KR20060036464A

KR20060036464A - 유연한 매니폴드 가스켓

Info

Publication number: KR20060036464A
Application number: KR1020067001412A
Authority: KR
Inventors: 모하마드 파루큐; 챠오-이 여; 다나 켈리; 마이클 크레이머
Original assignee: 퓨얼 셀 에너지, 인크
Priority date: 2003-07-25
Filing date: 2004-04-06
Publication date: 2006-04-28
Also published as: JP2006528822A; KR100770810B1; US20050019644A1; EP1665412B1; US6964825B2; EP1665412A4; WO2005018022A1; CN1830101A; EP1665412A1

Abstract

본원은, 매니폴드와 스택의 면의 둘레 와의 사이에 가스켓 조립체를 배치하여 연료 셀 스택과 관련하여 사용하는 연료 셀 가스켓 조립체에 관한 것이다. 스택 면의 둘레는 스택을 동작하는 동안에 다르게 팽창되는 둘레 부분을 구비한다. 가스켓 조립체는 부재의 사전 결정된 부분 및/또는 사전 선택된 구간에 매립된 탄성 심 위에서 다른 압축성을 가지는데 이용된 부재를 포함하여, 가스켓이 매니폴드와 스택 면의 둘레와의 접촉을 유지한다. 본 발명의 가스켓 조립체의 구조는 연료 셀 스택에서의 양극 판 성장과 단부 셀 성장을 수용하고, 매니폴드 구조와 스택과의 사이에 가스 밀봉을 유지하는 유연한(compliant) 연료 셀 가스켓 조립체를 제공한다.

매니폴드, 연료 셀 스택, 가스켓, 양극 판, 심, 랩, 응력, 변형.

Description

유연한 매니폴드 가스켓{COMPLIANT MANIFOLD GASKET}

본 발명은 연료 셀에 관한 것으로서, 특히 고온 연료 셀 스택과 매니폴드 조립체 사이에 사용되는 밀봉 가스켓에 관한 것이다. 더욱 특정하게는 본 발명은 연료 셀 스택 단부 평판-양극 평판 계면을 유지하는 매립된 탄성 심을 가진 유연한 가스켓에 관한 것이다.

종래 연료 셀 스택은 일반적으로 다수 스택 면을 형성하는 일렬로 이루어진 수백개 연료 셀을 구비한다. 외부 매니폴드 스택에서, 연료 셀에는 그 단부에 개방부가 있으며 그리고 가스는 연료 셀 스택의 각각의 면에 밀봉된 매니폴드 또는 팬에 의해 전달된다. 매니폴드 조립체는, 본원의 양수인이 권리를 소유하고 있는 미국특허 6,413,665호에 기술된 바와 같이, 매니폴드와 대응 스택 면 사이에 가스 누설을 막도록 연료 셀 스택에 대항하여 압축된다. 매니폴드에는 또한 예를 들어 미국특허 4,467,018호에 기술된 바와 같은 매니폴드 가스켓이 설치되어 가스 누설이 피해지고 그리고 매니폴드로부터 연료 셀 스택을 절연적(dielectrially)으로 분리한다. 따라서, 매니폴드는 연료 셀로 연료와 산화제 가스(oxidant gas)를 공급하고 그리고 스택 내의 가스가 일정방향으로 흐르게 하는 밀봉 통로를 제공한다.

연료 셀 스택의 성능을 유지하기 위해서는. 매니폴드 가스켓이 스택 수명 전 반에 걸쳐 안정적인 실시를 지속하여야 한다. 따라서, 매니폴드 가스켓은 연료 셀 스택의 동작과 스택 수명을 지속하는데 적절한 상태에서 그 밀봉의 효능을 유지하여야 한다.

고온 연료 셀 스택에서는, 매니폴드 가스켓이 스택 수명에 전반에 걸쳐 밀봉 효능을 유지하는 상술된 요건을, 장기간 사용 중에 스택의 치수와 스택 성분이 변화를 일으키는 스택의 성질로 인하여 안정적으로 하기가 곤란하다. 이러한 변화는 다른 비율로 성장하여 불균일하게 크기가 증가하는 스택 단부 판과 스택 연료 셀의 양극 판에서 특히 분명하게 일어난다.

더우기, 용융 탄산염 연료 셀 스택이 동작하는 동안에, 스택의 양극 판(bipolar plates)은 탄화로 인하여 시간을 초과하여 성장하여, 양극 판이 스택 연료 가스에 일반적으로 제공되는 일산화탄소 또는 이산화탄소로부터 탄소를 흡수한다. 예를 들어, 일 타입의 용융 탄산염 연료 셀 스택에서는, 각 양극 판이 14,500시간의 동작 시간에 걸쳐, 그 전체 길이의 0.21% 또는 1인치의 1/10보다 많이 성장하고 그리고 그 전체 폭의 0.19% 또는 1인치의 1/12보다 많이 성장하는 것으로 알려져 있다. 다른 타입의 용융 탄산염 연료 셀 스택에서의 양극 판의 성장은 동작 시간에 따른다.

용융 탄산염 연료 셀의 양극 판의 상술된 성장은 스택 단부 판의 대응 성장과 조화를 이루지 않는다. 이러한 성장 차는 스택의 각 단부 면이 비틀어지게 한다. 특히, 단차형 트랜지션은 인접 단부 셀의 양극 판의 단부 면과 단부 판의 각 단부 면과의 사이에 계면에서 발생한다. 또한, 스택의 중앙에는, 스택의 단부 면 이 스택의 단부에서의 양극 판과 대비하여 스택의 중간에 양극 판의 증가된 성장으로 인하여, 외부방향으로 부풀러진다.

도1은 스택의 단부 판-양극 판 계면에 단차형 트랜지션의 나쁜 경우의 예를 설명하는 도면이다. 인식할 수 있는 바와 같이, 도1에 도시된 크기의 다른 성장은 스택 면과 맞닿은 매니폴드 가스켓이 응력을 받는 위치에 있게 한다. 추가 응력은 상술된 부풀러지는 동작에 의해 스택 중앙에서 야기된다. 상기 응력은 가스켓의 고장을 일으킬 수 있다.

성장 감소를 나타내는 양극 판용 재료를 선택하여 상기와 같은 응력을 감소하고 제조를 이루려는 시도가 있어 왔다. 그런데, 이러한 시도는 상기 조건을 오직 부분적으로만 완화하는 것이다.

