KR20120036888A - 연료전지의 밀봉 구조 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 연료전지의 밀봉구조에 있어서, 애노드용 및 캐소드용의 시일 돌조(41,42)와 냉매용의 시일 돌조(44)를 1매의 세퍼레이터(single separator, 20)에 집약하여 설치하는 동시에, 발전체(10)의 양측의 세퍼레이터(20,30)끼리가 전기적으로 단락하는 것을 방지하기 위하여, 발전체(10)와, 이 발전체(10)의 두께 방향 양측에 배치되는 제1 및 제2의 세퍼레이터(20,30)를 구비하고, 제1의 세퍼레이터(20)에서의 두께 방향 일측의 면에 발전체(10)의 외주부에 밀착접촉되는 제1의 시일 돌조(41)와, 그 외주측에 있어서 제2의 세퍼레이터(30)에 밀착접촉되는 제2의 시일 돌조(42)와, 이들 제1 및 제2의 시일 돌조(41,42)와 나란하게 융기된 단락방지 리브(43)가 전기 절연성의 고무상 탄성재료로 일체로 성형되며, 제1의 세퍼레이터(20)에서의 두께 방향 타측의 면에, 제2의 세퍼레이터(30)에서의 발전체(10)와 반대측의 면에 밀착접촉되는 제3의 시일 돌조(44)가 전기절연성의 고무상 탄성재료로 일체로 성형된 구성으로 한다.

Description

연료전지의 밀봉 구조{FUEL CELL SEALING STRUCTURE}
본 발명은, 연료전지에 있어서, 연료 가스, 산화제 가스 및 냉각 매체 등을 각각 독립한 유로(flow path)에 의해 유통시키기 위한 밀봉 구조에 관한 것이다.
연료전지는, 연료 가스나 산화제 가스, 냉각 매체 등을 각각 독립한 유로에 의해 유통시키기 위한 밀봉 구조를 구비한다. 도 11은, 종래 기술에 의한 연료전지의 밀봉 구조를 분리 상태로 나타내는 부분 단면도, 도 12는, 마찬가지로 적층상태로 나타내는 부분 단면도이다.
이들 도 11 및 도 12에 있어서, 참조 부호 110은, 전해질막 및 그 양면에 설치한 촉매전극층으로 이루어지는 막-전극복합체(ＭＥＡ:Membrane Electrode Assembly)(111)의 두께 방향 양측에 다공질체로 이루어지는 가스 확산층(ＧＤＬ:Gas Diffusion Layer)(112,113)을 적층 일체화한 발전체(發電體)이다. 그리고 이 발전체(110)의 두께 방향 양측에 카본(carbon) 혹은 도전성 금속으로 이루어지는 세퍼레이터(separators)(120,130)가 적층됨으로써, 연료전지 셀(100)이 구성된다.
각 연료전지 셀(100)에 있어서, 발전체(110)에 있어서의 막-전극복합체(111)의 외주부는, 일방의 세퍼레이터(120)에 고무상(rubber-like) 탄성재료(고무 또는 고무상 탄성을 가지는 합성 수지재료)에 의해 일체로 성형한 애노드용 시일 돌조(sealing protrusion, 121)와, 타방의 세퍼레이터(130)에 고무상 탄성재료에 의해 일체로 성형한 캐소드용 시일 돌조(131)와의 사이에 끼워 유지된다.
그리고, 막-전극복합체(111)에 있어서의 일방의 촉매전극층(애노드)과 이것에 대향한 일방의 세퍼레이터(120)와의 사이에는, 애노드용 시일 돌조(121)에 의해 연료 가스 유로(100a)가 구획형성되고, 막-전극복합체(111)에 있어서의 타방의 촉매전극층(캐소드)과 이것에 대향한 타방의 세퍼레이터(130)와의 사이에는, 캐소드용 시일 돌조(131)에 의해 산화제 가스 유로(100b)가 구획형성된다. 또한, 일방의 세퍼레이터(120)에 있어서의 애노드용 시일 돌조(121)와 반대측의 면에는 냉매용 시일 돌조(122)가 고무상 탄성재료에 의해 일체로 성형되어 있으며, 인접하는 연료전지 셀 (100,100)의 세퍼레이터(120,130)의 사이에는, 이 냉매용 시일 돌조(122)에 의해 냉매유로(100c)가 구획형성된다.
즉 이러한 종류의 연료전지는, 각 연료전지 셀(100)에 있어서, 연료 가스 유로(100a)를 유통하는 연료 가스(수소)가, 가스 확산층(112)을 통하여 막-전극복합체(111)의 애노드측에 공급되며, 산화제 가스 유로(100b)를 유통하는 산화제 가스(공기)가, 가스 확산층(113)을 통하여 막-전극복합체(111)의 캐소드측에 공급되어, 물의 전기 분해의 역반응, 즉 수소와 산소로 물을 생성하는 반응에 의해 전력을 발생하는 것이다. 그리고 각 연료전지 셀(100)에 의한 기전력(起電力)은 낮은 것이지만, 다수의 연료전지 셀(100)을 적층하여 전기적으로 직렬로 접속함으로써, 필요한 기전력이 얻어지게 되어 있다 (예컨대 특허문헌 1 참조).
그렇지만, 종래의 연료전지의 밀봉 구조에 따르면, 일방의 세퍼레이터(120)에 애노드용 시일 돌조(121)와 냉매용 시일 돌조(122)를 일체로 성형하는 것 이외에, 타방의 세퍼레이터(130)에도 캐소드용 시일 돌조(131)를 일체로 성형할 필요가 있었다.
또한, 세퍼레이터(120,130)가 박육화(thinning)에 의해 변형되기 쉬워지면, 연료전지 셀(100)에 있어서의 발전체(110)의 양측의 세퍼레이터(120,130)의 단부끼리가 접촉해서 전기적으로 단락해버려, 발전 효율이 저하될 우려가 있다.
일본 특허공개공보 2005-222708호
본 발명은, 이상과 같은 점을 감안하여 이루어진 것으로서, 그 기술적 과제는, 연료전지의 밀봉 구조에 있어서, 애노드용 및 캐소드용의 시일 돌조와 냉매용의 시일 돌조를 1매의 세퍼레이터에 집약해서 설치하는 동시에, 발전체의 양측의 세퍼레이터끼리가 접촉해서 전기적으로 단락하는 것을 방지하는 것에 있다.
