KR20130060322A - 연료전지 조립체 밀봉부 배열체 - Google Patents

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Abstract

밀봉부 조립체의 예시는 연료전지 스택과 연료전지 매니폴드 사이에 위치하도록 구성된 제1 밀봉부를 포함한다. 제1 밀봉부는 제1 밀봉부의 일 측면 내부의 함몰된 영역을 형성하고 이는 연료전지 스택에 맞닿아 있다. 연료전지 밀봉부 조립체는 함몰된 영역 내부의 연료전지 스택과 제1 밀봉부 사이에 위치하게 되는 제2 밀봉부를 더 포함한다. 연료전지 경계면을 밀봉하는 방법의 예시는 매니폴드 내부에 형성된 홈의 내부에 제1 밀봉부를 고정하는 단계와 제2 밀봉부의 내부에 형성된 함몰된 영역의 내부에 제2 밀봉부를 고정하는 단계를 포함한다. 상기 방법은 제1 밀봉부 및 제2 밀봉부를 사용하여 연료전지 유체의 흐름을 제한한다.

Description

연료전지 조립체 밀봉부 배열체{FUEL CELL ASSEMBLY SEALING ARRANGEMENT}
본 발명은 일반적으로 연료전지에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 연료전지 조립체를 위한 밀봉부 배열체에 관한 것이다.
연료전지 스택 조립체(CSAs)는 잘 알려져 있고 또한 일반적으로 다수의 개별적인 연료전지들을 포함한다. 연료전지는 단위화된 전극 조립체를 함께 형성하는 백금 촉매를 포함한 다공성 카본 전극들 사이에 위치한 고분자 전해질막(PEM)을 포함한다. 전극들 중의 하나는 애노드(anode)로 작동하고, 다른 하나는 캐소드(cathode)로 작동한다. 개별적인 연료전지는 다공성 카본 전극 각각에 인접하여 배치된 바이폴라 플레이트(bipolar plate)를 더 포함한다. 연료전지는 잘 알려진 방식으로 수소 및 공기와 같은, 연료 및 산화제를 사용하여 전기 에너지를 생산한다. 연료전지는 또한 액상 및 열적 부산물을 생성한다. 매니폴드(manifold)는 일반적으로 CSA 내부의 연료전지에 연료와 산화제를 전달하기 위해 사용된다. 다른 매니폴드들은 연료전지로부터 부산물을 배출하기 위해 사용될 수 있다.
밀봉부 배열체는 CSA와 매니폴드의 경계면을 관통하는 흐름을 막는데 사용된다. 경계면이 불규칙적인 표면을 포함할 수 있으므로, 실리콘 기반의 밀봉부가 일반적으로 사용된다. 실리콘 밀봉부의 유연성은 불규칙적인 표면의 수용을 용이하게 한다.
밀봉부 조립체의 예시는 연료전지 스택과 연료전지 매니폴드 사이에 위치하는 제1 밀봉부를 포함한다. 제1 밀봉부는 연료전지 스택과 맞닿은 제1 밀봉부의 일 측면 내부에 함몰된 영역을 형성한다. 연료전지 밀봉부 조립체는 함몰된 영역 내부에 연료전지 스택과 제1 밀봉부 사이에 위치한 제2 밀봉부를 더 포함한다.
연료전지 스택 조립체 밀봉부 배열체의 예시는 다수의 외측으로 향한 면을 구비한 연료전지 스택을 포함한다. 하나의 매니폴드 및 외측으로 향한 면은 유체 전달 통로의 일부를 형성한다. 비실리콘 밀봉부 배열체는 매니폴드와 외측으로 향한 면 사이로 고정된다. 비실리콘 밀봉부는 매니폴드와 외측으로 향한 면 사이의 경계면을 밀봉하도록 구성된다.
연료전지 경계면을 밀봉하는 방법의 예시는 매니폴드 내부로 형성된 홈 내부의 제1 밀봉부를 고정하는 단계와 제2 밀봉부 내부에 형성된 함몰된 영역 내부의 제2 밀봉부를 고정하는 단계를 포함한다. 상기 방법은 제1 밀봉부와 제2 밀봉부를 사용하여 연료전지 유체의 흐름을 제한한다.
본 발명의 개시된 실시예의 이러한 특징 및 다른 특징들은 이하의 도면과 명세서로부터 가장 잘 이해될 수 있을 것이다. 이하의 내용은 도면의 간단한 설명이다.
도 1은 연료전지 조립체의 예시의 개략도이다.
도 2는 도 1의 연료전지 조립체의 단부도이다.
도 3은 도 1의 연료전지 조립체에서 매니폴드 경계면의 확대도이다.
도 4는 도 1의 연료전지 조립체의 매니폴드 및 밀봉부 조립체의 분해도이다.