따라서, 본 발명의 목적은 종래 매니폴드 가스켓의 상술된 단점 및 그외 다른 문제를 해결하는 것이다. 특히 본 발명은 연료 셀 스택을 운영하는 중에 스택-매니폴드 계면에서의 가스 밀봉부에 응력을 제거하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 양극 판 성장을 수용하고 그리고 스택을 운영하는 중에 스택 면과 매니폴드 사이에 가스밀봉을 유지하는 개량된 연료 셀 스택 매니폴드 가스켓을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 제조 및 설치가 신뢰성이 있는 저렴하고, 용이한 연료 셀 스택-매니폴드 계면에 사용하는 밀봉 가스켓을 제공하는 것이다.

상기 목적과 그외 다른 목적은 스택-매니폴드 계면을 사용하는 유연한 매니폴드 가스켓을 제공하여 종래 연료 셀 스택 밀봉 가스켓의 결함을 해소한 본원 발명으로 달성된다. 본 발명의 가스켓은 복수의 스택 면을 가진 연료 셀 스택과 관련하여 사용되고 그리고, 매니폴드와 연료 셀 스택의 면의 둘레와의 사이에 배치된다. 연료 셀 스택 면의 둘레는 연료 셀 스택을 운영하는 동안에 다르게 팽창하는 둘레 부분을 구비한다. 상기 가스켓은 부재의 사전 결정된 부분 위에 다른 압축성을 가지고 및/또는 부재의 사전 선택된 구간에 매립된 탄성 심을 구비하는데 채택되는 부재를 포함하여, 가스켓이 매니폴드와 스택 면의 둘레와의 접촉을 유지한다. 본 발명의 가스켓 구조는 연료 셀 스택에서의 양극 판 성장을 상충하여 매니폴드-스택 계면에서의 가스 밀봉을 유지하는 유연한 매니폴드 가스켓을 제공한다.

본 발명에 따르는 연료 셀 스택은 적어도 스택의 단부 셀에 금속성(스테인리스강) 양극 판과, 매니폴드와 스택 면의 둘레와의 사이에 유연한 가스켓을 구비한 것이다. 상기 가스켓은 부재의 사전 결정된 부분 위에서 다른 압축성 및/또는 부재의 사전 결정된 구간에 매립된 탄성 심을 가지게 한다.

도1은 스택 양극 판과 스택 단부 셀의 성장 차를 나타낸 연료 전지 스택의 일 부분을 상세하게 나타낸 측면도이다.

도2는 대표적 400-셀 연료 셀 스택에서 양극 판 성장을 나타낸 그래프이다.

도3A는 연료 셀 스택과 맞닿은 가스켓을 나타내는, 본 발명의 유연한 가스켓을 나타내는 도면이다.

도3B는 도3A의 연류 셀 스택과 가스켓의 부분 사시도이다.

도4A는 상기 스택의 단부 판을 절취한 도3A의 연료 셀 스택과 가스켓의 상세 단면도이다.

도4B는 상기 스택의 연료 셀의 대응 정렬된 단부를 절취한 도3A의 가스켓의 부분을 상세하게 나타낸 단면도이다.

도5는 응력 함수로서 비충진 지르코니아 가스켓 재료와 실리카-충진 지르코니아 가스켓에서 발생하는 변형을 나타낸 그래프이다.

도6A는 매립된 심이 가시성이도록 제거된 상부 가스켓 층을 가진 연료 셀 스택의 면과 맞닿은 가스켓 면을 나타내는 도3A의 가스켓의 코너 부분을 상세하게 나타낸 도면이다.

도6B는 도6A의 6B-6B선을 따라 절취된 도6A의 가스켓의 단면도이다.

도7은 매립된 심이 가시성이도록 제거된 가스켓 재료의 상부 층을 가진 스택과 맞닿은 전체 가스켓 표면을 나타내는 도3A의 사시도이다.

도8은 양극 판 성장의 함수로서 실리카-충진 가스켓 부재상에 로드의 상관 관계를 나타낸 그래프이다.

도9는 응력증가 상태에서 도3A의 가스켓에 있는 탄성 심의 편향을 나타낸 그래프이다.

도10 내지 도12는 도3A의 가스켓에 사용하는 개조된 탄성 심의 변화를 나타낸 도면이다.

본 발명은 연료 셀 스택-매니폴드 계면에 사용되는 유연한 가스켓에서, 사전 결정된 부분 위에 다른 압축성을 가지고 그리고/또는 부재의 사전 선택된 구간에 매립된 탄성 심을 가진 부재를 결합하여 당기술의 상태에서 연료 셀 스택-매니폴드 가스켓의 상술된 결함을 해결한 것이다. 도3A와 도3B는 본 발명에 따른 상관 유연한 가스켓(10)과 연료 셀 스택(15)을 나타낸다. 가스켓(10)은, 스택(15)의 면(16)과 상관 관계로 대면하여 배치되고 그 엣지가 스택 면의 둘레와 맞닿도록 있는 매니폴드용 밀봉부를 제공한다.

연료 셀 스택(15)은 단부 판(15a, 15b) 사이가 적층관계로 배치된 복수의 연료 셀(18)을 포함한다. 스택 면(16)은 단부 판(15a, 15b)의 단부면과 셀(16)에 함유된 양극 판(19)의 단부 면에 의해 형성된다. 상술된 바와 같이, 가스켓(10)은 스택 면(16)의 둘레 부분과 맞닿는다.

도시된 바와 같이, 가스켓(10)은 단부 판(15a, 15b)의 단부 면의 중앙 부분에 의해 형성된 제1 및 제2둘레 부분과 맞닿는 제1 및 제2부재(20, 21)를 포함한다. 가스켓(10)은 또한 스택 면의 제3 및 제4둘레 부분과 맞닿는 제3 및 제4부재(24, 25)를 포함한다. 상기 스택 부분은 단부 판(15a, 15b)의 단부 면의 단부 부분과 양극 판(19)의 반대측 단부의 단부 면의 부분으로 형성된다.

