KR20090006973A - 연료전지용 금속분리판 가스켓 - Google Patents

Abstract

본 발명은 연료전지의 금속분리판에 적용되는 가스켓의 성형 구조를 개선한 연료전지용 금속분리판 가스켓에 관한 것이다.

본 발명은 금속분리판에 성형되는 가스켓의 구조를 개선하여 가스켓의 성형 정밀성을 향상시킬 수 있고, 금속분리판 스택의 셀 간 단락 방지 및 스택 케이스와의 절연을 구현할 수 있는 연료전지용 금속분리판 가스켓을 제공한다.

본 발명에서 제공하는 연료전지용 금속분리판 가스켓 구조는 금속분리판 외곽 테두리부를 반응면/냉각면 양면을 감싼 형태와 감싸지 않은 형태가 반복되는 구조를 가짐으로써, 가스켓의 성형 정밀성을 높일 수 있고, 금속분리판 스택의 셀 간 단락을 방지할 수 있으며, 스택 케이스와의 절연을 실현할 수 있다.

연료전지, 금속분리판, 가스켓, 기밀성

Description

연료전지용 금속분리판 가스켓{Separator gasket for fuel cell}

본 발명은 연료전지용 금속분리판 가스켓에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 연료전지의 금속분리판에 적용되는 가스켓의 성형 구조를 개선한 연료전지용 금속분리판 가스켓에 관한 것이다.

일반적으로 연료전지의 작동 메카니즘은 수소, 천연가스, 메탄올 등과 같은 연료를 애노드에서 산화시켜 전자와 수소이온(양성자)을 생성시키는 것에서 시작한다.

애노드에서 생성된 수소이온은 전해질막을 통해 캐소드로 이동하고, 애노드에서 생성된 전자는 도선을 통하여 외부의 회로에 공급된다.

캐소드에 도달한 수소이온은 외부 회로를 통하여 캐소드에 도달한 전자 및

외부로부터 공급된 산소와 결합하여 물을 생성한다.

연료전지는 발전 효율이 높고 환경친화적인 차세대 에너지 전환 장치로서 각광받고 있다.

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.

그 중 PEMFC는 연료전지의 작동 온도로서는 비교적 낮은 온도인 약 80 내지 120℃에서 작동될 수 있으며, 매우 높은 전력밀도를 가질 수 있기 때문에 자동차용, 가정용 등의 전력원으로서 적용될 수 있다.

이러한 PEMFC에 있어서 작고 가벼우며 저렴한 PEMFC를 얻기 위하여 개선할 필요가 있는 중요 부품 중의 하나가 바로 바이폴라 플레이트(bipolar plate)이다.

PEMFC의 주된 구성요소로서는 바이폴라 플레이트, MEA(membrane electrode assembly) 등이 있다.

MEA는 연료의 산화가 일어나는 애노드, 산화제의 환원이 일어나는 캐소드, 및 애노드와 캐소드 사이에 위치하는 전해질막을 포함한다.

전해질막은 애노드에서 생성된 수소이온을 캐소드로 전달시키기 위하여 이온전도성을 가지며, 애노드와 캐소드를 전자절연시키기 위한 전자절연성을 갖는다.

당해 기술 분야에서 잘 알려져 있는 바와 같이, 바이폴라 플레이트는 연료 및 공기가 흐르는 유로(channel)를 구비하고 있으며, MEA 간의 전자이동을 위한 전자전도체 역할을 한다.

따라서, 바이폴라 플레이트는 연료와 산소가 분리될 수 있도록 비다공성이어야 하고, 전기전도성이 우수하여야 하고, 연료전지의 온도 제어를 위한 충분한 열 전도도를 가져야 하며, 연료전지를 클램핑(clamping)하는 힘을 견딜 정도의 충분한 기계적 강도를 가져야 할 뿐만 아니라, 수소이온에 대한 내부식성을 가져야 한다.

종래 PEMFC의 바이폴라 플레이트의 재료로서는 주로 그래파이트 플레이트(graphite plate)가 사용되었으며, 이때 연료 및 공기 유로는 주로 밀링 가공에 의하여 형성되었다.

그래파이트 플레이트는 전기전도성이 좋고 부식이 잘되지 않는 이점을 가지고 있지만, 그래파이트 플레이트 자체의 가격과 밀링 가공비는 바이폴라 플레이트의 높은 가격의 주된 요인으로 작용하고 있다.