상술한 기술적 과제를 유효하게 해결하기 위한 수단으로서, 청구항 1의 발명에 관한 연료전지의 밀봉 구조는, 전해질막의 양면에 전극층을 설치한 막-전극복합체를 가지는 발전체와, 이 발전체의 두께 방향 양측에 배치되는 제 1 및 제 2의 세퍼레이터를 구비하고, 상기 제 1의 세퍼레이터에 있어서의 두께 방향 일측의 면에, 상기 발전체의 외주부에 밀착접촉되는 제 1의 시일 돌조와, 상기 제 1의 시일 돌조보다 외주측에 있어서 상기 제 2의 세퍼레이터에 밀착접촉되는 제 2의 시일 돌조와, 이들 제 1 및 제 2의 시일 돌조와 나란하게 융기한 단락방지 리브(short circuit prevention rib)가 전기절연성의 고무상 탄성재료에 의해 일체로 성형되며, 상기 제 1의 세퍼레이터에 있어서의 두께 방향 타측의 면에, 상기 제 2의 세퍼레이터에 있어서의 상기 발전체와 반대측의 면에 밀착접촉되는 제 3의 시일 돌조가 전기절연성의 고무상 탄성재료에 의해 일체로 성형된 것이다.
또한, 청구항 2의 발명에 관한 연료전지의 밀봉 구조는, 청구항 1에 기재된 구성에 있어서, 제 1의 시일 돌조, 제 2의 시일 돌조 및 단락방지 리브와 제 3의 시일 돌조가, 제 1의 세퍼레이터에 개설(開設)된 연통 구멍을 통하여 서로 연속되어 있는 것이다.
또한, 청구항 3의 발명에 관한 연료전지의 밀봉 구조는, 청구항 1에 기재된 구성에 있어서, 제 1의 세퍼레이터에, 제 1의 시일 돌조, 제 2의 시일 돌조 및 단락방지 리브가 일체화되는 동시에 상기 제 1의 시일 돌조, 제 2의 시일 돌조 및 단락방지 리브의 융기 방향과 반대측으로 후퇴한 제 1의 유지부와, 제 3의 시일 돌조가 일체화되는 동시에 상기 제 3의 시일 돌조의 융기 방향과 반대측으로 후퇴한 제 2의 유지부가, 단차부를 통하여 서로 두께 방향 반대측으로 굴곡 형성된 것이다.
또, 청구항 4의 발명에 관한 연료전지의 밀봉 구조는, 청구항 1에 기재된 구성에 있어서, 제 3의 시일 돌조가 제 1의 시일 돌조와 제 2의 시일 돌조의 사이에 위치해서 설치된 것이다.
또한, 청구항 5의 발명에 관한 연료전지의 밀봉 구조는, 청구항 3에 기재된 구성에 있어서, 단락방지 리브가 제 2의 유지부를 제 3의 시일 돌조와 반대측으로부터 덮도록 설치된 것이다.
청구항 1의 발명에 관한 연료전지의 밀봉 구조에 따르면, 제 1의 세퍼레이터에, 발전체의 외주부에 밀착접촉되는 제 1의 시일 돌조 및 제 2의 세퍼레이터에 밀착접촉되는 제 2의 시일 돌조와, 상기 제 2의 세퍼레이터에 있어서의 상기 발전체와 반대측의 면에 밀착접촉되는 제 3의 시일 돌조가 설치되어, 즉 애노드용 및 캐소드용 시일 돌조와 냉매용 시일 돌조를 1매의 세퍼레이터에 집약해서 설치한 구성으로 할 수 있기 때문에, 개스킷의 성형 공정의 간략화 및 조립성의 향상을 도모할 수 있고, 게다가 발전체의 양측에 있는 제 1의 세퍼레이터와 제 2의 세퍼레이터가 접촉해서 전기적으로 단락하는 것을, 제 1 및 제 2의 시일 돌조와 나란하게 융기한 단락방지 리브에 의해 유효하게 방지할 수 있다.
또한, 청구항 2의 발명에 관한 연료전지의 밀봉 구조에 따르면, 청구항 1의 구성에 의한 효과에 더하여, 제 1의 세퍼레이터에 있어서의 두께 방향 일측의 면에 설치된 제 1의 시일 돌조, 제 2의 시일 돌조 및 단락방지 리브와, 제 1의 세퍼레이터에 있어서의 두께 방향 타측의 면에 설치된 제 3의 시일 돌조가, 제 1의 세퍼레이터에 개설된 연통 구멍을 통하여 서로 연속되어 있으므로, 제 1의 시일 돌조, 제 2의 시일 돌조 및 단락방지 리브와, 제 3의 시일 돌조의 성형을 제 1의 세퍼레이터의 한쪽(片側)으로부터 동시에 행할 수 있다.
또, 청구항 3의 발명에 관한 연료전지의 밀봉 구조에 따르면, 청구항 1의 구성에 의한 효과에 더하여, 제 1의 세퍼레이터에 형성된 제 1의 유지부가, 이것에 일체화된 제 1 및 제 2의 시일 돌조의 융기 방향과 반대측으로 후퇴되어 있음으로써, 제 1 및 제 2의 시일 돌조의 충분한 찌그러짐 여유(squeezing margin)가 확보되고, 제 1의 세퍼레이터에 형성된 제 2의 유지부가, 이것에 일체화된 제 3의 시일 돌조의 융기 방향과 반대측으로 후퇴되어 있음으로써, 제 3의 시일 돌조의 충분한 찌그러짐 여유가 확보되며, 또한, 이들 제 1 및 제 2의 유지부가, 단차부를 통하여 서로 반대측으로 굴곡되어 있으므로, 적층 두께의 증대를 억제할 수 있다.
또한, 청구항 4의 발명에 관한 연료전지의 밀봉 구조에 따르면, 청구항 1의 구성에 의한 효과에 더하여, 제 3의 시일 돌조가 제 1의 시일 돌조와 제 2의 시일 돌조의 사이에 위치하여 설치되었기 때문에, 제 1 ~ 제 3의 시일 돌조의 압축 반력(反力)의 밸런스가 좋으며, 이것에 의해 발전체의 양측의 제 1의 세퍼레이터와 제 2의 세퍼레이터의 단락을 방지하는 기능을 한층 높일 수 있다.