도 5는 도 1의 연료전지 조립체 내부의 경계면를 밀봉하는 방법의 예시의 흐름도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 양성자 교환막 연료전지 스택 조립체(10)의 예시는 스택 안에 배치된 다수의 개별적인 연료전지(14)들을 서로 고정하는 압력판들(12)을 포함한다. 각각의 연료전지(14)는 단위화된 전극 조립체(26)의 서로 마주하는 면 위에 캐소드(22)과 애노드(18)를 포함한다. 유동장 플레이트(30)는 애노드(18)에 가까이 위치한다. 또 다른 유동장 플레이트(34)는 캐소드(22)에 가까이 위치한다. 단위화된 전극 조립체(26)는 알려진 바와 같이, 전극 사이에 위치한 양성자 교환막을 포함한다.
본 실시예에서, 유체 공급원(fluid source)(36)은 수소와 같은 연료전지 유체를 매니폴드(38)에 공급하며, 이는 유동장 플레이트(30, 34)를 통하여 연료전지 스택 조립체(10)에 유체를 분배한다.
매니폴드(38)의 예시는 연료전지 스택 조립체(10)의 외측으로 향한 면(42)에 고정된다. 또 다른 매니폴드(38a)는 외측으로 향한 면(42a)에 고정된다. 다른 예시는 외측으로 향한 면들(42a, 42b) 위의 매니폴드(도시되지 않음)를 포함한다. 매니폴드(38, 38a)는 외측으로 향한 면들(42, 42a)에 대해 각각 스틸 케이블과 턴버클 시스템으로 고정된다. 다른 예시는 케이블, 볼트, 래치, 스트랩 또는 타이 로드의 다른 유형들로 매니폴드(38, 38a)를 고정한다. 알려진 바와 같이, 매니폴드(38, 38a)는 유체 공급원(36)으로부터 수소 또는 산화제 같은 연료전지 유체를 연료전지(14)로, 또는 연료전지(14) 바깥으로 전달한다.
실시예가 양성자 교환막 연료전지 스택 조립체(10)와 매니폴드(38) 사이의 경계면를 밀봉하는 것으로 묘사되고 있을지라도, 당해 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자 및 본 발명의 개시의 이익을 향유하는 자는 개시된 실시로부터 다른 유형의 연료전지에도 이점이 있음을 이해할 수 있다.
본 예시에서, 매니폴드(38)는 하나의 압력판(12)으로부터 그와 다른 압력판(12)까지 연장된다. 다른 실시예에서, 매니폴드(38)는 하나의 압력판(12)으로부터 하나의 연료전지(14)까지와 같이, 외측으로 향한 면(42)의 작은 일부을 가로질러 연장된다. 몇몇의 실시예에서, 하나 이상의 매니폴드(38)는 외측으로 향한 면(42) 위에 배치된다.
연료전지(14) 및 연료전지(14)의 각각의 구성요소들의 위치는 연료전지 스택 조립체(10)의 종축 X에 대하여 변할 수 있다. 이해될 수 있는 바와 같이, 이러한 변화는 연료전지 스택 조립체(10)의 외측으로 향한 면(42)의 요철을 유도한다. 밀봉부 조립체(46)는 이러한 요철의 수용을 용이하게 한다.
도 1을 계속 참조하면서 도 3 및 도 4를 참조하면, 예시적인 밀봉부 조립체(46)는 매니폴드(38)와 연료전지 스택 조립체(10) 사이의 경계면(56)에서 제1 밀봉부(50)와 제2 밀봉부(54)를 포함한다. 매니폴드(38)는 제1 밀봉부(50)의 연장부(62)를 수용하는 홈(58)을 형성한다. 제1 밀봉부(50)는 제2 밀봉부(54)를 수용하는 함몰된 영역(66)을 형성한다. 이해될 수 있는 바와 같이, 밀봉부 조립체(46)는 액자형 형상을 가진다.
본 예시에서, 제1 밀봉부(50)는 연장부(62)로부터 이격되어 연장되는 다수의 리지(70)를 포함한다. 다수의 리지(70)는 함몰된 영역(66)을 형성한다. 다수의 리지(70)는 외측으로 향한 면(42)에 대하여 매니폴드(38)가 고정된 때 연료전지 스택 조립체(10)의 압력판(12)에 접촉하게 된다. 이해될 수 있는 바와 같이, 다수의 리지(70) 및 제2 밀봉부(54) 모두는 외측으로 향한 면(42)의 주변부와 접촉한다. 또 다른 예시에서, 다수의 리지(70)와 제2 밀봉부(54)는, 매니폴드(38)가 외측으로 향한 면(42)의 작은 일부를 덮는 때와 같이, 외측으로 향한 면(42)의 다른 영역과 접촉한다.
예시적인 제1 밀봉부(50)의 연장부(62)는 5.7mm 내지 6.2mm의 범위의 길이 l1을 갖는다. 예시적인 제1 밀봉부(50)의 주 본체부는 9.1mm의 길이 l2를 갖는다. 다수의 리지(70)의 각각은 1.1mm의 길이 l3를 갖고, 예시적인 제1 밀봉부(50)의 폭 w는 약 8mm이다.
