KR20100022503A - 연료전지를 위한 가스 확산 유닛 - Google Patents

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Abstract

밀봉재(5)를 갖추고서, 평탄하게 구성된 적어도 2개의 가스 확산층(3, 4)을 포함하여 이루어지되, 상기 밀봉재(5)가 기판(6)에 부착되어 있는, 연료전지(2)를 위한 가스 확산 유닛(1)에 있어서, 상기 기판(6)이 상기 가스확산층(3, 4)을, 상호 관절형태로 구성되어 유연하게 연결된 부분에서 결합시키도록 되어 있는 것을 특징으로 하는 가스 확산 유닛.

Description

연료전지를 위한 가스 확산 유닛{Gas diffusion unit for a fuel cell}
본 발명은, 밀봉재를 갖추고서 평탄하게 구성된 적어도 2개의 가스확산층을 포함하되, 상기 밀봉재가 기판에 부착되어 있는, 연료전지를 위한 가스 확산 유닛에 관한 것이다.
연료전지는, 개개의 셀이 상호 나란히 구성되어 있다. 연료전지는, 이른바 스택 또는 셀 스택을 형성하고 있고, 이에 냉각을 위한 추가의 컴포넌트가 더 조립되어 있는 경우가 많다. 1개의 셀은 층상(層狀) 구조를 갖도록 된 것을 특징으로 하고 있는바, 가스 분배 구조를 가진 2개의 쌍극판(雙極板)과, 2개의 가스확산층과, 촉매 반응막 형태의 반응층으로 형성된 구조로 1개의 셀이 구성되게 된다. 이때, 각각 2개의 가스확산층은 반응층을 에워싸도록 구성되어, 격막·전극구조를 형성하게 된다. 누설을 회피하기 위해, 격막·전극구조 또는 쌍극판은 밀봉재를 구비하도록 되어 있다. 누설은 연료전지의 파손으로 이어질 가능성이 있어, 연료전지의 효율을 저하시킨다. 특허문헌 1에는, 평탄하게 구성된 가스확산층에 밀봉재가 사출성형되어 있는 가스 확산 유닛이 개시되어 있다. 그 경우, 조립할 때에, 가스확산 층과 반응층과의 접촉영역 및 가스확산층과 쌍극판과의 접촉영역에서 누설이 생기지 않고 밀봉되도록, 가스확산층을 상호 위치 맞춤하기가 어렵게 된다.
(선행기술 문헌)
미국특허 출원공개 제2003/0082430A1호 명세서
(발명이 해결하고자 하는 과제)
본 발명의 목적은, 상호 확실하게 밀봉되도록 조립할 수 있는, 연료전지를 위한 가스 확산 유닛을 제공함에 있다.
(과제를 해결하기 위한 수단)
상기 과제는 청구항 1의 구성요건에 의해 해결된다. 바람직한 실시형태는, 종속청구항의 대상으로 되어 있다.
과제를 해결하기 위해서, 기판은 가스확산층을 상호 관절형태로 결합하도록 되어 있다. 이때, 제작 준비가 완료된 상태에서는, 각 가스확산층 사이에는 격막(隔膜)이 배치된다. 기판이 관절형태로 결합하게 됨으로써 선회축이 생기고 되고, 이 선회축을 중심으로 해서 가스확산층이 상호 상대적으로 선회할 수 있게 된다. 격막·전극 유닛을 제작하기 위해서는, 먼저 격막을 각 층 사이에다 배치한 다음, 가스확산층을 상호 접근하도록 선회시킨다. 소정의 선회운동에 의해, 양쪽의 가스확산층 및 그의 밀봉재가 상호 위치결정된 상태로 배치되는 것이 보증된다. 밀봉재의 정확한 위치결정에 의해 누설이 확실하게 방지될 수 있게 된다. 기판은 반제품으로 금형에다 넣고서, 밀봉소재로 압출해서 피복할 수가 있다. 이때, 기판은 형상적으로 안정되어 있을 것이 특별히 바람직한바, 즉 많은 밀봉소재와는 반대로 수축하지 않게 되는 것이 특별히 바람직하다. 이와 같이 함으로써, 2개의 가스확산층을 가진 가스 확산 유닛이 밀봉소재의 수축 프로세스에 기해 왜곡되는 것이 효과적으로 방지되게 된다. 기판은 평탄하게 구성되어 있는 것이 바람직한바, 그 중간에 가스확산층이 배치되는 2개의 절결부를 갖도록 되어 있다. 이들 절결부는 가스확산층과 같은 치수를 갖도록 하거나, 또는 가스확산층이 절결부와 겹쳐지도록 구성되어도 좋다. 절결부의 치수는, 가스확산층의 치수보다 크더라도 좋다. 기판과 가스확산층의 결합은, 기판 및 가스확산층에 성형에 의해 일체로 고착된 밀봉재를 매개로 고착되는 것이 바람직하다. 다른 실시형태에서는, 기판이 형상적인 결합 또는 형상적인 결합 및 고착에 의해 가스확산층과 결합되어 있어도 좋다. 그 때문에 기판에는 밀봉재가 가운데에 있게 되는 절결부가 형성되어 있다.