또한, 청구항 5의 발명에 관한 연료전지의 밀봉 구조에 따르면, 청구항 3의 구성에 의한 효과에 더하여, 단락방지 리브가 제 2의 유지부를 제 3의 시일 돌조와 반대측으로부터 덮도록 설치되었기 때문에, 폭방향의 넓은 범위에서 제 2의 세퍼레이터를 눌러, 발전체의 양측의 제 1의 세퍼레이터와 제 2의 세퍼레이터의 단락을 방지하는 기능을 한층 높일 수 있다.
도 1은, 본 발명에 관한 연료전지의 밀봉 구조의 제 1의 형태를 분리 상태로 나타내는 부분 단면도이다.
도 2는, 본 발명에 관한 연료전지의 밀봉 구조의 제 1의 형태를 적층상태로 나타내는 부분 단면도이다.
도 3은, 본 발명에 관한 연료전지의 밀봉 구조에 있어서의 발전체의 보강 구조의 일예를 나타내는 부분 단면도이다.
도 4는, 본 발명에 관한 연료전지의 밀봉 구조에 있어서의 발전체의 보강 구조의 다른 예를 나타내는 부분 단면도이다.
도 5는, 본 발명에 관한 연료전지의 밀봉 구조의 제 2의 형태를 분리 상태로 나타내는 부분 단면도이다.
도 6은, 본 발명에 관한 연료전지의 밀봉 구조의 제 2의 형태를 적층상태로 나타내는 부분 단면도이다.
도 7은, 본 발명에 관한 연료전지의 밀봉 구조의 제 3의 형태를 분리 상태로 나타내는 부분 단면도이다.
도 8은, 본 발명에 관한 연료전지의 밀봉 구조의 제 3의 형태를 적층상태로 나타내는 부분 단면도이다.
도 9는, 본 발명에 관한 연료전지의 밀봉 구조의 제 4의 형태를 분리 상태로 나타내는 부분 단면도이다.
도 10은, 본 발명에 관한 연료전지의 밀봉 구조의 제 4의 형태를 적층상태로 나타내는 부분 단면도이다.
도 11은, 종래 기술에 의한 연료전지의 밀봉 구조를 분리 상태로 나타내는 부분 단면도이다.
도 12는, 종래 기술에 의한 연료전지의 밀봉 구조를 적층상태로 나타내는 부분 단면도이다.
이하, 본 발명에 관한 연료전지의 밀봉 구조의 바람직한 실시의 형태에 대해서, 도면을 참조하면서 상세하게 설명한다.
우선 도 1 및 도 2는 본 발명에 관한 연료전지의 밀봉 구조의 제 1의 형태를 나타내는 것으로, 참조 부호 10은, 전해질막 및 그 양면에 설치한 촉매전극층으로 이루어지는 막-전극복합체(ＭＥＡ:Membrane Electrode Assembly)(11)의 두께 방향 양측에 다공질체로 이루어지는 가스 확산층(ＧＤＬ:Gas Diffusion Layer)(12,13)을 적층 일체화한 발전체, 참조 부호 20은, 발전체(10)의 두께 방향 일측에 배치되는 제 1의 세퍼레이터, 참조 부호 30은, 발전체(10)의 두께 방향 타측에 배치되는 제 2의 세퍼레이터이다.
발전체(10)에 있어서의 막-전극복합체(11)는, 그 양측에 있는 가스 확산층(12,13)보다도 두께 방향의 투영 면적이 크고, 가스 확산층(12,13)의 외주 가장자리부는, 막-전극복합체(11)의 외주 가장자리부로부터 내주측으로 후퇴되어 있다. 따라서, 발전체(10)의 외주부는 단차형상을 이루고 있으며, 막-전극복합체(11)의 외주부는, 가스 확산층(12,13)의 가장자리부로부터 돌출되어 있다.
또한, 가스 확산층(12,13)의 가장자리부로부터 돌출된 막-전극복합체(11)의 외주부는, 도 3 또는 도 4에도 나타내는 바와 같이, 적어도 한쪽면(片面)에 합성 수지로 이루어지는 보강 필름(14)이 열압착되어 있으며, 이 보강 필름(14)의 내주(內周) 가장자리는 가스 확산층(12)(및 13)의 가장자리부와 막-전극복합체(11)의 사이에 끼워져 들어가 있다. 한편, 도 4와 같이 보강 필름(14)을 한쪽면에만 설치할 경우에는, 후술하는 제 1의 시일 돌조(41)에 의한 시일면이 되는 측에 설치하는 것이 바람직하다.
제 1의 세퍼레이터(20)는 두께가 얇은 스테인레스 강판(鋼板) 등 도전성을 가지는 금속판으로 이루어지는 것으로서, 그 두께 방향의 투영 면적은, 발전체(10)(막-전극복합체(11))의 두께 방향의 투영 면적보다 크고, 발전체(10)의 가스 확산층(12,13)과 대응하는 영역에는 서로 두께 방향 반대측으로 굴곡된 홈(21,22)이 교대로 형성되어 있으며, 그 외주측의 영역에는, 발전체(10)와의 대향 방향과 반대측으로 후퇴하도록 오목형상으로 굴곡된 제 1의 유지부(23)가 형성되어 있고, 더욱이 그 외주측의 영역에는, 경사면 형상의 단차부(24)를 통하여, 제 1의 유지부(23)와 반대측으로 오목형상으로 굴곡된 제 2의 유지부(25)가 형성되어 있다.
한편, 제 2의 세퍼레이터(30)도 제 1의 세퍼레이터(20)와 동일한 두께가 얇은 스테인레스 강판 등 도전성을 가지는 금속판으로 이루어지는 것으로서, 그 두께 방향의 투영 면적(projected area)은 제 1의 세퍼레이터(20)와 거의 동등하며, 발전체(10)에 있어서의 가스 확산층(12,13)과 대응하는 영역에는 서로 두께 방향 반대측으로 굴곡된 홈(31,32)이 교대로 형성되어 있고, 그 외주측의 영역에는 평판형상의 플랜지부(33)가 형성되어 있다.
