KR20090091687A

KR20090091687A - 연료전지장치용 모듈

Info

Publication number: KR20090091687A
Application number: KR1020097002621A
Authority: KR
Inventors: 스테판 가이스
Original assignee: 엔오케이 가부시키가이샤
Priority date: 2006-07-12
Filing date: 2007-06-13
Publication date: 2009-08-28
Also published as: WO2008006435A1; CA2657575C; CA2657575A1; US20090291343A1; KR101409667B1; EP2062312B1; DE102006032530A1; JP2009543306A; US8105725B2; EP2062312A1; CN101542792B; JP5218403B2; CN101542792A

Abstract

본 발명은, 연료전지장치용 모듈(1)에 관한 것이다. 이 모듈은(1), 스택 형상으로 배치된 플레이트(2, 3)를 포함하되, 적어도 2매의 플레이트(2, 3)가 그 일부분이 씰링 엘레멘트(4)에 의해 상호 결합되고, 적어도 또 1개의 씰(5)이 플레이트(2, 3) 사이에 배치되어 있다.

Description

연료전지장치용 모듈 {MODULE FOR A FUEL CELL ARRANGEMENT}

본 발명은, 연료전지장치용 모듈로서, 스택(stack) 형상으로 배치된 플레이트를 포함하되, 적어도 2매의 플레이트가 그 일부분이 씰링 엘레멘트에 의해 상호 결합되어 있는 것에 관한 것이다.

이런 종류의 모듈로서 제DE10250434Al호로 공지인 것에서는, 연료전지를 조립하는 데에 필요한 단(單)셀의 개수가 줄여져, 적은 공정수로 조립할 수 있는 점에서 유리하다. 또, 플레이트를 고정하는 추가적인 조치가 필요하지 않게 된다. 왜냐하면, 플레이트의 고정이, 플레이트와 마찰연결 및/또는 끼움 연결에 의해 결합된 씰링 엘레멘트(sealing element)에 의해 이루어지기 때문이다. 플레이트는, 이 경우, 대체로 바이폴러(bipolar) 플레이트로 형성되어, PEM 연료전지에 사용하기 위해 고려되고 있다. 씰링 엘레멘트는, 이 경우, 흔히 사출성형 공정이 진행되는 동안 플레이트에 부착된다. 그러나, 이 경우의 결점은, 씰링 엘레멘트의 수축과정에서 플레이트 사이에 국부적 누설이 생기게 됨으로써, 냉매 액체 또는 연료전지 가스가 유출될 가능성이 있게 된다. 또, 밀봉재료가 플레이트 사이의 중간 스페이 스에 밀어넣어져, 그 이격작용(離隔作用) 때문에 전기저항의 상승을 일으키게 된다. 이런 종류의 씰 어레인지먼트(seal arrangement)는, 비파괴적 방법으로는 밀봉할 곳을 들여다볼 수 없기 때문에, 품질 확보와 점검하기가 곤란하다.

본 발명의 과제는, 연료전지장치용 모듈로서, 플레이트 사이의 누설을 확실하게 방지할 수 있게 된 것을 제공하는 것이다.

상기의 과제는, 청구항 1 및 9의 제 특징에 의해 해결된다. 유리한 구성을 종속 청구항에 기재하였다.

상기의 과제를 해결하기 위해, 각 플레이트 사이에 적어도 또 1개의 씰을 설치한다. 본 발명은, 양자 플레이트를 떼어낼 수 없는 상태로 결합하기 전에, 플레이트의 적어도 한쪽에 이 씰을 부착시킨다. 밀봉재료와 씰 지오메트리(seal geometry)의 설계에 따라 플레이트를 조합시키면, 이 씰의 규정과 같은 조임이 얻어진다. 이에 따라 밀봉작용이 확실하게 얻어져, 플레이트 사이의 누설이 억지된다. 본 발명에 의한 해결법의 경우, 씰링 엘레멘트의 씰 재료를, 특별히 높은 압력으로 밀봉할 곳에 밀어넣을 필요는 없다. 밀봉성은 이미 또 1개의 씰링 엘레멘트에 의해 얻어질 수 있기 때문이다. 이에 따라 플레이트 사이에 밀봉재료가 비어져 나오는 것이 방지되어, 모듈의 도전성이 훼손되지 않게 된다.

각 플레이트의 서로 마주보는 쪽에 복수의 오목부를 형성시켜, 이들 오목부에, 상기 또 1개의 씰을 배치할 수가 있다. 이들 오목부를 씰링 홈으로 형성하되, 이들 홈은, 한쪽 플레이트 또는 양쪽 플레이트의 서로 마주보는 쪽에 형성할 수가 있다. 이들 오목부에, 상기 또 1개의 씰을 배치한다.