밀봉재는 탄성적인 폴리머 소재로 되어 있어도 좋다. 그 중 엘라스토머 소재는 탄성적으로 고도로 변형될 수가 있어서, 용이하게 가공할 수가 있다. 밀봉재로는, 실리콘, FKM(플루오로엘라스토머), EPDM(에틸렌-프로피렌-디엔-모노머), PIB(폴리이소부틸렌), PU(폴리우레탄),bR(부타디엔), 또는 이들의 혼합물로 되어 있어도 좋다. 이들을 혼합하게 되면 각 소재의 바람직한 특성을 적확하게 조합할 수가 있다. 플루오로엘라스토머는 온도나 화학품에 대한 내성이 우수하다고 하는 특징이 있어서, 연료전지의 환경에서 특별히 바람직함이 판명되어 있다. 다른 실시형태에서는 열가소성 소재, 예컨대 열가소성 엘라스토머(TPE)도 밀봉소재로 고려될 수 있다. 후자는 특히, 열가소성 재료와 마찬가지로 짧은 사이클 시간에 가공할 수 있다고 하는 이점이 있다.
기판은 플라스틱으로서 구성되어도 좋다. 플라스틱 시트는 간단하고 저비용으로 제조할 수가 있다. 이때에는, 연료전지 내에서 주로 생기는 매체나 온도에 대한 내성이 있는 플라스틱의 성질을 이용할 수 있다. 기판의 제작은 평탄한 플라스틱 층을 통해 이루어지게 되는바, 이로부터 기판이 펀칭으로 형성된다. 기판의 재료로는, 특히 폴리에틸렌나프탈레이트(PEN)나 폴리에텔이미드(PEl)가 고려될 수 있다. 이들 소재는 화학적으로 내성을 갖추고 있고 내열성도 갖추고 있다.
가스확산층에다 밀봉재를 부착하기 위해 고려될 수 있는 제조방법으로는, 사출성형, 프레스, 접착, 주형(注型) 등이 있다. 이때, 프레스는, 특히 적은 금형비용과 기계비용 때문에 선택하기 좋은 제조방법으로서, 연료전지에 전형적인 엄격한 공차(公差)의 밀봉재를 높은 치수 안정성으로 제작할 수 있게 한다. 접착은, 여러 가지 실시형태의 밀봉재를 여러 가지 실시형태의 가스확산층과 조합할 수 있는 모듈형식으로 제작할 수 있게 하고, 그의 유연성(flexibility) 의해 개수가 적은 경우에 특히 적합하다. 밀봉재는 가스확산층에 사출성형으로 형성되어 있어도 좋다. 사출성형은 대량생산에 대응할 수 있는 제조방법이다. 가스확산층에 사출성형에 의해 에워싸여지는 밀봉재가 형성되고, 각 가스확산층 사이에 배치된 반응층이 밀봉재에 의해 전면적으로 에워싸이기 때문에, 누설이 회피된다. 사출성형의 경우, 가스확산층에 사출성형된 밀봉재료가 가스확산층 내로 침입하는 것이 바람직하다. 이 침입은, 특히 부직포로 형성된 가스확산층인 경우에 실행된다. 그에 의해 밀봉작용과 취급성이 한층 더 개선된다.
밀봉재는, 적어도 부분적으로 회전하는 씰 융기부를 가질 수가 있다. 씰 융기부는 특히 V자 형으로 구성되어 있어도 좋다. 씰 융기부는 씰 작용을 향상시킴과 더불어, 격막·전극유닛의 조립을 간소화한다. 조립을 하기 위해, 상호 결합된 가스확산층을 이들 사이에 배치된 격막과 함께, 예컨대 나사 체결로 쌍극판 사이에서 상호 눌려 합쳐지게 한다. 씰 융기부의 접촉면적은 작기 때문에, 압착력은 처음에는 작지만, 압축이 진행됨에 따라 연속해서 증대해 간다. 씰 융기부가 완전히 압축되면, 평탄하게 구성된 인접하는 씰 영역이 걸어맞춰져 압착력이 과도하게 증대해 가게 되는바, 이것은 올바른 압착력 및 이에 수반되는 밀봉력을 나타내는 지표로 될 수 있다. 그에 따라, 너무 강한 압착력에 의한 밀봉재의 과도한 압압이 회피될 수 있게 된다. 그리고 씰 융기부는, 밀봉해야 할 표면에서의 공차와 기복(起伏)을 메워주게 된다.