제 1의 세퍼레이터(20)에 있어서의 두께 방향 일측의 면 중, 제 1의 유지부(23)의 홈형상 후퇴면(groove-like backward surface, 23a)에는, 발전체(10)의 외주부(막-전극복합체(11)의 외주부에 열압착된 보강 필름(14))에 밀착접촉되는 산(山)형상의 제 1의 시일 돌조(41)와, 상기 제 1의 시일 돌조(41)보다 외주측에 있어서 제 2의 세퍼레이터(30)의 플랜지부(33)에 밀착접촉되는 산형상의 제 2의 시일 돌조(42)와, 이들 제 1 및 제 2의 시일 돌조(41,42)의 폭방향 양측에 나란하게 융기한 단락방지 리브(43)가 일체로 설치되어 있다. 그리고 제 2의 시일 돌조(42)의 외주측에 있는 단락방지 리브(43)의 일부(43a)는 막(膜)형상으로 연장되어, 상기 제 2의 유지부(25)에 의한 상대적인 볼록면을 덮도록 피착(被着)되어 있다.
또한, 단락방지 리브(43) 및 상기 막형상의 부분(43a)의 높이는, 제 1의 세퍼레이터(20)에 있어서의 홈(21,22)의 형성 영역보다도 높고, 또한 도 2의 적층상태에 있어서의 제 1 및 제 2의 시일 돌조(41,42)의 찌그러짐 여유에 거의 상당하는 분(分)만큼 상기 제 1 및 제 2의 시일 돌조(41,42)보다 낮은 것으로 되어 있다.
또, 제 1의 세퍼레이터(20)에 있어서의 두께 방향 타측의 면 중, 제 2의 유지부(25)의 홈형상 후퇴면(25a)에는, 제 2의 세퍼레이터(30)의 플랜지부(33)에 있어서의 발전체(10)와 반대측의 면에 밀착접촉되는 산형상의 제 3의 시일 돌조(44)가 일체로 설치되어 있다. 상기 제 3의 시일 돌조(44)의 높이는, 도 2의 적층상태에 있어서의 찌그러짐 여유에 상당하는 분만큼 제 2의 유지부(25)의 양측의 상대적인 볼록면보다 높은 것으로 되어 있다.
제 1의 세퍼레이터(20)에 있어서의 서로 반대측의 면에 설치된, 이들 제 1의 시일 돌조(41), 제 2의 시일 돌조(42) 및 단락방지 리브(43)와 제 3의 시일 돌조(44)는, 제 1의 세퍼레이터(20)의 제 1의 유지부(23)와 제 2의 유지부(25) 사이의 단차부(24)에 개설된 연통 구멍(26)을 통하여 서로 연속된 개스킷(40)을 구성하고 있으며, 전기절연성의 고무상 탄성재료(고무 또는 고무상 탄성을 가지는 합성 수지재료)에 의해 일체로 성형된 것이다.
그리고 도 2에 나타내는 바와 같이, 발전체(10)와, 그 두께 방향 양측에 적층되는 제 1의 세퍼레이터(20) 및 제 2의 세퍼레이터(30)에 의해 연료전지 셀(단 일 셀)(1)이 구성되며, 이 연료전지 셀(1)이 다수 적층됨으로써 연료전지 스택(stack)이 구성된다. 이러한 적층상태에 있어서, 서로 인접하는 연료전지 셀(1)끼리, 바꿔 말하면 일방의 연료전지 셀(1)에 있어서의 제 1의 세퍼레이터(20)와, 이것에 인접하는 연료전지 셀(1)에 있어서의 제 2의 세퍼레이터(30)가 서로 접촉됨으로써, 인접하는 연료전지 셀(1)이 전기적으로 서로 직렬로 접속되어 있다.
각 연료전지 셀(1)에서는, 발전체(10)에 있어서의 막-전극복합체(11)의 외주부가, 제 1의 세퍼레이터(20)에 일체로 설치된 개스킷(40)의 제 1의 시일 돌조(41)와, 제 2의 세퍼레이터(30)에 있어서의 플랜지부(33)와의 사이에 끼워 유지되는 동시에, 발전체(10)에 있어서의 가스 확산층(12,13)이 제 1의 세퍼레이터(20)에 있어서의 홈(21,22)이 형성된 영역과, 제 2의 세퍼레이터(30)에 있어서의 홈(31,32)이 형성된 영역과의 사이에 적당히 압축된 상태로 끼워 유지된다.
발전체(10)에 있어서의 일방의 가스 확산층(12)과 이것에 맞닿은 제 1의 세퍼레이터(20)의 홈(21)과의 사이에는, 수소를 포함하는 연료 가스(또는 산소를 포함하는 산화제 가스)의 유로(F1)가 형성되며, 이 유로(F1)가 형성된 영역은, 발전체(10)에 있어서의 막-전극복합체(11)의 외주부에 열압착된 보강 필름(14)에 적당한 찌그러짐 여유로 밀착접촉된 제 1의 시일 돌조(41)에 의해 다른 영역으로부터 독립하여 구획된다. 즉 제 1의 시일 돌조(41)는, 애노드용(또는 캐소드용)의 시일 돌조에 상당하는 것으로서, 막-전극복합체(11)에 있어서의 가스 확산층(12) 측의 촉매전극층인 애노드(또는 캐소드)에, 상기 유로(F1) 및 가스 확산층(12)을 통하여 연료 가스(또는 산화제 가스)가 공급되도록 되어 있다.
또한, 발전체(10)에 있어서의 타방의 가스 확산층(13)과 이것에 맞닿은 제 2의 세퍼레이터(30)의 홈(31)과의 사이에는, 산소를 포함하는 산화제 가스(또는 수소를 포함하는 연료 가스)의 유로(F2)가 형성되며, 이 유로(F2)가 형성된 영역은, 제 2의 세퍼레이터(30)에 있어서의 플랜지부(33)에 적당한 찌그러짐 여유로 밀착접촉된 제 2의 시일 돌조(42)에 의해 다른 영역으로부터 독립하여 구획된다. 즉 제 2의 시일 돌조(42)는, 캐소드용(또는 애노드용)의 시일 돌조에 상당하는 것으로서, 막-전극복합체(11)에 있어서의 가스 확산층(13) 측의 촉매전극층인 캐소드(또는 애노드)에, 상기 유로(F2) 및 가스 확산층(13)을 통하여 산화제 가스(또는 연료 가스)가 공급되도록 되어 있다.