이들 플레이트는, 냉각장치를 짜 넣은 바이폴러 플레이트로 형성할 수 있다. 연료전지 셀, 특히 PEM 연료전지 셀의 1개의 엘레멘트는, 2매의 바이폴러 플레이트 사이에 배치된 이온교환막을 포함한다. 이 경우, 2개의 인접하는 셀의 바이폴러 플레이트 2매씩(엘레멘트)이, 1개의 모듈에 정리된다. 이들 바이폴러 플레이트는 막(膜)을 향해 가스공급구조를 갖추고서, 이 가스공급구조에 의해 반응 가스가 막으로 유도된다. 별도의 바이폴러 플레이트를 향해서는 복수의 오목부가 형성되어 있어서, 이들 오목부가 액체 냉매를 각 바이폴러 플레이트 사이로 유도함으로써, 연료전지의 동작 온도를 제어하도록 되어 있다. 상기 또 1개의 씰은, 바이폴러 플레이트에서, 냉각장치를 위한 오목부가 형성되어 있는 쪽에 배치되어 있다. 또, 이들 바이폴러 플레이트에는 복수의 관통구(貫通口)가 형성되어, 이 관통구를 통해 반응 가스와 냉매가 바이폴러 플레이트의 내부로 유도된다. 상기 또 1개의 씰은, 반응 가스가 넘치거나 액체 냉매가 누설되거나 하는 것을 방지하게 된다.

상기 또 1개의 씰은, 사출성형품으로 형성할 수 있다. 그렇게 하기 위해서는, 밀봉재료를 사출성형으로 상기 오목부에 넣게 하는바, 이와 동시에 이 씰의 표면에 이형화(異形化)를 시행할 수가 있다. 이런 종류의 씰은, 엘라스토머 재료, 예컨대 EPDM 또는 FKM(불소고무)로 된 것으로 하는 것이 유리하다. 이들 씰은, 간이하고 염가로 제조할 수 있다.

상기 또 1개의 씰은, 접착 결합체로 형성할 수 있다. 이는, 적절한 접착제로 된 접착제 비드(bead), 또는 에폭시 수지로 된 접착 결합체로 할 수가 있다. 이 경우, 접착 결합체를 삽입하고서, 계속해서 조여줌으로써, 양 플레이트의 고정결합을 생기게 할 수 있다. 이 접착 결합은, 계속해서 열처리를 함으로써 최적화할 수가 있다. 결합에 대한 고도의 요구사항이 없는 경우라면, 플레이트끼리를 씰링 엘레멘트로 다시 결합시킬 필요는 없다.

상기 또 1개의 씰은, 플랫(flat) 씰로 형성할 수가 있다. 플랫 씰은, 평면적인 부품을 정적으로 결합하기 위한 것으로, 이전부터 공지로 되어 있 것이다. 플랫 씰은, 소재 접합 또는 마찰/끼움 접합에 의해 플레이트와 결합될 수가 있다.

상기 또 1개의 씰은 표면을 이형화(異形化)할 수가 있다. 표면의 이형화는, 예컨대 비드, 파형, 빗 형상의 돌기, 또는 볼록면/오목면이 있는 표면 지오메트리로 한다. 이들 이형화는, 밀봉할 곳에서 초기의 조이는 힘이 작더라도 접촉응력의 향상이 생기게 되고, 이에 따라 씰 작용의 개선이 얻어지게 된다.

상기 또 1개의 씰은, O-링으로 된 것으로 할 수가 있다. O-링도 마찬가지로, 정적(靜的) 밀봉을 위한 것으로, 이전부터 알려져 있는 공지의 씰링 엘레멘트이다. O-링은, 이 O-링에 적합된 홈에 삽입되어 조여지게 된다.

또 1개의 실시형태에서는, 한쪽 플레이트에 적어도 1개의 돌기가 갖춰지되, 이 돌기는 씰링 엘레멘트에 인접해서 배치되어, 상기 또 1개의 씰을 형성하게 된다. 이 돌기는, 플레이트를 조합시킬 때 다른 쪽 플레이트에 접촉해서, 이 돌기 영역에서 표면압(表面壓)의 국부적 증가를 생기게 한다. 표면압의 증가에 의해 이 영역에서 밀봉성의 개선이 얻어지고, 이에 의해, 씰링 엘레멘트의 밀봉재료가 사출성형시에 넘치는 것을 방지할 수 있다. 이는 특히 유리하다. 왜냐하면, 씰링 엘레멘트가 생성된 후에는, 플레이트가 상호 고정결합되어져, 밀봉할 곳을 재작업할 수가 없게 되기 때문이다. 이와 같은 돌기 형상을 한 또 1개의 씰을, 앞에서 설명한 또 1개의 씰 중의 하나와 조합시킬 수가 있다.