게다가, 그래파이트 플레이트는 깨지기 쉽기 때문에 2mm 내지 3mm 이하의 두께로 가공하기가 용이하지 않다.

이러한 그래파이트계 바이폴라 플레이트의 두께로 인하여 수 십 내지 수 백 개의 단위전지(unit cell)로 이루어지는 연료전지 스택(stack)의 크기를 줄이는데는 어려움이 있었다.

바이폴라 플레이트의 가공비와 두께를 줄이기 위한 대안 중의 하나로서, 바이폴라 플레이트의 재료를 금속으로 대체되는 추세이다.

당해 분야에서 잘 알려져 있는 바와 같이, 금속분리판은 그 일면에 연료 또는 산화제를 위한 유로가 형성되어 있고, 다른 면에는 냉각유체를 위한 유로가 형성되어 있는 판재이다.

한편, 연료전지 스택(Stack)은 막전극접합체와 가스확산층 및 분리판을 필요한 용량만큼 적층하여 구성된 것으로서, 외부에서 적절한 압력을 제공하는 장치를 통해 각 단위전지가 어긋나거나 미끄러짐 없이 일체형을 이루는 조립체로 되어 있다.

상기 막전극접합체와 분리판의 상부 및 하부에는 각각 반응에 필요한 수소 및 공기와, 반응열을 냉각하기 위한 냉각수를 공급하거나 배출하기 위한 다수의 매니폴드가 형성되어 있으며, 수소, 공기 및 냉각수는 스택 외부배관을 통해 분리판의 매니폴드를 거쳐서 각 단위전지의 분리판에 형성되어 있는 가스유로를 통해 전극으로 공급된다.

이때, 수소와 공기가 반응하는 반응영역 및 각 매니폴드로부터 수소, 공기 및 냉각수가 누설되는 것을 방지하기 위한 실링수단이 포함되어야 하는데, 연료전지의 경우 그 특성상 운전 및 정지가 자주 반복되며, 운전 중에는 화학반응으로 인한 열이 발생되기 때문에 팽창 및 수축이 빈번하게 일어나게 된다.

따라서, 연료전지용 실링 구조는 잦은 팽창 및 수축이 일어나는 경우에도 밀폐성을 유지해야 하며, 팽창 및 수축 과정에서 연료전지의 각 구성요소에 발생하는 응력분포가 가능한 한 균일해야 피로로 인한 파괴를 방지할 수 있어야 한다.

이를 위해서 전극 및 매니폴드 주위에는 가스켓이 배치된다.

가스켓은 탄성 복원력이 우수하면서 부드러운 성질을 갖는 실리콘계, 불소계 혹은 올레핀계로서 탄성을 갖는 고무 재료를 주로 사용한다.

고무 재료의 가스켓 제조방법은 금형을 사용하여 O-링 형태로 만드는 방법과 디스펜서를 사용하여 제조하는 방법 등이 있다.

금속분리판은 원소재 두께 0.1∼0.2mm의 금속 박판을 이용한 스탬핑 등의 성 형공법에 의해 제작되며, 적층시 균일한 면압을 유지하지 못하면 국부적인 변형으로 실링을 유지할 수 없다.

이러한 것을 방지하기 위해 복잡한 실링 구조로 스택 적층성을 개선하려 하고 있다.

금속분리판에 적용되는 가스켓은 흑연과는 달리 가스켓을 위치시키기 위한 홈 성형이 불가능하고, 금속면에 고상 고무 재질을 접착하기가 힘들기 때문에 액상 고무소재를 도포, 사출하여 금속분리판 표면에서 경화/접착시키는 방법이 일반적으로 적용된다.

여기에서 금속분리판 외곽 테두리부에 위치하는 가스켓(10)은, 도 3에 도시한 바와 같이, 반응면/냉각면 위에 독립적으로 존재하는 형태(a), 또는 분리판(11)의 반응면/냉각면을 함께 감싸는 형태(a) 등이 사용된다(일본공개특허 평07-065847호, 한국등록실용 제0383221호, 일본공개특허 제2002-231264호).

(a)의 형태는 박판 금속 소재의 외곽 테두리가 날카로와 작업자가 상처를 입을 수도 있고, 스택을 적층했을 때 스택 외곽부가 금속 박판 상태로 조밀하게 존재하여 금속 조각 등에 의한 셀 간 단락의 위험이 매우 커진다.