또한, 서로 인접하는 연료전지 셀(1,1) 사이에는, 제 1의 세퍼레이터(20)의 홈(22)과, 상기 제 1의 세퍼레이터(20)에 맞닿은 제 2의 세퍼레이터(30)의 홈(32)에 의해, 냉매(냉각수)의 유로(F3)가 형성되며, 이 유로(F3)가 형성된 영역은, 제 2의 세퍼레이터(30)에 있어서의 플랜지부(33)에, 제 2의 시일 돌조(42)와 반대측으로부터 적당한 찌그러짐 여유로 밀착접촉된 제 3의 시일 돌조(44)에 의해 다른 영역으로부터 독립하여 구획된다. 즉 제 3의 시일 돌조(44)는, 냉매용 시일 돌조에 상당하는 것이다.
즉, 상술한 바와 같이 구성된 제 1의 형태에 있어서, 각 연료전지 셀(1)은, 발전체(10)의 막-전극복합체(11)에 있어서의 애노드(또는 캐소드)에 유로(F1) 및 가스 확산층(12)을 통하여 수소를 포함하는 연료 가스(또는 산소를 포함하는 산화제 가스)가 공급되며, 막-전극복합체(11)에 있어서의 캐소드(또는 애노드)에 유로(F2) 및 가스 확산층(13)을 통하여 산소를 포함하는 산화제 가스(또는 수소를 포함하는 연료 가스)가 공급되어, 물의 전기 분해의 역반응인 전기 화학 반응, 즉 수소와 산소로 물을 생성하는 반응에 의해, 전력을 발생하는 것이다. 또한 이때에 발생하는 반응열은, 유로(F3)를 유통하는 냉매에 의해 제거된다.
그리고, 제 1의 세퍼레이터(20)에 일체적으로 설치된 개스킷(40)은, 발전체(10)에 있어서의 막-전극복합체(11)의 외주부(보강 필름(14))에 밀착접촉됨으로써 독립된 유로(F1)를 구획형성하는 제 1의 시일 돌조(41)와, 제 2의 세퍼레이터(30)에 있어서의 플랜지부(33)에 밀착접촉됨으로써 독립된 유로(F2)를 구획형성하는 제 2의 시일 돌조(42)와, 상기 플랜지부(33)에 상기 제 2의 시일 돌조(42)와 반대측으로부터 밀착접촉됨으로써 독립된 유로(F3)를 구획형성하는 제 3의 시일 돌조(44)가 집약해서 설치되어 있기 때문에, 다른 적층부품(제 2의 세퍼레이터(30) 등)에 별도 개스킷을 설치할 필요가 없다.
또한, 제 1의 세퍼레이터(20)에 있어서의 두께 방향 일측의 면에 제 1의 유지부(23)에 위치해서 설치된 제 1의 시일 돌조(41), 제 2의 시일 돌조(42) 및 단락방지 리브(43)와, 타측의 면에 제 2의 유지부(25)에 위치해서 설치된 제 3의 시일 돌조(44)가, 제 1의 유지부(23)와 제 2의 유지부(25) 사이의 단차부(24)에 개설된 연통 구멍(26)을 통하여 서로 연속되어 있으므로, 이들 제 1의 시일 돌조(41), 제 2의 시일 돌조(42) 및 단락방지 리브(43)와, 제 3의 시일 돌조(44)의 성형을, 제 1의 세퍼레이터(20)의 양측으로부터 행할 필요는 없고, 제 1의 세퍼레이터(20)의 한쪽으로부터 동시에 성형할 수 있으며, 게다가 성형 재료의 유통로가 되는 상기 연통 구멍(26)이 상기 단차부(24)에 개설되어 있으므로 성형 재료의 흐름이 좋으며, 개스킷(40)의 품질을 향상시킬 수 있다.
또한, 제 1의 세퍼레이터(20)에 굴곡 형성된 제 1의 유지부(23)가, 이것에 일체화된 제 1 및 제 2의 시일 돌조(41,42)의 융기 방향과 반대측으로 후퇴되어 있기 때문에, 제 1 및 제 2의 시일 돌조(41,42)의 충분한 볼륨 및 찌그러짐 여유(volume and squeezing margin)를 확보할 수 있고, 마찬가지로, 상기 제 1의 세퍼레이터(20)에 형성된 제 2의 유지부(25)가, 이것에 일체화된 제 3의 시일 돌조(44)의 융기 방향과 반대측으로 후퇴되어 있기 때문에, 제 3의 시일 돌조(44)의 충분한 볼륨 및 찌그러짐 여유를 확보할 수 있다. 게다가 이들 제 1 및 제 2의 유지부(23,25)는, 단차부(24)를 통하여 서로 반대측으로 굴곡되어 있으므로, 제 1 및 제 2의 시일 돌조(41,42)와 제 3의 시일 돌조(44)가 서로 반대 방향으로 설치되어 있음에도 불구하고, 개스킷(40)의 두께는 커지지 않으며, 이 때문에 연료전지 셀(1)의 적층 두께의 증대를 억제할 수 있다.
또한 상기 개스킷(40)에 형성된 단락방지 리브(43)는, 제 1 및 제 2의 시일 돌조(41,42)의 양측에서 발전체(10)에 있어서의 막-전극복합체(11)의 외주부(보강 필름(14)) 및 제 2의 세퍼레이터(30)에 있어서의 플랜지부(33)에 밀착접촉됨으로써 그 변형을 억제하는 것이다. 그리고 상기 단락방지 리브(43)의 일부(43a)가, 제 1의 세퍼레이터(20)에 있어서의 제 2의 유지부(25)를 제 3의 시일 돌조(44)와 반대측으로부터 덮도록 막형상으로 연장되어 있으며, 제 2의 세퍼레이터(30)에 있어서의 플랜지부(33)와의 사이에 개재되어 있기 때문에, 발전체(10)의 양측에 있는 제 1의 세퍼레이터(20)와 제 2의 세퍼레이터(30)의 단부가 접촉하는 것에 따른 연료전지 셀(1) 내에서의 전기적인 단락을 유효하게 방지할 수 있다.