1개의 플레이트에 원형으로 주회(周回)하는 돌기를 2개 형성하되, 이들 돌기가, 각각 씰링 엘레멘트에 인접해서 배치되도록 해서, 상기 또 1개의 씰을 형성할 수도 있다. 이에 따라 씰링 엘레멘트 재료가 넘치는 것을, 양 방향에서 모두 방지할 수 있다.

이들 2개의 돌기는, 플레이트와 동일한 재료를 가지고 일체형으로 형성할 수가 있다. 또 이들 돌기는, 플레이트를 성형할 때 형성시킬 수가 있다. 금속으로 된 플레이트의 경우도, 그라파이트 플레이트인 경우에도, 모두 유리한 씰작용이 얻어질 수 있게 된다.

이 돌기는, 삼각형으로 형성할 수가 있는바, 삼각형 돌기는 특히 제조하기가 쉽고 이형하기도 쉽다. 또 이 돌기는, 특히 안정되어 있어서, 특히 높은 표면압을 생기게 한다.

별도의 플레이트는, 돌기에 적합한 오목부를 적어도 1개 구비하게 된다. 이 방법은, 이들의 플레이트를 상호 매우 정확히 배치할 수 있기 때문에 유리한데, 이에 의해, 사출성형 전의 플레이트의 번잡한 방향지우기가 생략된다. 이에 따라 플레이트의 제조가, 한층 더 간이하고 염가로 될 수 있다. 또한, 양 플레이트를 관통하는 구멍 또는 접속 엘레멘트를, 매우 정확히 방향지우는 것도 항상 가능해지게 된다. 이와 같이 해서 양 플레이트의 끼움 결합이 이루어지기 때문에, 양 플레이트는 접합 후에 상호 위치가 이동하지 않게 된다.

연료전지의 모듈을 제조하는 본 발명의 방법의 경우, 먼저 각 플레이트를 제조하고, 다음에 이들 플레이트 상에 상기 또 1개의 씰을 배치하고, 2매의 플레이트를 접합해서, 씰링 엘레멘트를 플레이트와 결합하게 되는바, 그 결합을 할 때에, 양 플레이트가 상호 결합이 이루어지도록 한다.

하기의 도면을 이용해서, 본 발명에 의한 모듈의 몇 가지의 실시예를 상세히 설명한다.

도 1은, 본 발명에 의한 모듈의 횡단면도이다.

도 2는, 바깥쪽 주위에 씰링 엘레멘트를 배치한 모듈이다.

도 3은, 일정한 횡단면의 관통구를 구비한 모듈이다.

도 4는, 매체 유로와 또 1개의 씰을 복수로 구비한 모듈이다.

도 5는, 씰링 엘레멘트가 매체 유로의 라이닝을 형성하도록 된 모듈이다.

도 6은, 매체 유로와 복수의 씰링 엘레멘트을 구비한 모듈이다.

도 7은, 씰링 엘레멘트에 인접하는 돌기를 2개 구비한 모듈이다.

도 8는, 씰링 엘레멘트에 인접하고서 사각형 홈에 수용되어 있는 돌기를 2개 구비한 모듈이다.

각 도면은, 각각 연료전지장치용 모듈의 실시예를 나타낸 것으로, 이들 실시예에서는 PEM 연료전지용 모듈(1)을 나타낸다. 모듈(1)은, 스택 형상으로 배치된 2매의 플레이트(2, 3)로 구성되어 있는바, 이들 플레이트(2, 3)는 상호 그 일부분이 씰링 엘레멘트(4)에 의해 결합되도록 되어 있다. 그 때문에 플레이트(2, 3)는, 각각 긴 구멍 형태를 한 관통구(9)를 갖추되, 이들 관통구(9)는 개구(10)가 형성되도록 상호 위치를 어긋나게 해서 배치되어 있다. 플레이트(2, 3)는 그라파이트 바이폴러 플레이트로서, 각각 상호 서로 마주보는 쪽에 냉각장치(7)를 구비하고 있다. 냉각장치(7)는, 냉각코일형상의 오목부로 되어 있다. 플레이트(2, 3) 사이에는, 각각 적어도 또 1개의 씰(5)이 배치되어 있다. 그 때문에 플레이트(2, 3)의 서로 마주보는 쪽에 각각 오목부(6)가 형성되어, 그들 오목부(6) 중에 상기 또 1개의 씰(5)이 배치되도록 되어 있다. 도면에 도시한 모듈(1)은, 그들 각각이 한가지 실시예를 이루지만, 씰링 엘레멘트(4)와, 여러 가지로 다른 실시예의 상기 또 1개의 씰(5)을 상호 조합시킨 것 이외의 실시예도 생각될 수 있다.