상기 실시예에서, 각각의 가스켓 부재(21, 21, 24, 25)는 예를 들어 Zircar ZYF100과 같은 지르코니아 펠트와 같은 섬유성 재료, 알루미나 펠트, 또는 그 유사한 섬유성 또는 펠트 재료로 이루어진 층으로 만들어진다. 가스켓 부재는 또한 실리카 파우더 또는 그 유사한 비금속성 파우더 재료로 채워진다. 또한, 부가로 상세하게 후술되는 바와 같이, 탄성 심은, 연료 셀 스택이 작동하는 중에 가스켓의 유연함이 이루어지도록 탄력체로 동작하고 그리고 섬유성 층 사이에 가스켓 부재의 선택된 구간에 매립된다.

상기 논의된 바와 같이, 양극 판(19)은 스택(15)의 동작이 시간을 초과하여 성장한다. 이러한 성장은 침탄법으로 인해서 발생하고 그리고 양극 판(19)이 배치된 연료 셀의 판과 평행한 길이방향과 폭방향으로 일어난다. 각 방향으로의 성장량은, 연료 셀이 수직 또는 수평방향 스택을 형성하도록 단부 판(15a, 15b)사이에 수직적 또는 수평적으로 적층되는지에 여부에 따른다. 스택의 방위를 고려하지 않은 임의 경우에서, 양극 판에서의 이러한 성장은 일반적으로 단부 판(15a, 15b)의 성장보다 크다.

양극 판(19)과 단부 판(15a, 15b)의 성장차로 인하여, 단부 면(16)의 둘레 부분은 연료 셀 스택(15)이 동작하는 동안에 차등 초과 시간으로 팽창 한다. 상기 논의된 바와 같이 상기 팽창은 단부 판과 양극 판의 계면에 단차형 트랜지션을 초래한다. 또한, 스택 중앙에 양극 판은 스택 중앙에 부풀림 동작을 초래하는 스택의 단부에서 보다 더 많이 성장한다. 상술된 구조로 이루어진 가스켓(10)은 특정적으로, 스택 면과 상기 스택 면과 마주하고 있는 매니폴드와의 사이에서 밀봉을 유지하도록 상기 작용을 보정하는데 이용된다. 특별하게는, 가스켓(10)의 사전 선택된 구간에 탄성 심을 매립하는 동작 및/또는 가스켓(10)의 사전 결정된 부분 위에 차등 압축성의 사용은, 가스켓에 증가 변형을 수용하도록 하는 유연함과 종속성을 제공하여, 스택의 장기간 동작에 걸쳐서 밀봉 효능을 유지하게 한다.

도4A와 도4B는 도3B의 가스켓(10)과 스택(15) 각각의 단부 판(15a)을 절취하 여 나타내고 그리고 셀(18)의 일 단부를 따라서 절취하여 상세하게 나타낸 단면도이다. 상기 도면에서 가스켓(10)의 제1부재(20)와 제3부재(24)를 나타내었다. 상기 부재는 가스켓(10)의 각각의 제2 및 제4부재(21, 25)에 대한 구조와 유사한 것이다. 특정적으로, 도4A를 참고로 설명하면, 단부 판(15a)하고만 맞닿는 제1부재(20)는, 상기 상태로서 현재의 경우에 양호하게 지르코니아 펠트(ZYF100) 또는 그 유사 섬유성 펠트 재료인 압축성 재료로 각각 만들어지는 복수의 층(20a, 20b, 20c)을 갖는다. 제1부재(20)의 압축성을 감소하고 그리고 또한 가스 누설도 감소하도록 층(20a, 20b, 20c)의 각각은 추가로 실리카 파우더로 채워진다.

도4B를 참고로 설명하면, 제3부재(24)의 중앙부분이 평판의 일 단부에 양극판(19)의 단부 면에 인접하여 놓이고, 반면에 제3부재(24)의 단부는 단부 판(15a,15b)의 단부 면의 단부에 인접하여 놓인다. 제3부재(24)는 또한 복수의 층(24a, 24b, 24c)을 포함한다. 부재(20)에 층과 같은 이들 각각의 층은, 다시, 본원의 경우에서는 지르코니아 펠트 재료인 압축성 재료로 제조된다. 그런데 각각의 층은 실리카 또는 다른 파우더로 채워지지 않아서, 부재(24)는 부재(20)와는 다른(더 큰) 압축성을 갖는다.

본원에서는 각 부재(20-24)용으로 3개 층을 도시하였지만, 상기 부재는 다른 수의 층을 가질 수도 있는 것이다. 따라서, 2개 층으로 또는 3개 층 이상으로 형성된 부재도 본 발명과 일치하는 것이다.

본 발명의 가스켓(10)의 일 예에서는, 제1 및 제2부재(20, 21)의 실리카-충진 층의 각각이 대략 0.080인치의 공칭 두께를 가지고 그리고 수명 개시 시점에서 원래의 두께의 대략 50%에 이르는 압축성인 것이다. 다른 편에서, 비충진된 제3 및 제4부재(24, 25)의 각 층도 또한 도5를 참고로 이하에 부가로 논의되는 바와 같이 대략 0.080인치의 공칭 두께를 가지지만, 그 원래의 두께의 50%보다 크게 압축성이 있다. 각 층의 공칭 두께는 사용된 특정 재료와 가스켓 부재(10)의 설계와 같은 요소에 따라 변경할 수 있다. 또한, 다른 섬유성 펠트 재료가 지르코니아 펠트를 대신하여 상기 층에 사용될 수 있다.

그런데, 본원을 설명하는 경우에서는, 재료의 선택을 고려하지 않고, 제1 및 제2부재(20, 21)를 실리카 파우더로 완전하게 채우고 그리고 제3 및 제4부재(24, 25)는 채우지 않았다. 가스켓 부재의 이러한 선택적인 충진동작에 의해서, 가스켓(10)은 단부 판과 대비하여 양극 판의 성장 차(더 큰 성장)를 보정하는데 도움을 주도록 양극 판(19)의 단부 면과 단부 판(15a, 15b)의 단부 면에 상술된 차등 압축성을 나타낸다.