밀봉재는 고착상태로 기판에 부착되어 있어도 좋다. 밀봉재는, 사출성형에 의해 기판 및 가스확산층에 도포되는 것이 바람직한바, 이 경우 밀봉재료가 냉각된 후에 고착에 의한 결합이 이루어지게 된다. 기판에는 절결부가 형성되어 있어도 좋은바, 이 절결부를 통해 밀봉소재가 흐를 수 있게 된다. 이 경우, 기판에 대한 밀봉재의 형상적인 접합과 고착이 성립하게 된다.
기판은, 각 가스확산층 사이에 일체(一體) 힌지가 형성되도록 구성되어 있어도 좋다. 그를 위해 기판은 2개의 가스확산층을 수용할 수가 있도록 구성된다. 이들 가스확산층은 밀봉소재에 의해 기판과 고정적으로 결합되게 되는바, 그러려면 격막을 삽입하고 나서, 기판을 매개로 가스확산층을 상호 접근하도록 선회시키면 된다. 기판에 의해 형성되는 일체 힌지는 매우 튼튼하고 개선된 기계적 특성을 갖고 있어서, 엘라스토머 소재로 된 것과는 달리 균열이 일어나지 않는다. 대형의 치수로 되는 것도 가능하다.
가스확산층에는 고정 엘레멘트가 배치되어 있어도 좋다. 이때의 고정 엘레멘트는 밀봉재의 가장자리부 영역에 설치되어 있는 것이 바람직하고, 밀봉재에 일체적으로 설치되고, 밀봉재와 동일한 재료로 구성된다. 가스확산층에서의 이와 같은 고정 엘레멘트는, 상호 동일한 형상이 되도록 구성되는 것이 바람직하다. 그렇게 되면, 격막을 삽입해서 상호 선회시킴으로써 가스확산층을 결합시킬 수가 있다. 그에 의해, 격막이 각 가스확산층의 사이에서 구속적으로 보유지지되어, 취급과 조립이 간소화된다. 고정 엘레멘트는 벗겨낼 수 있는 결합으로 구성되는 것이 바람직하다. 고정 엘레멘트가, 밀봉재에 일체적으로 설치되어 있으면, 밀봉재의 엘라스토머 소재에 기해, 특별히 간단히 고정 엘레멘트를 취급할 수가 있게 된다.
고정 엘레멘트는, 형상 접합부재로 구성되어 있어도 좋다. 이와 같은 종류의 고정 엘레멘트는, 예컨대 한쪽 가스확산층에 있는 술대형 홈과, 다른쪽 가스확산층에 있는 대응하는 돌기이다. 이때 상기 홈과 돌기는, 밀봉재의 가장자리부 영역에 설치되어 있는 것이 바람직한바. 일반적으로 고정 엘레멘트는 언더 컷을 갖고 있어서, 다른 고정 엘레멘트의 이에 적합한 대응물이 이에 걸려지게 된다. 형상 접합부재는, 특히 그것이 엘라스토머 소재로 형성되어 있을 때에는, 많은 경우 용이하게 벗길 수가 있으면서 용이하게 접합시킬 수도 있는 결합이 이루어지게 된다.
고정 엘레멘트는, 밀봉재에 일체적으로 설치된 구성요소이어도 좋다. 그에 의해, 고정 엘레멘트를 특별히 간단히 제조할 수가 있고, 또 밀봉재의 엘라스토머 소재에 기해 용이하게 취급할 수도 있다. 밀봉재는 특히 사출성형에 의해 만들어지기 때문에, 고정 엘레멘트도 금형에 의해 간단하고 저비용으로 형성할 수가 있게 된다.
다음에는, 본 발명에 의한 가스 확산 유닛의 몇 가지의 실시예에 대해 도면을 참조하면서 상세히 설명한다. 도면은 각각 모식적으로 다음의 것을 나타내고 있다.
도 1은, 가스 확산 유닛을 나타낸 평면도이다.
도 2는, 가스 확산 유닛을 나타낸 측면도이다.
도 3a는, 고정 엘레멘트를 구비하고 있는 가스 확산 유닛을 나타낸 측면도이다.
도 3b는, 삽입된 격막과 함께 닫혀진 도 3a의 가스 확산 유닛을 나타낸 측면도이다.
도 4는, 본 발명에 의한 가스 확산 유닛을 구비한 연료전지이다.