또한, 흑연 소재 분리판과는 달리 금속분리판의 테두리는 취급시 작은 충격에 휘어지는 등 변형이 생길 수 있기 때문에 셀 간 단락의 위험이 매우 높다.

(b)의 형태는 위와 같은 단점을 보완할 수 있는 형태이다.

하지만, 가스켓 성형 금형(12)은 (c) 형태의 가스켓을 성형할 때와 같이 가스켓 좌우 금속면을 잡아줄 수 없고, 한쪽만 잡아주는 형태가 된다(d).

일반적으로 복잡한 유로가 형성되는 대면적 금속분리판의 프레스 성형시 전체적인 스프링백 현상에 의한 뒤틀림을 완벽히 제거하는 것이 힘들고(테두리부에 변형 존재 가능), 금속분리판 취급시 충격으로 외곽 테두리 부분에 의도하지 않은 변형이 생길 경우 (b) 형태로 가스켓을 성형할 때 금속분리판의 반응면/냉각면의 가스켓 높이가 설계값 대비 달라질 수 있고(e), 가스켓의 압축 길이가 달라져서 스택의 기밀이 불가능해진다(일반적으로 연료전지 스택 체결시 가스켓 수축 높이는 원래 높이 대비 0.1mm 이하로 매우 작음).

또한, 액상 고무의 사출 압력에 의해 분리판의 변형이 발생할 수도 있다.

따라서, 본 발명은 이와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로서, 금속분리판에 성형되는 가스켓의 구조를 개선하여 가스켓의 성형 정밀성을 향상시킬 수 있고, 금속분리판 스택의 셀 간 단락 방지 및 스택 케이스와의 절연을 구현할 수 있는 연료전지용 금속분리판 가스켓을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 금속분리판 가스켓은 금속분리판 스택에서 기밀유지를 위해 적용하는 고무 가스켓을 금속분리판의 외곽 테두리부 반응면/냉각면을 함께 감싸는 형태로 접착하되, 상기 테두리부를 따라가면서 반응면/냉각면을 감싸지 않고 각 면의 노출되는 부분이 반복적으로 나타나는 형태로 이루어질 수 있다.

여기서, 상기 고무 가스켓으로 테두리부를 감싸는 부분과 감싸지 않는 부분의 길이 비율은 같거나, 감싸는 부분이 길거나, 감싸지 않는 부분이 긴 형태로 이루어질 수 있다.

한편, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 실시예에 따른 금속분리판 가스켓은 금속분리판 가스켓은 금속분리판 스택에서 기밀유지를 위해 적용하는 고무 가스켓을 금속분리판 내부 영역의 매니폴드 부분이나 유로 부분의 테두리부 반응면/냉각면을 함께 감싸는 형태로 접착하되, 상기 테두리부를 따라가면서 반응면/ 냉각면을 감싸지 않고 각 면의 노출되는 부분이 반복적으로 나타나는 형태로 이루어질 수 있다.

여기서도 상기 고무 가스켓으로 테두리부를 감싸는 부분과 감싸지 않는 부분의 길이 비율은 같거나, 감싸는 부분이 길거나, 감싸지 않는 부분이 길거나 하는 형태로 이루어지게 하는 것이 바람직하다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명은 다음과 같은 효과가 있다.

첫째, 연료전지 금속분리판 가스켓의 성형 정밀성을 향상시킬 수 있다.

보통 금속분리판은 모재 두께 0.1∼0.2mm 정도의 박판을 성형하여 구성되며, 차량용 스택 구성시 400장 이상의 금속분리판이 적층되어야 한다.

금속분리판의 외곽 테두리부에 액상 고무 가스켓을 사출 성형시 금형이 가스켓 단면 좌우를 안정적으로 지지할 수 있는 구조를 부분적으로 도입하여 가스켓 성형 정밀성을 높일 수 있다.

둘째, 연료전지 금속분리판 스택의 셀 간 단락 방지 및 스택 케이스(Enclosure)와의 절연을 실현할 수 있다.

금속분리판 외곽 테두리부를 가스켓으로 감싸는 구조를 부분적으로 도입하여 스택의 셀 간격을 일정하게 유지하게 함으로써, 의도하지 않은 분리판의 국부적인 변형에 의한 셀 간 단락을 방지할 수 있다.