특정적으로, 상기 기술된 바와 같이, 실리카-충진 제1 및 제2부재(20, 21)는 비충진된 제3 및 제4부재(24, 25)보다 낮은 압축성을 가진다. 상술한 바와 같이 그리고 도3A 및 도3B에 도시된 바와 같이, 단부 판(15a, 15b)의 단부에 단부 면은 가스켓(10)의 제3 및 제4부재(24, 25)의 단부 구역과 마찬가지로 제1 및 제2부재(20, 21)와 맞닿는다. 스택(15)이 동작하는 중에, 단부 판은 작은 치수 변경을 나타내어서, 거의 없거나 또는 아주 없는 압축성 로드가 가스켓 부재(24, 25)의 인접 부분에 또는 인접한 가스켓 부재(20, 21)에 더해진다. 대조적으로, 제3 및 제4부재(24, 25)의 중앙부분은 양극 판(19)의 인접한 단부 면의 대략적인 성장으로 인하 여 상당한 압축성 로드를 받게 된다. 그런데, 충진동작이 없음으로 인하여 제3 및 제4부재(24, 25)의 증가된 압축성이 상기 부재가 이러한 대략적인 성장과 압축성 로드를 수용할 수 있게 하는 것이다.

도5는 실리카-충진 및 비충진 가스켓 부재의 상대적 압축성을 나타낸 도면이다. 도5에 도시된 바와 같이, 실리카-충진 ZYF100재료는 100psi에서 그 원래 두께의 대략 45% 정도로 압축된다. 그런데, 100psi 이상의 압력에서는, 충진된 ZYF100이 압축성에서 소량의 증가를 나타낸다. 일반적으로, 충진된 ZYF100재료는 그 원래의 두께의 55-58%를 넘어서 압축될 수 없게 된다. 실리카-충진 ZYF100와 대비하여, 비충진 재료는 상당히 큰 압축성 또는 유연함을 나타낸다. 특히, 비충진 ZYT100는 대략 50psi에서는 그 원래 두께의 60% 만큼 그리고 100psi에서는 그 원래 두께의 70% 만큼 압축된다. 이러한 사실은 비충진 재료가 상당한 양극 판 성장을 수용하도록 한다. 보다 특별하게는, 도5의 수평선은 양극 판 성장으로 인한 가스켓에 평균 변형을 나타내고, 가스켓은 그 원래 두께의 약 55%로 압축된다. 따라서, 도5에 도시된 바와 같이, 가스켓 부재에 비충진 ZYF100의 사용은 양극 판의 추가 성장을 수용하여, 필요한 곳에서의 가스켓의 유연성을 증가한다.

상술한 바와 같이 실리카 파우더의 가스켓 부재의 선택적 로딩은 스택의 조작 중에 가스켓을 따르고, 특정한 로딩 가스켓, 사용된 재료 및 특정 가스켓 설계에 따른다. 특정적으로, 비충진된 선택 가스켓 부재를 남기면서 실리카 파우더 또는 다른 유사 압축성 파우더 재료를 가진 가스켓 부재를 선택적으로 로딩하여, 상기 가스켓은 측면 당 양극 판 성장의 추가 량(24mils의 범위 내)을 수용할 수 있음 은 알려져 있는 사실이다.

실리카 또는 유사한 파우더로 가스켓(10)의 가스켓 부재를 선택적으로 충진하는 것에 더하여, 본 발명은 양극 판 성장으로부터 초래되는 스택-매니폴드 응력을 부가로 수용하도록 가스켓 부재의 선택된 구간에 매립된 탄성 심의 사용을 부가로 고려한 것이다. 본 실시예에서, 상기 심은 고온, 고응력 조건을 견딜 수 있는 Inconel718, Waspaloy, 또는 Rene-41 또는 유사한 고강도 초합금 재료와 같은 초합금 금속 재료로 이루어진 시트를 포함한다.

보다 특정적으로, 도4A 및 도4B를 참고로 보면, 심(35)은 그 길이 전체를 통해서 제1 및 제2부재(20, 21)에 매립되며 그리고 단부 판(15a, 15b)의 각 면과 맞닿는 제3 및 제4부재(24, 25)의 부분에 매립된다. 특정하게는, 각 가스켓 부재에서의 심(35)이, 도4A와 도4B에서 부분적으로 상세하게 단면도로 나타낸 바와 같이, 예를 들어 제1가스켓 부재(20)의 층(20a, 20b) 사이와, 제3가스켓 부재(24)의 단부 부분에 층(24a, 24b) 사이와 같이 가스켓 부재의 2개 층과 평행하게 그 사이에 개재된다.

도6A는 각 부재에 매립된 탄성 심(35)이 가시성 이도록 제거된 가스켓 부재의 압축성 재료로 이루어진 상부 층을 가진 스택(15)과 가스켓(10)의 코너 부분을 상세하게 나타낸 도면이다. 상술한 바와 같이, 각 심(35)은 매립된 가스켓 부재와 평행하게 연장된다. 또한, 도4A와 도4B 및 도6A에서 볼 수 있는 바와 같이, 각각의 심(35)은, 외팔보를 형성하는, 몸체의 외부방향으로 연장된 구간(40)을 가진 대체로 길게 연장된 직사각형 몸체를 구비한다. 상기 구간(40)은, 일 측에 심에 연 결되어 유지되는 합성 구간(40)으로, 심(35)의 몸체의 길이부를 따라서 U형상 절결부 또는 펀치부를 만들어서 형성한다. 각각의 구간(40)은 도4A 및 도4B에서 보다 명료하고 상세하게 볼 수 있는 바와 같이 대략 동일한 각도(θ)와 동일한 방향으로 심 몸체로부터 멀어지는 방향으로 상승되거나 각이 지게 된다. 도시된 경우에, 구간(40)은 직사각형, 평면 구간이고 그리고 각도(θ)는 대략 2 내지 50도 범위 내에 있다.

구간(40)의 형태는 평면, 직사각형 형태에 제한 받지 않음에 주목한다. 따라서, 상기 구간(40)은, 본 발명에 따르는 가스켓에 구조적 지지부와 유연성을 제공하면서, 예를 들어 직사각형 이외의 다른 형태로 될 수 있으며 그리고 예를 들어 임의 형태로 굽어지거나 곡선진, 비-평면으로 형성될 수 있다. 부가로, 각도(θ)는 구간(40)의 구조에 기본하여 변경된다.