모듈(1)을 제조하려면, 먼저 플레이트(2, 3)를 제조한다. 그 다음에는, 필요가 있으면 플레이트(2, 3)에 오목부(6)를 형성하고, 이 오목부(6) 내에 상기 또 1개의 씰(5)을 배치한다. 계속해서 2매의 플레이트(2, 3)를 접합하고, 씰링 엘레멘트(4)를 플레이트(2, 3)와 결합시키는바, 그때 이 씰링 엘레멘트(4)가 양 플레이트(2, 3)를 끼움 결합에 의해 상호 결합시키게 된다. 플레이트(2, 3)의 각 상호 반대쪽 면에는 유로(流路; 13, 14)를 하나씩 배치한다. 이들 유로(13, 14)는, 2개의 인접한 연료전지 셀의 양극(13)과 음극(14)을 형성한다. 또, 유로(13, 14)를 통해, 막(膜; 도시되지 않음)을 향해 반응 가스의 공급이 행해진다. 막은 양극(13)과 음극(14) 사이에 배치되어 있다.

도 1은, 상기 또 1개의 씰(5)이 O-링으로 형성되어 있는 모듈(1)을 나타내는바, 이 경우, 상기 또 1개의 씰(5)은, 플레이트(2, 3)의 오목부(6) 내에 배치되어 있다. 씰링 엘레멘트(4)는 EPDM으로, 또는 별개의 실시예에서는 FKM으로 형성되어 있는바, 이는 사출성형에 의해 관통구(9) 내에 배치되도록 되어 있다. 관통구(9)는, 플레이트(2, 3)의 내부에서 작은 횡단면적을 갖도록 되어 있다. 씰링 엘레멘트(4)는 비드 형상의 돌기(11)를 구비하고 있다.

도 2에 도시된 모듈(1)의 경우, 씰링 엘레멘트(4)는 플레이트(2, 3)의 바깥쪽 주위에 배치되어 있는바, 이에 따라 플레이트(2, 3)를 끼움 결합시키도록 되어 있다. 이 실시예의 경우, 상기 또 1개의 씰(5)은 사출성형품으로 형성되고, 이 또 1개의 씰(5)은 이형화된 표면(8)을 갖도록 되어 있다.

도 3은 도 1과 마찬가지의 모듈(1)을 나타내는바, 이 구성에서는, 관통구(9)가 일정한 횡단면을 갖도록 되어 있다. 이 실시예의 경우, 상기 또 1개의 씰(5)은 플랫 씰로 형성되어 있다.

도 4는, 반응 가스를 유도하는 매체 유로(12)를 가진 플레이트를 나타낸다. 이 매체 유로(12)는, 씰링 엘레멘트(4)와, 냉각장치(7)에 대한 또 1개의 씰(5)에 의해, 각각 밀봉되도록 되어 있다.

도 5는 도 4와 마찬가지의 모듈(1)을 나타내는바, 이 경우, 씰링 엘레멘 트(4)는, 매체 유로(12)의 라이닝(lining)을 형성한다. 이 실시예에서, 상기 또 1개의 씰(5)은 접착 결합체로 형성되어 있다.

도 6도 도 4와 마찬가지의 모듈(1)을 나타내는바, 이 구성에서는, 관통구(9)가 일정한 횡단면을 갖도록 되어 있다.

도 7은, 1개의 연료전지장치용 모듈을 나타내는바, 이 실시예의 경우는 PEM 연료전지용 모듈(1)을 나타낸다. 모듈(1)은, 스택 형상으로 배치된 2매의 플레이트(2, 3)로 이루어지되, 이들 플레이트(2, 3)는 그 일부분이 씰링 엘레멘트(4)에 의해 상호 결합되어 있다. 그 때문에 이들 플레이트(2, 3)는 긴 구멍 형상의 관통구(9)를 갖고서, 개구(10)가 형성되도록 이들 관통구(9)는 상호 위치가 어긋나도록 배치된다. 플레이트(2, 3)는 그라파이트 바이폴러 플레이트로서, 서로 마주보는 쪽에 냉각장치(7)를 구비한다. 냉각장치(7)는, 냉각코일형상의 오목부로 이루어진다. 플레이트(2, 3) 사이에는, 각각 적어도 또 1개의 씰(5)이 배치되어 있다. 이들 또 1개의 씰(5)은, 이 실시예에서는, 씰링 엘레멘트(4)의 양쪽에 배치된 돌기(15)로 되어 있다. 이들 돌기(15)는, 플레이트(3)와 같은 재료에 의해 일체형으로 형성되기 때문에 그라파이트 제이다. 돌기(15)는 원형으로 주회(周回) 하는 뚝 형상으로 형성되어 있다. 플레이트(2)에서는, 씰링 엘레멘트(4)의 양쪽에 1개씩, 역시 원형으로 주회하는 오목부(16)가 형성되어 있는바, 이들 오목부(16)는 돌기(15)에 적합하도록 형성되어 있다.