또한, 스택의 바깥면이 고무재질로 덮혀있기 때문에 스택 케이스와의 절연이 가능하여 스택 외부 또는 스택 케이스 내부에 추가적인 절연구조를 도입할 필요가 없다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 여러 실시예에 따른 금속분리판 가스켓의 구조를 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 금속분리판 가스켓이 적용되는 금속분리판 스택 모듈 구성을 나타내는 사시도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 금속분리판 가스켓을 나타내는 평면도이다.

도 1에 도시한 바와 같이, 여기서는 금속분리판(11)을 적용한 스택의 모듈과, 금속분리판(11)의 적층된 순서를 보여준다.

연료전지 스택은 박판의 금속분리판(11), 가스켓(10), MEA(14), 가스확산층 등을 적층한 형태로 구성되고, 이렇게 적층되어 하나의 어셈블리 형태를 이루는 금속분리판(11), 가스켓(10), MEA(14) 등은 양면의 엔드 플레이트(15)에 의해 마감되어 하나의 연료전지 스택 유니트가 완성된다.

도 2에 도시한 바와 같이, 여기서는 금속분리판(11)의 형상과 가스켓 구조를 보여준다.

상기 금속분리판(11)은 반응 수소, 공기 및 냉각수 입출구 통로 역할을 하는 매니폴듣를 포함하며, MEA를 기준으로 한 셀 내부 기밀, 그리고 애노드 분리판/캐소드 분리판 사이(냉각수 통로)의 기밀을 유지하기 위한 가스켓(10)이 금속분리 판(11)의 외곽 테두리부 양면에 부착(접착)되어 있다.

금속면에 고상 가스켓을 접착시키는데 많은 어려움이 있으므로 이때의 금속분리판(11)에는 주로 액상 고무재료를 이용한 사출 가스켓이 적용된다.

이때, 금속분리판 외곽 테두리 부분의 가스켓 단면 형상은 금속분리판 양면을 감싼 형태가 될 수 있다.

특히, 금속분리판 스택에서 기밀을 유지하기 위해 적용되는 고무 가스켓은 금속분리판 외곽 테두리부의 반응면/냉각면 양면을 감싼 형태를 기본으로 하면서 감싸지 않고 반응면/냉각면이 그대로 존재하는 형태가 반복적으로 나타나는 구조로 형성될 수 있다.

이러한 가스켓의 구조는 상술한 바와 같이 셀 간 단락이나 스택 케이스와의 단락을 방지하는 이점을 그대로 살리면서 가스켓 성형시 가스켓 성형 금형으로 가스켓 좌우 금속면을 안정적으로 잡아줄 수 있는 이점까지도 함께 취할 수 있도록 해준다.

이를 위하여, 상기 금속분리판 가스켓은 일부분은 금속분리판의 외곽 테두리를 감싼 형태, 일부분은 감싸지 않은 형태로 되어 있다.

즉, 금속분리판(11)의 외곽 테두리부 반응면/냉각면을 고무 가스켓으로 함께 감싸는 형태로 접착할 때, 감싸인 전체 구간 중에서 일부는 반응면/냉각면을 감싸지 않고 각 면의 노출되는 부분, 예를 들면 박판 노출부(13)가 나타나는 형태로 될 수 있다.

이때의 감싸지 않은 형태, 즉 박판 노출부(13)는 테두리를 따라가면서 일정 간격을 두고 반복적으로 나타날 수 있으며, 감싸지 않은 부분은 가스켓 성형 금형의 지지부가 된다.

이에 따라, 금속분리판의 테두리를 보호할 수 있는 장점을 가지면서 동시에 성형 금형 지지부를 확보하여 가스켓 성형 정밀성을 높일 수 있다.

또한, 고무 가스켓으로 감싼 부분과 감싸지 않는 부분은 변형 가능성이나 구조적 안전성 등을 고려하여 소정의 비율로 설정될 수 있다.

즉, 금속분리판의 외곽 테두리를 감싼 부분(m)과 감싸지 않은 부분(n)의 길이 및 비율은 금속분리판의 전체적인 길이, 금속분리판 두께에 따른 변형 가능성 및 구조적인 안정성(가스켓 금형 지지부) 등을 고려하여 정해야 한다.