다음에 도 5 및 도 6은 본 발명에 관한 연료전지의 밀봉 구조의 제 2의 형태를 나타내는 것으로, 이 형태에 있어서, 먼저 설명한 제 1의 형태와 다른 점은, 개스킷(40)에 있어서의 제 1 및 제 2의 시일 돌조(41,42)의 폭방향 양측에 형성된 한 쌍의 단락방지 리브(43) 중, 내주측의 단락방지 리브(43)가 제 1의 유지부(23)로부터 기립(rises up)되어 있으며, 외주측의 단락방지 리브(43)가 제 2의 유지부(25)에 의한 상대적인 볼록면을 그 내주측으로부터 외주측까지 덮도록 형성된 점에 있다.
따라서, 상기 제 2의 형태도, 기본적으로 제 1의 형태와 같은 효과가 실현되는데다가, 제 2의 시일 돌조(42)의 외주측에 있는 단락방지 리브(43)가 제 2의 유지부(25)에 의한 상대적인 볼록면을 그 내주측으로부터 외주측까지 덮도록, 충분히 폭넓게 형성됨으로써, 연료전지 셀(1)에 있어서의 제 1의 세퍼레이터(20)와 제 2의 세퍼레이터(30)의 단부(端部)끼리의 단락을 방지하는 기능을 한층 높일 수 있다.
다음에 도 7 및 도 8은 본 발명에 관한 연료전지의 밀봉 구조의 제 3의 형태를 나타내는 것으로, 이 형태에 있어서, 먼저 설명한 제 1의 형태와 다른 점에 대해서 설명하면, 제 1의 세퍼레이터(20)에 있어서의 제 1의 유지부(23)의 폭방향 중간의 영역에, 경사면 형상의 단차부(24)를 통하여, 제 1의 유지부(23)와 반대측으로 오목형상으로 굴곡된 제 2의 유지부(25)가 형성되어 있다.
제 1의 유지부(23) 중 제 2의 유지부(25)로부터 내주측의 영역에는, 제 1의 시일 돌조(41)와, 그 내주측의 단락방지 리브(43)가 일체로 설치되고, 제 1의 유지부(23) 중 제 2의 유지부(25)로부터 외주측의 영역에는, 제 2의 시일 돌조(42)와, 그 외주측의 단락방지 리브(43)가 일체로 설치되며, 제 1의 시일 돌조(41)와 제 2의 시일 돌조(42) 사이에, 제 2의 유지부(25)에 의한 상대적인 볼록면을 덮도록 형성된 중간의 단락방지 리브(43)가 일체적으로 설치되고, 상기 중간의 단락방지 리브(43)의 반대측에 위치하며, 제 2의 유지부(25)에 제 1 및 제 2의 시일 돌조(41,42)와 역방향의 제 3의 시일 돌조(44)가 일체로 설치되어 있다. 그리고, 제 1의 시일 돌조(41) 및 그 내주측의 단락방지 리브(43)와, 제 2의 시일 돌조(42) 및 그 외주측의 단락방지 리브(43)는, 제 2의 유지부(25)의 양측의 단차부(24)에 개설된 연통 구멍(26)을 통하여 제 3의 시일 돌조(44)와 서로 연속된 개스킷(40)을 구성하고 있다.
제 3의 형태에 있어서의 그 밖의 구성은, 먼저 설명한 제 1의 형태와 동일하다.
따라서, 상기 제 3의 형태도 기본적으로는 제 1의 형태와 동일한 효과를 실현하는 것이 가능한데다가, 제 3의 시일 돌조(44)가 제 1의 시일 돌조(41)와 제 2의 시일 돌조(42) 사이에 위치하고 있음으로써, 이들 시일 돌조(41,44,42)의 압축 반력의 밸런스가 좋으며, 이것에 의해 연료전지 셀(1)에 있어서의 제 1의 세퍼레이터(20)와 제 2의 세퍼레이터(30)의 단부끼리의 단락을 방지하는 기능을 한층 높일 수 있다.
그 다음에, 도 9 및 도 10은 본 발명에 관한 연료전지의 밀봉 구조의 제 4의 형태를 나타내는 것으로, 이 형태에 있어서, 먼저 설명한 제 1 ~ 제 3의 형태와 다른 점에 대해서 설명하면, 제 1의 세퍼레이터(20)는 카본에 의해 성형된 것으로서, 그 두께 방향의 투영 면적은, 발전체(10)(막-전극복합체(11))의 두께 방향의 투영 면적보다 크고, 상기 제 1의 세퍼레이터(20)에 있어서의 발전체(10)의 가스 확산층(12)과의 대향면에는 홈(21)이 형성되고 있으며, 그 반대측의 면에는 홈(22)이 형성되어 있고, 홈(21)이 형성된 영역의 외주측에는, 이 영역으로부터 발전체(10)와의 대향 방향과 반대측으로 후퇴한 평면형상의 제 1의 유지부(23)가 형성되어 있으며, 그 반대측의 면에는, 홈(22)이 형성된 면보다 오목하게 들어간 제 2의 유지부(25)가 형성되어 있다.
한편, 제 2의 세퍼레이터(30)도 제 1의 세퍼레이터(20)와 마찬가지로, 카본에 의해 형성된 것으로서, 그 두께 방향의 투영 면적은 제 1의 세퍼레이터(20)와 거의 동등하며, 발전체(10)의 가스 확산층(13)과의 대향면에는 홈(31)이 형성되고 있고, 그 외주측의 영역에는 발전체(10)와의 대향 방향으로 가스 확산층(13)의 두께보다 작은 돌출량으로 돌출된 평판형상의 플랜지부(33)가 형성되어 있다.
제 1의 세퍼레이터(20)에 있어서의 제 1의 유지부(23)(두께 방향 일측의 면)에는, 발전체(10)의 외주부(막-전극복합체(11)의 외주부에 열압착된 보강 필름(14))에 밀착접촉되는 산형상의 제 1의 시일 돌조(41)와, 상기 제 1의 시일 돌조(41)보다 외주측에 있어서 제 2의 세퍼레이터(30)의 플랜지부(33)에 밀착접촉되는 산형상의 제 2의 시일 돌조(42)와, 이들 제 1 및 제 2의 시일 돌조(41,42)의 폭방향 양측 및 제 1 및 제 2의 시일 돌조(41,42)의 사이에 나란하게 융기한 단락방지 리브(43)가 일체로 설치되어 있다. 단락방지 리브(43)의 높이는, 제 1의 세퍼레이터(20)에 있어서의 홈(21)의 형성 영역보다 조금 높고, 또한 도 10의 적층상태에 있어서의 제 1 및 제 2의 시일 돌조(41,42)의 찌그러짐 여유를 고려하여, 그것보다 낮은 것으로 되어 있다.