도4A, 도4B, 및 도6A에 도시된 구조에서, 각각의 심(35)의 구간(40)은 스프링으로 수집적으로 동작하고, 제1 및 제2가스켓 부재(20, 21)와 가스켓 부재(24, 25)의 단부 부분은 일 측에 스택 단부 판(15a, 15b)을 단부 면에 대항하여 가압하고 그리고 반대 측에 상관 매니폴드에 대항하여 가압 한다. 상기 논의된 바와 같이, 양극 판(19)의 성장으로, 이들이 외부방향으로 눌러지고 그리고 비충진 제3 및 제4부재(24, 25)의 중앙 부분을 압축한다. 결국적으로, 제1 및 제2실리카-충진 가스켓 부재(20, 21)에 로드는 양극 판이 연속하여 성장하여 감소한다. 특별하게는, 제3 및 제4가스켓 부재(24, 25)의 최대 압축점을 넘어 가서는, 매니폴드가 제1 및 제2부재(20, 21)로부터 원격지게 밀려진다. 제1 및 제2부재(21, 21)에 매니폴드의 로드가 감소함으로서, 제1 및 제2부재(20, 21)의 각각에 매립되고 그리고 제3 및 제4부재(24, 25)의 단부 부분에 매립된 탄성 심(35)은 연장하고, 심(35)이 그 사이에 매립되는 층을 이격지게 가압하여, 따라서 추가 가스켓 유연성을 제공하여 감소된 로드를 수용한다(예를 들면, 이러한 증가된 유연성은 대략 2mils에 이르는 범위에 이름).

도6A와 도6B에서 상세하게 도시된 구조에 더하여, 가스켓 부재의 각각은 유전체 부재(45)에 인접하여 배치된다. 보다 특별하게는, 도6A의 6B-6B선을 따라 절취하여 취해진 가스켓(10)을 단면으로 나타낸 도6B에 도시된 바와 같이, 가스켓 부재(21)는 유전체 스트립(45)에 배치된다. 유전(dielectric) 스트립(45)은 가스켓 재료(52)와 운모(55) 층에 의해 매니폴드(50)로부터 분리된다. 실시예에서, 2개 층의 운모(55)는 유전 스트립(45)과 금속 매니폴드(50)와의 사이에 사용되어 매니폴드로부터 유전체의 양호한 전기적 분리를 보장하고 그리고 전압 격리을 위한 대형 용량을 제공한다.

도7은 스택 면과 맞닿는 가스켓(10)의 전체 표면을 나타내는 사시도이다. 가스켓(10)은 제1 및 제2부재(20, 21)의 각각에 그리고 제3 및 제4부재(24, 25)의 단부 구역에 있는 매립된 심(35)을 가시적으로 만들도록 상부 층 없이 도시하였다. 도시된 바와 같이, 비충진된 제3 및 제4부재(24, 25)의 중앙 부분은 상기 구역이 상기 논의된 바와 같이 양극 판 성장을 수용하도록 최대 압축성을 나타낼 수 있게 심 요소를 함유하지 않았다.

도8은 양극 판 성장의 함수로서 충진 가스켓 부재(20, 21)상에 감소 로드 또 는 압력의 상관 관계를 그래프 형태로 설명하는 도면이다. 충진된 제1 및 제2가스켓 부재(20, 21)상에 압력은, 판 성장이 제로 또는 최소일 때에, 연료 셀 스택 동작의 개시 동작에서 최고가 된다. 양극 판이 성장하고 그리고 비충진 제3 및 제4가스켓 부재(24, 25)의 중앙부분을 압축하여 결국적으로 매니폴드가 단부 판(15a, 15b)의 단부 면에 인접한 충진 부재(20, 21)로부터 멀리 밀려짐으로서, 충진 부재(20, 21)상에 대응 로드가 점진적으로 감소한다. 양극 판이 대략 0.02인치 정도로 성장되어진 후에, 충진 가스켓 부재(20, 21)상에 로드는 강하되어, 0.02인치의 성장에서 대략 193psi에서 0.05인치 이상의 성장에서 제로 압력까지 감소한다. 도4A 및 도4B 그리고 도6A에 대하여 상술된 바와 같이, 제1 및 제2가스켓 부재(20, 21) 각각의 층과 제3 및 제4부재(24, 25)의 단부 부분 사이에 매립된 탄성 심(35)은 상기 부재가 팽창하도록 하여, 양극 판의 추가 성장을 수용한다.

도9는 응력 증가상태에서 가스켓(10)에 각각의 탄성 심(35)의 편향을 그래프 형태로 나타낸 도면이다. 응력이 대략 20psi에 이를때까지, 어닐, 형태 형성 및, 시간 경과 되어 초합금으로 만들어진 심이 형성되고 그리고 대략 0.013인치의 편향을 나타낸다. 외팔보 심의 최소 추가 편향은 20psi이상의 응력으로 초래 된다.

도10 내지 도12는 금속 랩(61)을 갖추는데 추가로 이용된 탄성 심(35)의 개조된 형태의 다양한 모습을 나타낸 도면이다. 랩(61)은 외팔보 구간(40)의 대향 표면(40A, 40B)과 대면하는 대향 평면 층(61A, 61B)을 구비한다. 측 벽(61C)은 층(61A, 61B)을 연결하고 그리고 심(35)의 일 엣지(35a)를 에워싼다.

사용 시에, 도10 내지 도12의 심(35)은 예를 들어 스택 중앙을 향하는 방향 으로 스택의 내부방향으로 대면하는 랩(61)의 측벽(61C)을 가진 가스켓(10)의 층에 위치 된다. 따라서, 측벽(61C)은 심(35)을 통하고, 그에 따라 가스켓(10)을 통하는 가스 흐름의 저지를 막는 것을 돕는다. 상기 랩(wrap)은 또한 외팔보 구간(40)과의 상기 층의 상호 작용을 통해 발생할 수 있는 가스켓 층에 잠재적인 어떠한 손상도 방지한다. 따라서, 가스켓(10)의 전체 유연성이 향상된다.

모든 경우에서, 상술된 장치, 방법 및 배열은 단지 본 발명의 적용을 대표하는 가능한 많은 특정 실시예를 설명할 목적으로 기술된 것으로 이해되어야 한다. 따라서, 본 발명의 범위와 정신을 이탈하지 아니하고 당 분야의 기술인은 다양하게 본 발명을 용이하게 실시할 수 있을 것이다.