도 8은, 도 7과 마찬가지의 모듈(1)이다. 이 실시예에서는, 돌기(15)가 형성되어 있는 오목부(16)가 사각형 홈으로 형성되어 있다. 이 경우, 돌기(15)는, 이 도면에서는 V자형으로 형성되어 있으나, 양 플레이트(2, 3)가 조여질 때, 이 돌기의 재료를 오목부(16)의 내부에 남은 자유로운 공간에 밀어넣을 수가 있다. 따라서 돌기(15)는, 그의 높이를 오목부(16)의 깊이보다도 크게 할 수가 있어, 특히 밀봉된 결합이 얻어지게 된다. 돌기(15)는 이와 다른 형상으로 할 수도 있는바, 그 경우, 돌기(15)를 예컨대 반원형 또는 포물선 형상으로 형성할 수가 있다.

Claims

스택 형상으로 배치된 플레이트(2, 3)를 포함하되,

적어도 2매의 플레이트(2, 3)가, 그 일부분을 씰링 엘레멘트(4)에 의해 상호 결합되어 있는 연료전지장치용 모듈(1)로서,

플레이트(2, 3) 사이에 적어도 또 1개의 씰(5)이 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 연료전지장치용 모듈.
제1항에 있어서, 상기 플레이트(2, 3)의 서로 마주보는 쪽에 오목부(6)가 형성되고서,

당해 오목부에 상기 또 1개의 씰(5)이 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 연료전지장치용 모듈.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 플레이트(2, 3)가, 냉각장치(7)를 구비된 바이폴러 플레이트로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 연료전지장치용 모듈.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 또 1개의 씰(5)이, 사출성 형품으로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 연료전지장치용 모듈.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 또 1개의 씰(5)이, 접착 결합체로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 연료전지장치용 모듈.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 또 1개의 씰(5)이, 플랫 씰로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 연료전지장치용 모듈.
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 또 1개의 씰(5)이, 이형화된 표면(8)을 갖도록 된 것을 특징으로 하는 연료전지장치용 모듈.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 또 1개의 씰(5)이, O-링 로 된 것을 특징으로 하는 연료전지장치용 모듈.
제1항에 있어서, 한쪽 플레이트(3)가, 적어도 1개의 돌기(15)를 갖추되, 당 해 돌기(15)는, 씰링 엘레멘트(4)에 인접해서 배치됨과 더불어, 상기 또 1개의 씰(5)을 형성하는 것을 특징으로 하는 연료전지장치용 모듈.
제1항에 있어서, 한쪽 플레이트(3)가, 원형으로 주회하는 2개의 돌기(15)를 갖추되,

당해 돌기(15)는, 씰링 엘레멘트(4)에 인접해서 배치됨과 더불어, 상기 또 1개의 씰(5)을 형성하는 것을 특징으로 하는 연료전지장치용 모듈.
제9항 또는 제10항에 있어서, 상기 돌기(15)가, 플레이트(3)와 같은 재료에 의해 일체형으로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 연료전지장치용 모듈.
제9항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 돌기(15)가, 삼각형으로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 연료전지장치용 모듈.
제9항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 다른 쪽 플레이트(2)가, 상기 돌기(15)에 적합한 오목부(16)를 적어도 1개 구비한 것을 특징으로 하는 연료 전지장치용 모듈.
상기 청구항 중 어느 한 항에 기재된 연료전지장치용 모듈(1)을 제조하는 방법으로서,

플레이트(2, 3)를 제조하고,

상기 플레이트(2, 3) 상에 또 1개의 씰(5)을 배치하고,

상기 2매의 플레이트(2, 3)를 접합하고,

씰링 엘레멘트(4)를 플레이트(2, 3)와 결합시켜,

당해 결합에 의해 양 플레이트(2, 3)가 상호 결합되도록 하는 것을 특징으로 하는 연료전지장치용 모듈을 제조하는 방법.