또한, 상기 제 1의 세퍼레이터(20)에 있어서의 제 2의 유지부(25)(두께 방향 타측의 면)에는, 제 2의 세퍼레이터(30)의 플랜지부(33)에 있어서의 발전체(10)와 반대측의 면에 밀착접촉가능한 높이를 가지는 산형상의 제 3의 시일 돌조(44)가 일체로 설치되어 있다. 이 제 3의 시일 돌조(44)의 높이는, 도 10의 적층상태에 있어서의 찌그러짐 여유에 상당하는 분(分)만큼 제 2의 유지부(25)의 깊이(depth)보다 높은 것으로 되어 있다.
제 1의 세퍼레이터(20)에 있어서의 서로 반대측의 면에 설치된, 이들 제 1의 시일 돌조(41), 제 2의 시일 돌조(42) 및 단락방지 리브(43)와 제 3의 시일 돌조(44)는, 제 1의 세퍼레이터(20)의 제 1의 유지부(23)와 제 2의 유지부(25)의 사이에 개설된 연통 구멍(26)을 통하여 서로 연속된 개스킷(40)을 구성하고 있으며, 고무상 탄성재료(고무 또는 고무상 탄성을 가지는 합성 수지재료)에 의해 일체로 성형된 것이다.
그리고 도 10에 나타내는 바와 같이, 발전체(10)와, 그 두께 방향 양측에 적층되는 제 1의 세퍼레이터(20) 및 제 2의 세퍼레이터(30)에 의해 연료전지 셀(단일 셀)(1)이 구성되어, 이 연료전지 셀(1)이 다수 적층됨으로써 연료전지 스택이 구성된다. 이러한 적층상태에서는, 서로 인접하는 연료전지 셀(1)끼리, 바꿔 말하면 일방의 연료전지 셀(1)에 있어서의 제 1의 세퍼레이터(20)와, 이것에 인접하는 연료전지 셀(1)에 있어서의 제 2의 세퍼레이터(30)가 서로 접촉됨으로써, 인접하는 연료전지 셀(1)이 전기적으로 서로 직렬로 접속되어 있다.
각 연료전지 셀(1)에서는, 발전체(10)에 있어서의 막-전극복합체(11)의 외주부가, 제 1의 세퍼레이터(20)에 일체로 설치된 개스킷(40)의 제 1의 시일 돌조(41) 및 그 폭방향 양측(내외주)의 단락방지 리브(43)와, 제 2의 세퍼레이터(30)에 있어서의 플랜지부(33)와의 사이에 끼워 유지되는 동시에, 발전체(10)에 있어서의 가스 확산층(12,13)이 제 1의 세퍼레이터(20)에 있어서의 홈(21)의 형성 영역과, 제 2의 세퍼레이터(30)에 있어서의 홈(31)의 형성 영역과의 사이에 적당히 압축된 상태로 끼워 유지된다.
그리고 발전체(10)에 있어서의 일방의 가스 확산층(12)과 이것에 맞닿은 제 1의 세퍼레이터(20)의 홈(21)과의 사이에는, 수소를 포함하는 연료 가스(또는 산소를 포함하는 산화제 가스)의 유로(F1)가 형성되며, 이 유로(F1)가 형성된 영역은, 발전체(10)에 있어서의 막-전극복합체(11)의 외주부에 열압착된 보강 필름(14)에 적당한 찌그러짐 여유로 밀착접촉된 제 1의 시일 돌조(41)에 의해 다른 영역으로부터 독립해서 구획된다. 그리고, 막-전극복합체(11)에 있어서의 가스 확산층(12) 측의 촉매전극층에, 상기 유로(F1) 및 가스 확산층(12)을 통하여 연료 가스(또는 산화제 가스)가 공급되도록 되어 있다.
또한, 발전체(10)에 있어서의 타방의 가스 확산층(13)과 이것에 맞닿은 제 2의 세퍼레이터(30)의 홈(31)과의 사이에는, 산소를 포함하는 산화제 가스(또는 수소를 포함하는 연료 가스)의 유로(F2)가 형성되며, 이 유로(F2)가 형성된 영역은, 제 2의 세퍼레이터(30)에 있어서의 플랜지부(33)에 적당한 찌그러짐 여유로 밀착접촉된 제 2의 시일 돌조(42)에 의해 다른 영역으로부터 독립해서 구획된다. 그리고, 막-전극복합체(11)에 있어서의 가스 확산층(13) 측의 촉매전극층에, 상기 유로(F2) 및 가스 확산층(13)을 통하여 산화제 가스(또는 연료 가스)가 공급되도록 되어 있다.
또한, 서로 인접하는 연료전지 셀(1,1) 사이에는, 제 1의 세퍼레이터(20)의 홈(22)과, 상기 제 1의 세퍼레이터(20)에 맞닿은 제 2의 세퍼레이터(30)에 의해, 냉매(냉각수)의 유로(F3)가 형성되며, 이 유로(F3)가 형성된 영역은, 제 2의 세퍼레이터(30)에 있어서의 플랜지부(33)에, 제 2의 시일 돌조(42)와 반대측으로부터 적당한 찌그러짐 여유로 밀착접촉된 제 3의 시일 돌조(44)에 의해 다른 영역으로부터 독립해서 구획된다.
상술한 바와 같이 구성된 제 4의 형태도, 제 1의 세퍼레이터(20)에 일체적으로 설치된 개스킷(40)은, 발전체(10)에 있어서의 막-전극복합체(11)의 외주부(보강 필름(14))에 밀착접촉됨으로써 독립한 유로(F1)를 구획형성하는 제 1의 시일 돌조(41)와, 제 2의 세퍼레이터(30)에 있어서의 플랜지부(33)에 밀착접촉됨으로써 독립된 유로(F2)를 구획형성하는 제 2의 시일 돌조(42)와, 상기 플랜지부(33)에 상기 제 2의 시일 돌조(42)와 반대측으로부터 밀착접촉됨으로써 독립된 유로(F3)를 구획형성하는 제 3의 시일 돌조(44)가 집약해서 설치되어 있기 때문에, 다른 적층부품(제 2의 세퍼레이터(30) 등)에 별도 개스킷을 설치할 필요가 없다.