감싼 부분(m)과 감싸지 않은 부분(n)의 길이를 짧게 반복하는 것이 가장 이상적이나, 가스켓 금형 제작이 힘들고 액상 고무의 유동성을 저해할 수 있으므로, 각 조건의 맞게 적절히 선택하여 설정하는 것이 바람직하다.

이때의 선택은 테두리부를 감싸는 부분과 감싸지 않는 부분의 길이 비율을 같게 하거나, 감싸는 부분을 길게 하거나, 감싸지 않는 부분을 길게 하는 등으로 선택할 수 있다.

여기서, m<n일 경우 가스켓 성형 치수 정밀성이 향상되고, m>n일 경우 단락방지 및 절연성이 향상된다.

한편, 위와 같은 가스켓 구조, 즉 감싼 부분과 감싸지 않은 부분이 반복되는 구조는 금속분리판 외곽 테두리 이외에도 수소, 공기, 냉각수 유로 부분의 가스켓 형상에도 적용할 수 있다.

예를 들면, 기본적으로 고무 가스켓을 금속분리판 내부 영역의 매니폴드 부분이나 유로 부분의 테두리부 반응면/냉각면을 함께 감싸는 형태로 접착할 수 있고, 이때에도 테두리부를 따라가면서 반응면/냉각면을 감싸지 않고 각 면의 노출되는 부분이 반복적으로 나타나는 형태를 포함할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 금속분리판 가스켓이 적용되는 금속분리판 스택 모듈 구성을 나타내는 사시도

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 금속분리판 가스켓을 나타내는 평면도

도 3은 종래의 금속분리판 가스켓 구조를 나타내는 개략도

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

10 : 가스켓 11 : 금속분리판

12 : 금형 13 : 박판 노출부

14 : MEA 15 : 엔드 플레이트

Claims (8)

1. 금속분리판 스택에서 기밀유지를 위해 적용하는 고무 가스켓을 금속분리판의 외곽 테두리부 반응면/냉각면을 함께 감싸는 형태로 접착하되, 상기 테두리부를 따라가면서 반응면/냉각면을 감싸지 않고 각 면의 노출되는 부분이 반복적으로 나타나는 형태로 이루어진 것을 특징으로 하는 연료전지용 금속분리판 가스켓.
2. 청구항 1에 있어서, 상기 고무 가스켓으로 테두리부를 감싸는 부분과 감싸지 않는 부분의 길이 비율은 같은 것을 특징으로 하는 연료전지용 금속분리판 가스켓.
3. 청구항 1에 있어서, 상기 고무 가스켓으로 테두리부를 감싸는 부분과 감싸지 않는 부분의 길이 비율은 감싸는 부분이 긴 것을 특징으로 하는 연료전지용 금속분리판 가스켓.
4. 청구항 1에 있어서, 상기 고무 가스켓으로 테두리부를 감싸는 부분과 감싸지 않는 부분의 길이 비율은 감싸지 않는 부분이 긴 것을 특징으로 하는 연료전지용 금속분리판 가스켓.
5. 금속분리판 가스켓은 금속분리판 스택에서 기밀유지를 위해 적용하는 고무 가스켓을 금속분리판 내부 영역의 매니폴드 부분이나 유로 부분의 테두리부 반응면/냉각면을 함께 감싸는 형태로 접착하되, 상기 테두리부를 따라가면서 반응면/냉각면을 감싸지 않고 각 면의 노출되는 부분이 반복적으로 나타나는 형태로 이루어진 것을 특징으로 하는 연료전지용 금속분리판 가스켓.
6. 청구항 5에 있어서, 상기 고무 가스켓으로 테두리부를 감싸는 부분과 감싸지 않는 부분의 길이 비율은 같은 것을 특징으로 연료전지용 금속분리판 가스켓.
7. 청구항 5에 있어서, 상기 고무 가스켓으로 테두리부를 감싸는 부분과 감싸지 않는 부분의 길이 비율은 감싸는 부분이 긴 것을 특징으로 하는 연료전지용 금속분리판 가스켓.
8. 청구항 5에 있어서, 상기 고무 가스켓으로 테두리부를 감싸는 부분과 감싸지 않는 부분의 길이 비율은 감싸지 않는 부분이 긴 것을 특징으로 하는 연료전지용 금속분리판 가스켓.

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