Claims

매니폴드와 연료 스택의 면의 둘레와의 사이에 위치한 가스켓 조립체는:

가스켓 조립체의 사전 결정된 부분 위로 차등 압축성과; 상기 가스켓 조립체의 사전 선택된 구간 내에 배치된 탄성 심의 1개 이상을 구비하는 것을 특징으로 하는 가스켓 조립체.
제1항에 있어서, 상기 연료 셀 스택의 면은 상기 연료 셀 스택의 단부 판의 단부 면의 부분에 의해 형성된 마주한 제1 및 제2둘레 부분을 가지고 그리고 연료 셀 스택의 연료 셀의 양극 판의 단부 면의 단부 부분으로 형성된 마주한 제3 및 제4둘레 부분을 가지며, 상기 제3 및 제4둘레 부분은 상기 단부 판 보다 더 큰 각도로 연장하는 양극 판으로 인하여 제1 및 제2둘레 부분보다 더 큰 각도로 연장되며, 그리고, 상기 가스켓 조립체는 상기 가스켓 조립체의 사전 결정된 부분 위에 다른 압축성을 가지며 그리고 상기 가스켓 조립체의 사정 결정된 부분을 가진 부재를 구비하고, 상기 부재는 연료 셀 스택의 면의 제1 및 제2둘레 부분과 대면하는데 이용된 제1 및 제2부분과 상기 연료 셀 스택의 면의 제3 및 제4둘레 부분과 대면하는데 이용된 제3 및 제4부분을 구비하고, 상기 부재의 제1 및 제2부분은 상기 부재의 제3 및 제4부분보다 더 낮은 압축성인 것을 특징으로 하는 가스켓 조립체.
제2항에 있어서, 상기 부재의 상기 제1, 제2, 제3, 및 제4부분의 각각은 섬 유성 재료의 층에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 가스켓 조립체.
제3항에 있어서, 상기 섬유성 재료는 지르코니아 펠트(zirconia felt)인 것을 특징으로 하는 가스켓 조립체.
제3항에 있어서, 상기 부재의 상기 제1 및 제2부분의 상기 층은 상기 부재의 제1 및 제2부분이 상기 부재의 제3 및 제4부분보다 낮게 압축성이 야기되도록 재료로 채워지는 것을 특징으로 하는 가스켓 조립체.
제5항에 있어서, 상기 부재의 상기 제1 및 제2부분은 상기 제1 및 제2부분의 원래의 두께의 대략 30 내지 60%에 이를 때까지 압축하고 그리고 상기 부재의 상기 제3 및 제4부분은 상기 제3 및 제4부분의 원래의 두께의 대략 50 내지 80%에 이를 때까지 압축하는 것을 특징으로 하는 가스켓 조립체.
제6항에 있어서, 상기 부재의 상기 제1 및 제2부분의 각각의 원래 두께는 0.208-0.308인치이며 그리고 상기 부재의 제3 및 제4부분의 각각의 원래 두께는 0.208-0.308인치인 것을 특징으로 하는 가스켓 조립체.
제5항에 있어서, 상기 재료는 실리카 파우더인 것을 특징으로 하는 가스켓 조립체.
제2항에 있어서, 상기 가스켓 조립체는 상기 탄성 심(resilient shim)을 구비하고, 상기 탄성 심 부품은 상기 부재의 제1 및 제2부분에 매립되는 것을 특징으로 하는 가스켓 조립체.
제9항에 있어서, 상기 탄성 심은 탄성 심에 탄성을 제공하는 탄성 심을 따라서 있는 구간을 구비하는 것을 특징으로 하는 가스켓 조립체.
제10항에 있어서, 상기 심의 상기 구간의 각각은 탄성 심의 평면의 외부방향으로 연장하는 것을 특징으로 하는 가스켓 조립체.
제11항에 있어서, 상기 탄성 심은 평면 몸체를 가지고 그리고 탄성 심의 상기 구간은 탄성 심의 구간의 각각이 상기 구간의 일 측부를 따라서 평면 몸체에 연결되도록 상기 평면 몸체에서 절결되는 것을 특징으로 하는 가스켓 조립체.
제12항에 있어서, 상기 탄성 심의 구간은 상기 평면 몸체의 길이부를 따라서 이격지고 그리고 상기 탄성 심의 구간의 각각의 일 측부는 상기 탄성 심의 구간의 각각의 동일 측부에 있는 것을 특징으로 하는 가스켓 조립체.
제12항에 있어서, 상기 탄성 심의 구간의 각각은 평면 몸체에서부터 각도( θ)로 배치되고 그리고 탄성 심에 유연성(compliance)을 제공하는 것을 특징으로 하는 가스켓 조립체.
제11항에 있어서, 상기 탄성 심을 둘러싸는 외부 랩(wrap)을 부가로 포함하는 것을 특징으로 하는 가스켓 조립체.
제15항에 있어서, 상기 외부 랩은 상기 탄성 심의 일 측만 폐쇄되는 것을 특징으로 하는 가스켓 조립체.
제16항에 있어서, 상기 탄성 심의 일 측부는 연료 셀 스택의 내부방향으로 대면하는데 이용된 측부인 것을 특징으로 하는 가스켓 조립체.
제15항에 있어서, 상기 탄성 심과 상기 외부 랩은 금속성 재료를 함유하는 것을 특징으로 하는 가스켓 조립체.
제9항에 있어서, 상기 부재의 상기 제3 및 제4부분의 단부는 상기 스택의 상기 면의 제1 및 제2둘레 부분과 대면하는데 이용되고 그리고, 상기 탄성 심의 부품은 상기 부재의 제3 및 제4부분의 단부에 매립되는 것을 특징으로 하는 가스켓 조립체.