또한, 제 1의 세퍼레이터(20)에 있어서의 두께 방향 일측의 면에 제 1의 유지부(23)에 위치해서 설치된 제 1의 시일 돌조(41), 제 2의 시일 돌조(42) 및 단락방지 리브(43)와, 타측의 면에 제 2의 유지부(25)에 위치해서 설치된 제 3의 시일 돌조(44)가, 연통 구멍(26)을 통하여 서로 연속되어 있으므로, 이들 제 1의 시일 돌조(41), 제 2의 시일 돌조(42) 및 단락방지 리브(43)와 제 3의 시일 돌조(44)의 성형을, 제 1의 세퍼레이터(20)의 양측으로부터 행할 필요는 없고, 제 1의 세퍼레이터(20)의 한쪽으로부터 동시에 성형할 수 있다.
게다가 제 1의 세퍼레이터(20)에 형성된 제 1의 유지부(23)가, 이것에 일체화된 제 1 및 제 2의 시일 돌조(41,42)의 융기 방향과 반대측으로 후퇴되어 있기 때문에, 제 1 및 제 2의 시일 돌조(41,42)의 충분한 볼륨 및 찌그러짐 여유를 확보할 수 있고, 마찬가지로, 상기 제 1의 세퍼레이터(20)에 형성된 제 2의 유지부(25)가, 이것에 일체화된 제 3의 시일 돌조(44)의 융기 방향과 반대측으로 후퇴되어 있기 때문에, 제 3의 시일 돌조(44)의 충분한 볼륨 및 찌그러짐 여유를 확보할 수 있다. 또한, 이들 제 1 및 제 2의 유지부(23,25)는, 제 1의 세퍼레이터(20)의 두께를 감소시키도록 형성되어 있으므로, 연료전지 셀(1)의 적층 두께의 증대를 억제할 수 있다.
또한 이 개스킷(40)에 형성된 단락방지 리브(43)는, 발전체(10)에 있어서의 막-전극복합체(11)의 외주부(보강 필름(14)) 및 제 2의 세퍼레이터(30)에 있어서의 플랜지부(33)에 밀착접촉됨으로써 그 변형을 억제하는 것이며, 제 1 및 제 2의 시일 돌조(41,42)의 내주측으로부터 외주측에 걸쳐, 상기 제 1 및 제 2의 시일 돌조(41,42)와 교대로 형성되어 있으므로, 폭방향으로 넓은 범위에서 지지하고, 전기절연 재료인 고무상 탄성재료로 이루어지기 때문에, 발전체(10)의 양측의 제 1의 세퍼레이터(20)와 제 2의 세퍼레이터(30)가 접촉해서 전기적으로 단락하는 것을 유효하게 방지할 수 있다.
1 연료전지 셀
10 발전체
11 막-전극복합체
12,13 가스 확산층
14 보강 필름
20 제 1의 세퍼레이터
23 제 1의 유지부
23a,25a 홈형상 후퇴면
24 단차부
25 제 2의 유지부
26 연통 구멍
30 제 2의 세퍼레이터
33 플랜지부
40 개스킷
41 제 1의 시일 돌조
42 제 2의 시일 돌조
43 단락방지 리브
44 제 3의 시일 돌조
F1~F3 유로

Claims (5)

  1. 전해질막의 양면에 전극층을 설치한 막-전극복합체를 가지는 발전체와, 상기 발전체의 두께 방향 양측에 배치되는 제 1 및 제 2의 세퍼레이터를 구비하고, 상기 제 1의 세퍼레이터에 있어서의 두께 방향 일측의 면에, 상기 발전체의 외주부에 밀착접촉되는 제 1의 시일 돌조와, 상기 제 1의 시일 돌조보다 외주측에 있어서 상기 제 2의 세퍼레이터에 밀착접촉되는 제 2의 시일 돌조와, 이들 제 1 및 제 2의 시일 돌조와 나란하게 융기한 단락방지 리브가 전기절연성의 고무상 탄성재료에 의해 일체로 성형되며, 상기 제 1의 세퍼레이터에 있어서의 두께 방향 타측의 면에, 상기 제 2의 세퍼레이터에 있어서의 상기 발전체와 반대측의 면에 밀착접촉되는 제 3의 시일 돌조가 전기절연성의 고무상 탄성재료에 의해 일체로 성형된 것을 특징으로 하는 연료전지의 밀봉 구조.
  2. 제1항에 있어서,
    제 1의 시일 돌조, 제 2의 시일 돌조 및 단락방지 리브와 제 3의 시일 돌조가, 제 1의 세퍼레이터에 개설된 연통 구멍을 통하여 서로 연속되어 있는 것을 특징으로 하는 연료전지의 밀봉 구조.
  3. 제1항에 있어서,
    제 1의 세퍼레이터에, 제 1의 시일 돌조, 제 2의 시일 돌조 및 단락방지 리브가 일체화되는 동시에 상기 제 1의 시일 돌조, 제 2의 시일 돌조 및 단락방지 리브의 융기 방향과 반대측으로 후퇴한 제 1의 유지부와, 제 3의 시일 돌조가 일체화되는 동시에 상기 제 3의 시일 돌조의 융기 방향과 반대측으로 후퇴한 제 2의 유지부가, 단차부를 통하여 서로 두께 방향 반대측으로 굴곡 형성된 것을 특징으로 하는 연료전지의 밀봉 구조.
  4. 제1항에 있어서,
    제 3의 시일 돌조가 제 1의 시일 돌조와 제 2의 시일 돌조의 사이에 위치해서 설치된 것을 특징으로 하는 연료전지의 밀봉 구조.
  5. 제3항에 있어서,
    단락방지 리브가 제 2의 유지부를 제 3의 시일 돌조와 반대측으로부터 덮도록 설치된 것을 특징으로 하는 연료전지의 밀봉 구조.
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