도 1은, 상호 인접하게 배치된 평탄하게 구성된 2개의 가스확산층(3, 4) 으로 구성된 연료전지(2)를 위한 가스 확산 유닛(1)을 평면도로 나타내고 있다. 가스확산층(3, 4)은 기판(6)의 절결부(9, 10)에 배치되어 있다. 기판(6)은 평탄하게 구성되어 있고, 플라스틱, 특히 PEN 또는 PEI로 만들어져 있다. 가스확산층(3, 4)은 탄화 부직포로 되어 있고, 기판(6)의 위에는 가스확산층(3, 4)의 가장자리부에 밀봉재(5)가 배치되어 있다. 밀봉재(5)는, 본 실시형태에서는 실리콘을 함유한 조성으로 되어, 사출성형에 의해 기판(6) 상에서 가스확산층(3, 4)에 고정되도록 되어 있는바, 밀봉재료가 부직포의 작은 구멍에 침입해서, 기판에 고착되는 상태로 결합되어 있다. 다른 실시형태에서는, 밀봉재(5)가 열가소성 엘라스토머, EPDM(에틸렌-프로필렌-디엔-모노머), PIB(폴리이소부틸렌), PU(폴리우레탄), BR(부타디엔), 또는 이들 소재로 이루어진 실리콘을 함유한 조성으로 되어 있어도 좋다. 가스확산층(3, 4)은, 기판(6)에 의해 상호 관절형태로 결합되어 있다.
도 2는, 도 1의 가스 확산 유닛(1)을 측면도로 나타내고 있다. 밀봉재(5)는 기판(6)의 중심선(11)을 따라 절결부(13)를 갖도록 되어 있어서, 그에 의해 일체 힌지(7)가 형성되어, 이를 매개로 기판(6)의 양측을 가스확산층(3, 4)과 함께 선회시킬 수가 있게 된다. 밀봉재(5)는 이형 단면(異形斷面)을 갖고 있는바, 즉 V자 형의 돌기를 갖도록 되어 있다.
도 3a와 도 3b는, 도 2의 가스 확산 유닛(1)을 나타내고 있다. 이들 실시형 태에서는, 밀봉재(5)는 도 2에서와 마찬가지로 이형 단면을 갖고서, 가스확산층(3, 4)의 칸막이 가장자리부(12)에 일체적으로 형성된 구성요소로서의 고정용 엘레멘트(8', 8")를 각각 갖고 있되, 각 가스확산층(3, 4)의 고정 엘레멘트(8', 8")가 상호 동일한 형상으로 성형이 되어, 양쪽 가스확산층(3, 4)이 형상 접합식으로 결합할 수 있도록 되어 있다. 그 때문에, 한쪽 고정 엘레멘트(8')는 둥글게 패어진 원형의 절결부를 갖고, 다른 쪽의 고정 엘레멘트(8")는 원형의 돌기를 갖도록 하고 있다. 도 3b는, 가스확산층(3, 4)이 기판(6)을 중심으로 해서 선회하도록 되어 있어서, 그에 의해 서로 상하로 마주보도록 배치되는 가스 확산 유닛(1)을 나타내고 있다. 따라서, 가스확산층(3, 4)은 고정 엘레멘트(8', 8")에 의해 상호 고정될 수 있게 된다. 가스확산층(3, 4) 사이에는 고정 엘레멘트(8', 8")에 의해 구속적으로 배치된 격막이 배치되어 있다.
도 4는, 휴대용 용도를 위한 연료전지(2)를 나타내고 있다. 연료전지(2)에 배치된 가스 확산 유닛(1)은, 1 밀리미터 이하의 두께를 갖도록 되어 있다.

Claims (7)

  1. 밀봉재(5)를 갖추고서, 평탄하게 구성된 적어도 2개의 가스확산층(3, 4)을 포함하여 이루어지되, 상기 밀봉재(5)가 기판(6)에 부착되어 있는, 연료전지(2)를 위한 가스 확산 유닛(1)에 있어서,
    상기 기판(6)이 상기 가스확산층(3, 4)을 상호 유연 부분을 매개로 결합시키도록 되어 있는 것을 특징으로 하는 가스 확산 유닛.
  2. 제1항에 있어서, 상기 기판(6)은 플라스틱 시트로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 가스 확산 유닛.
  3. 제1항에 있어서, 상기 밀봉재(5)는 상기 기판(6)에 고착된 상태로 부착되어 있는 것을 특징으로 하는 가스 확산 유닛.
  4. 제1항에 있어서, 상기 기판(6)은, 상기 가스확산층(3, 4) 사이에서 일체 힌지(7)를 형성하도록 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 청구항 가스 확산 유닛.
  5. 제1항에 있어서, 상기 가스확산층(3, 4)에 각각 고정 엘레멘트(8', 8")가 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 가스 확산 유닛.
  6. 제5항에 있어서, 상기 고정 엘레멘트(8', 8")는 형상접합부재로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 가스 확산 유닛.
  7. 제6항에 있어서, 상기 고정 엘레멘트(8', 8")는 상기 밀봉재(5)에 일체적으로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 가스 확산 유닛.
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