제19항에 있어서, 상기 부재의 상기 제1, 제2, 제3, 및 제4부분의 각각은 섬유성 튐성 재료(fibrous elastic material)의 층에 의해 형성되고, 그리고 상기 부재의 제1 및 제2부분에 매립된 탄성 심의 부품은 제1 및 제2부분의 섬유성 튐성 재료의 층 사이에 배치되고 그리고 상기 부재의 제3 및 제4부분의 단부에 매립된 상기 심의 부품은 상기 제3과 제4부분의 섬유성 튐성 재료의 층 사이에 배치된 것을 특징으로 하는 가스켓 조립체.
제20항에 있어서, 상기 부재의 상기 제1 및 제2부분의 상기 층은 상기 부재의 제1 및 제2부분이 상기 부재의 제3 및 제4부분보다 낮게 압축성이 야기되도록 재료로 채워지는 것을 특징으로 하는 가스켓 조립체.
제21항에 있어서, 상기 부재의 상기 제1 및 제2부분은 상기 제1 및 제2부분의 원래의 두께의 대략 30 내지 60%에 이를 때까지 압축하고 그리고 상기 부재의 상기 제3 및 제4부분은 상기 제3 및 제4부분의 원래의 두께의 대략 50 내지 80%에 이를 때까지 압축하는 것을 특징으로 하는 가스켓 조립체.
제22항에 있어서, 상기 부재의 상기 제1 및 제2부분의 각각의 원래 두께는 0.208-0.308인치이며 그리고 상기 부재의 제3 및 제4부분의 각각의 원래 두께는 0.208-0.308인치인 것을 특징으로 하는 가스켓 조립체.
제21항에 있어서, 상기 재료는 실리카 파우더인 것을 특징으로 하는 가스켓 조립체.
제21항에 있어서, 상기 탄성 심은 상기 심에 탄성을 제공하는 탄성 심을 따라 있는 구간을 구비하는 것을 특징으로 하는 가스켓 조립체.
제25항에 있어서, 상기 탄성 심의 상기 구간의 각각은 탄성 심의 평면의 외부방향으로 연장하는 것을 특징으로 하는 가스켓 조립체.
제26항에 있어서, 상기 탄성 심은 평면 몸체를 가지고 그리고 탄성 심의 상기 구간은 탄성 심의 구간의 각각이 상기 구간의 일 측부를 따라서 평면 몸체에 연결되도록 상기 평면 몸체에서 절결되는 것을 특징으로 하는 가스켓 조립체.
제27항에 있어서, 상기 탄성 심의 구간은 상기 평면 몸체의 길이부를 따라서 이격지고 그리고 상기 탄성 심의 구간의 각각의 일 측부는 상기 탄성 심의 구간의 각각의 동일 측부에 있는 것을 특징으로 하는 가스켓 조립체.
제28항에 있어서, 상기 탄성 심의 구간의 각각은 상기 평면 몸체에 대한 각도(θ)로 배치되고 그리고 탄성 심에 유연성을 제공하는 것을 특징으로 하는 가스 켓 조립체.
제26항에 있어서, 상기 탄성 심을 둘러싸는 외부 랩을 부가로 포함하는 것을 특징으로 하는 가스켓 조립체.
제30항에 있어서, 상기 랩은 상기 탄성 심의 일 측만 폐쇄되는 것을 특징으로 하는 가스켓 조립체.
제31항에 있어서, 상기 탄성 심의 일 측부는 연료 셀 스택의 내부방향으로 대면하는데 이용된 측부인 것을 특징으로 하는 가스켓 조립체.
제30항에 있어서, 상기 탄성 심과 상기 외부 랩은 금속성 재료를 함유하는 것을 특징으로 하는 가스켓 조립체.
제1항에 있어서, 상기 가스켓 조립체는 부재를 구비하고 그리고 상기 탄성 심은 상기 부재에 매립되는 것을 특징으로 하는 가스켓 조립체.
제34항에 있어서, 상기 탄성 심은 상기 탄성 심에 탄성을 제공하는 탄성 심을 따라 있는 구간을 구비하는 것을 특징으로 하는 가스켓 조립체.
제35항에 있어서, 상기 탄성 심의 상기 구간의 각각은 탄성 심의 평면의 외부방향으로 연장하는 것을 특징으로 하는 가스켓 조립체.
제36항에 있어서, 상기 탄성 심은 평면 몸체를 가지고 그리고 상기 탄성의 상기 구간은 탄성 심의 구간의 각각이 상기 구간의 일 측부를 따라서 평면 몸체에 연결되도록 상기 평면 몸체에서 절결되는 것을 특징으로 하는 가스켓 조립체.
제37항에 있어서, 상기 탄성 심의 구간은 상기 평면 몸체의 길이부를 따라서 이격지고 그리고 상기 탄성 심의 구간의 각각의 일 측부는 상기 탄성 심의 구간의 각각의 동일 측부에 있는 것을 특징으로 하는 가스켓 조립체.
제38항에 있어서, 상기 탄성 심의 구간의 각각은 상기 평면 몸체에 대한 각도(θ)로 배치되고 그리고 탄성 심에 유연성을 제공하는 것을 특징으로 하는 가스켓 조립체.
제36항에 있어서, 상기 탄성 심을 둘러싸는 외부 랩을 부가로 포함하는 것을 특징으로 하는 가스켓 조립체.
제40항에 있어서, 상기 외부 랩은 상기 탄성 심의 일 측만 폐쇄되는 것을 특 징으로 하는 가스켓 조립체.
제41항에 있어서, 상기 탄성 심의 일 측부는 연료 셀 스택의 내부방향으로 대면하도록 채택된 측부인 것을 특징으로 하는 가스켓 조립체.
제40항에 있어서, 상기 탄성 심과 상기 외부 랩은 금속성 재료를 함유하는 것을 특징으로 하는 가스켓 조립체.
연료 셀 스택 조립체는:

스택의 반대 측에 있는 단부 평판과, 상기 단부 평판 사이에서 일 셀이 다른 일 셀에 적층되는 복수개의 연료 셀을 구비하며, 상기 연료 셀과 상기 단부 평판은 연료 셀 스택용의 적어도 일 면을 형성하는, 연료 셀 스택과;

상기 연료 셀 스택의 일 면에 인접한 매니폴드 및;

상기 매니폴드와 연료 셀 스택의 상기 면의 둘레 사이에 위치하며, 상기 가스켓 조립체의 사전 결정된 부분 위에서 다른 압축성과, 가스켓 조립체의 사전 선택된 구간 내에 배치된 탄성 심을 1개 이상 가지는 가스켓 조립체를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 셀 스택 조립체.
제44항에 있어서, 상기 연료 셀 스택의 면은 상기 연료 셀 스택의 단부 판의 단부 면의 부분에 의해 형성된 마주한 제1 및 제2둘레 부분을 가지고 그리고 연료 셀 스택의 연료 셀의 양극 판의 단부 면의 단부 부분으로 형성된 마주한 제3 및 제4둘레 부분을 가지며, 상기 제3 및 제4둘레 부분은 상기 단부 판 보다 더 큰 각도로 연장하는 양극 판으로 인하여 제1 및 제2둘레 부분보다 더 큰 각도로 연장되며, 그리고, 상기 가스켓 조립체는 상기 가스켓 조립체의 사전 결정된 부분 위에 다른 압축성을 가지며 그리고 상기 가스켓 조립체의 사정 결정된 부분을 가진 부재를 구비하고, 상기 부재는 연료 셀 스택의 면의 제1 및 제2둘레 부분과 대면하는데 이용된 제1 및 제2부분과 상기 연료 셀 스택의 면의 제3 및 제4둘레 부분과 대면하는데 이용된 제3 및 제4부분을 구비하고, 상기 부재의 제1 및 제2부분은 상기 부재의 제3 및 제4부분보다 더 낮은 압축성인 것을 특징으로 하는 연료 셀 스택 조립체.
제45항에 있어서, 상기 부재의 상기 제1, 제2, 제3, 및 제4부분의 각각은 섬유성 튐성 재료(fibrous elastic material)의 층에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 연료 셀 스택 조립체.
제46항에 있어서, 상기 섬유성 튐성 재료는 지르코니아 펠트인 것을 특징으로 하는 연료 셀 스택 조립체.
제46항에 있어서, 상기 부재의 상기 제1 및 제2부분의 상기 층은 상기 부재의 제1 및 제2부분이 상기 부재의 제3 및 제4부분보다 낮게 압축성이 야기되도록 재료로 채워지는 것을 특징으로 하는 연료 셀 스택 조립체.
제48항에 있어서, 상기 재료는 실리카 파우더인 것을 특징으로 하는 연료 셀 스택 조립체.
제45항에 있어서, 상기 가스켓 조립체는 상기 탄성 심을 구비하고, 상기 탄성 심 부품은 상기 부재의 제1 및 제2부분에 매립되는 것을 특징으로 하는 연료 셀 스택 조립체.
제50항에 있어서, 상기 탄성 심은 탄성 심에 탄성을 제공하는 탄성 심을 따라서 있는 구간을 구비하는 것을 특징으로 하는 연료 셀 스택 조립체.
제51항에 있어서, 상기 탄성 심의 상기 구간의 각각은 탄성 심의 평면의 외부방향으로 연장하는 것을 특징으로 하는 연료 셀 스택 조립체.
제52항에 있어서, 상기 탄성 심을 에워싸는 외부 랩을 부가로 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 셀 스택 조립체.
제53항에 있어서, 상기 외부 랩은 상기 탄성 심의 일 측만 폐쇄되는 것을 특징으로 하는 연료 셀 스택 조립체.
제54항에 있어서, 상기 탄성 심의 일 측부는 연료 셀 스택의 내부방향으로 대면하는데 이용된 측부인 것을 특징으로 하는 연료 셀 스택 조립체.
제50항에 있어서, 상기 부재의 상기 제3 및 제4부분의 단부는 상기 스택의 상기 면의 제1 및 제2둘레 부분과 대면하는데 이용되고 그리고, 상기 탄성 심의 부품은 상기 부재의 제3 및 제4부분의 단부에 매립되는 것을 특징으로 하는 연료 셀 스택 조립체.
제56항에 있어서, 상기 부재의 상기 제1, 제2, 제3, 및 제4부분의 각각은 섬유성 튐성 재료의 층에 의해 형성되고, 그리고 상기 부재의 제1 및 제2부분에 매립된 탄성 심의 부품은 제1 및 제2부분의 섬유성 팀성 재료의 층 사이에 배치되고 그리고 상기 부재의 제3 및 제4부분의 단부에 매립된 상기 탄성 심의 부품은 상기 제3과 제4부분의 섬유성 튐성 재료의 층 사이에 배치된 것을 특징으로 하는 연료 셀 스택 조립체.
제57항에 있어서, 상기 부재의 상기 제1 및 제2부분의 상기 층은 상기 부재의 제1 및 제2부분이 상기 부재의 제3 및 제4부분보다 낮게 압축성이 야기되도록 재료로 채워지는 것을 특징으로 하는 연료 셀 스택 조립체.
제58항에 있어서, 상기 재료는 실리카 파우더인 것을 특징으로 하는 연료 셀 스택 조립체.
제58항에 있어서, 상기 탄성 심은 상기 탄성 심에 탄성을 제공하는 탄성 심을 따라 있는 구간을 구비하는 것을 특징으로 하는 연료 셀 스택 조립체.
제58항에 있어서, 상기 탄성 심의 상기 구간의 각각은 탄성 심의 평면의 외부방향으로 연장하는 것을 특징으로 하는 연료 셀 스택 조립체.
제61항에 있어서, 상기 탄성 심을 둘러싸는 외부 랩을 부가로 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 셀 스택 조립체.
제62항에 있어서, 상기 외부 랩은 상기 탄성 심의 일 측만 폐쇄되는 것을 특징으로 하는 연료 셀 스택 조립체.
제63항에 있어서, 상기 탄성 심의 일 측부는 연료 셀 스택의 내부방향으로 대면하는데 이용되는 측부인 것을 특징으로 하는 연료 셀 스택 조립체.
제62항에 있어서, 상기 탄성 심과 상기 외부 랩은 금속성 재료를 함유하는 것을 특징으로 하는 연료 셀 스택 조립체.
제44항에 있어서, 상기 가스켓 조립체는 부재를 구비하고 그리고 상기 탄성 심은 상기 부재에 매립되는 것을 특징으로 하는 연료 셀 스택 조립체.
제66항에 있어서, 상기 탄성 심은 상기 탄성 심에 탄성을 제공하는 탄성 심을 따라 있는 구간을 구비하는 것을 특징으로 하는 연료 셀 스택 조립체.
제67항에 있어서, 상기 탄성 심의 상기 구간의 각각은 탄성 심의 평면의 외부방향으로 연장하는 것을 특징으로 하는 연료 셀 스택 조립체.
제68항에 있어서, 상기 탄성 심을 둘러싸는 외부 랩을 부가로 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 셀 스택 조립체.
제69항에 있어서, 상기 외부 랩은 상기 탄성 심의 일 측만 폐쇄되는 것을 특징으로 하는 연료 셀 스택 조립체.
제70항에 있어서, 상기 탄성 심의 일 측부는 연료 셀 스택의 내부방향으로 대면하는데 이용되는 측부인 것을 특징으로 하는 연료 셀 스택 조립체.
제71항에 있어서, 상기 탄성 심과 상기 외부 랩은 금속성 재료를 함유하는 것을 특징으로 하는 연료 셀 스택 조립체.