기 가스켓(121)은 상기 수용판부(116b)의 형상에 맞추어, 수직방향인 상, 하측면으로부터 중앙부로 폭이 넓어지는 형상을 가질 수 있다. 즉, 상기 가스켓(121)은 전체적으로 육각형 형상을 가질 수 있다. 이에 따라서 상기 가스켓(121)이 상기 고정판(116)에 닿는 면적이 커지게 되어서, 실링성이 더욱 향상될 수 있다.

한편, 상기 가스켓(121)의 중앙부 중 적어도 상기 금속 프레임(126)이 통과하지 않는 외측 중앙부(123)는 상기 돌출판부(116a)에 안착되도록 외측으로 돌출 형성될 수 있다. 상기 외측으로 돌출된 돌출판 안착부(123)가 상기 이웃하는 분리판이 서로 닿는 것을 방지할 수 있다.

이 경우, 상기 금속 프레임(126)은 상기 돌출판 안착부까지 삽입되도록 형성될 수 있다.

도 5a 및 도 5b는 상기 가스켓 모듈(120)을 제조하는 공정을 도시한 단면도이다.

먼저 도 5a에 도시된 바와 같이, 상기 가스켓 모듈(120) 형상에 맞추어 박판 형상의 금속 프레임(121)을 제작한다.

그 후에 도 5b에 도시된 바와 같이, 상기 금속 프레임(121)의 내측면 및 외측면을 감싸도록 가스켓(126)을 성형한다. 이 경우, 금형의 가스켓용 캐비티가 상기 가스켓의 형상에 맞추어 적어도 두 군데 위치한다. 또한 상기 금형은, 상기 가스켓용 캐비티 사이를 연결하는 것으로 상기 금속 프레임(121)의 중앙부(127; 도 4 참조)가 끼워지도록 중앙홈이 형성된다. 상기 중앙홈의 두께는 상기 금속프레임의 두께와 실질적으로 동일하다.

그 후에, 상기 가스켓용 캐비티 내로 가스켓용 고무를 주입시킴으로써 상기 가스켓 모듈(120)이 완성된다. 이 경우, 금형이 닫혀있을 경우, 상기 중앙홈이 금속 프레임의 중앙부를 잡는 돌출편의 역할을 한다. 이 때에, 상기 금속 프레임에 가스켓 모듈의 전체 면적에 걸쳐서 형성되어 있으므로, 성형시에 변형이 발생하지 않게 된다.

이상에서는 본 고안에서 특정의 바람직한 실시예들에 대하여 도시하고 또한 설명하였다. 그러나 본 고안은 상술한 실시예에 한정되지 아니하며, 특허청구범위에 기재된 본 고안의 요지를 벗어남이 없이 당해 고안이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능할 것이다.

100: 연료전지용 금속 분리판의 가스켓 장착구조
110: 금속 분리판 모듈
111: 주분리판
116: 고정판
116a: 돌출판부
116b: 수용판부
116c: 연결판부
120: 가스켓 모듈
121: 금속 프레임
126: 가스켓

Claims (4)

1. 복수개의 단위전지 셀들이 적층된 연료전지 스택에 있어서, 하나의 단위전지 셀은, 막전극접합체와, 상기 막전극 접합체를 사이에 두고 일측 및 타측에 각각 서로 대향되도록 배치된 금속 분리판 모듈들과, 상기 금속 분리판 모듈들 사이를 밀봉시키는 가스켓 모듈을 포함하고,
   상기 금속 분리판 모듈들 각각은, 편평한 형상의 주분리판과, 상기 주분리판의 양면에 접합되어 상기 가스켓 모듈을 수용하는 고정판을 포함하고,
   상기 고정판은 상기 주 분리판으로부터 돌출되도록 형성된 돌출판부와, 상기 돌출판부로터 상기 주 분리판 방향으로 오목하게 형성되어 중앙이 상기 주 분리판과 접하는 적어도 둘 이상의 수용판부들과, 상기 수용판부 사이를 연결하며 상기 주 분리판으로부터 이격 배치된 연결판부를 포함하고,
   상기 가스켓 모듈은:
   일측이 상기 서로 인접하는 금속 분리판 모듈 중 하나의 수용판부마다 밀착되어 수용되고, 타측이 상기 서로 인접하는 금속 분리판 모듈 중 다른 하나의 수용판부마다 밀착되어 수용되며, 고무 재질인 복수의 가스켓과;
   상기 연결판부를 가로질러서 상기 인접하는 가스켓의 내측 중앙부 사이를 연결하는 것으로, 양 끝단은 이에 대응되는 가스켓 내부에 각각 삽입되며, 금속 분리판 모듈과는 닿지 않도록 형성된 금속 프레임;
   을 포함하며,
   상기 가스켓의 외측 중앙부에는. 상기 가스켓을 중심으로 서로 인접하는 금속 분리판 모듈이 서로 닿지 않게 상측 및 하측에 각각 안착시키는 돌출판 안착부가 형성된 것을 특징으로 하는 연료전지용 금속 분리판의 가스켓 장착구조.
2. 제1항에 있어서,
   상기 금속 프레임의 중앙부는 상기 연결판부와 이격 형성된 것을 특징으로 하는 연료전지용 금속 분리판의 가스켓 장착구조.
3. 제1항에 있어서,
   상기 수용판부는 상기 주 분리판과 접하는 부분으로부터 상측으로 단면이 넓어지는 형상을 가지고,
   상기 가스켓은 상기 수용판부의 형상에 맞추어 단부로부터 중앙부로 폭이 넓어지는 형상을 가지는 것을 특징으로 하는 금속 분리판의 가스켓 장착구조.
   
   
4. 삭제

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