제1 밀봉부(50)의 예시는 다소 유연하며, 이는 매니폴드(38)가 외측으로 향한 면(42)에 대해 고정되기 전에 제1 밀봉부(50)와 매니폴드(38) 사이의 초기 억지끼워맞춤 또는 마찰끼워맞춤을 용이하게 한다. 따라서 제1 밀봉부(50)의 예시는 프레스-인-플레이스(press-in-place) 밀봉으로 고려된다. 다른 예시들은 초기에 접착제와 같은, 다른 기술들을 이용하여 매니폴드(38)에 대하여 제1 밀봉부(50)를 고정한다.
이러한 예시에서, 제1 밀봉부(50) 및 제2 밀봉부(54) 모두는 비실리콘(nonsilicone) 밀봉부이다. 구체적으로 제1 밀봉부(50)의 예시는 에틸렌 프로필렌 디엔 모노머(EPDM) 고무를 포함하고, 또한 제2 밀봉부(54)의 예시는 플로오로엘라스토머(FKM) 물질을 포함한다. 디네온사(Dyneon™)는 일 예시에서 제2 밀봉부(54)에 적합한 물질을 생산한다.
제2 밀봉부(54)의 예시는 제2 밀봉부(54)가 열경화되기 전에 직사각형의 단면을 갖는 밀봉제 테이프이다. 또 다른 예시에서, 제2 밀봉부(54)는 튜브에서 직접적으로 함몰된 영역(66)으로 분배되는 분배 가능한 밀봉제이다.
제2 밀봉부(54)가 초기에 외측으로 향한 면(42)에 대해 고정될 때, 제2 밀봉부(54)는 외측으로 향한 면(42)의 요철부에 부합하고 유연하게 된다. 즉, 제2 밀봉부(54)의 단면이 균일한 직사각형의 단면에서 외측으로 향한 면(42)의 요철부를 수용하는 불균일한 단면으로 변화한다. 매니폴드(38)에 의해 작용되는 압력은 외측으로 향한 면(42)의 요철부에 제2 밀봉부(54)가 부합하는 것을 돕는다. 그 다음, 제2 밀봉부(54)를 경화시키는 것은 제2 밀봉부(54)의 모양을 안정화시키고, 경계면(56)의 일부를 제2 밀봉부(54)가 밀봉하는 것을 가능하게 한다.
다수의 리지(70)는 경화 과정 동안 제2 밀봉부(54)의 롤링 또는 이동을 제한한다. 특히, 다수의 리지(70)는 또한 외측으로 향한 면(42)의 요철부에 다소 부합하지만, 제1 밀봉부(50)의 물질 특성으로 인해, 일관되게 밀봉된 경계면을 일반적으로 제공하지는 못한다.
도3 및 도 4를 계속 참조하면서 도 5를 참조하면, 밀봉부 조립체(46)를 설치하는 방법(100)의 예시는 도면부호 110 단계에서 홈(58) 내부로 제1 밀봉부(50)의 연장부(62)를 삽입하는 단계를 포함한다. 도면부호 110 단계는 매니폴드(38)에 대하여 제1 밀봉부(50)를 고정한다.
다음으로, 도면부호 120 단계에서, 제2 밀봉부(54)는 제1 밀봉부(50)의 함몰된 영역(66) 안에 위치된다. 예를 들어, 접착제는 함몰된 영역(66) 내부에 제2 밀봉부(54)를 고정하는데 사용된다. 다른 예시에서, 제1 밀봉부(50) 및 제2 밀봉부(54)의 물성은 함몰된 영역(66)의 내부에 제2 밀봉부(54)를 고정하는데 요구된다.
그 다음, 도면부호 130 단계에서, 매니폴드(38)는 외측으로 향한 면(42)에 대해 고정된다. 일 예시에서, 매니폴드(38)는 외측으로 향한 면(42)에 대하여 압력을 받게 되고, 그로 인해 제2 밀봉부(54)는 제1 밀봉부(50)의 함몰된 영역(66) 안에 매립되며, 그리고 제1 밀봉부(50) 및 제2 밀봉부(54) 모두는 외측으로 향한 면(42)에 접촉하게 된다.
도면부호 140 단계에서, 연료전지 스택 조립체(10)는 핫 소크(hot soak) 된다. 핫 소크는 제2 밀봉부(54)를 경화시켜 경계면(56)을 밀봉하도록 한다. 이 예시에서, 연료전지 스택 조립체(10)가 80℃에서 핫 소크 될 때, 제2 밀봉부(54)는 네 시간 안에 경화된다.
개시된 예시들의 특징들은 연료전지 스택의 외측으로 향한 면의 요철부에 부합하는 단순화된 밀봉부 배열체를 포함한다. 또 다른 특징은 밀봉부 롤링의 경향을 감소시킨다.
상기 설명은 사실상 제한이기보다는 예시이다. 당해 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 본질을 벗어나지 않는 본 발명의 임의의 변경 및 수정을 인지할 수 있을 것이다. 그러므로, 이하의 청구항은 본 발명에 주어진 참된 법적 보호 범위를 결정하기 위해 검토 되어야 한다.
10 : 연료전지 스택 조립체
12 : 압력판
14 : 연료전지
18 : 애노드
22 : 캐소드
26 : 전극 조립체
30, 34 : 유동장 플레이트
36 : 유체 공급원
38 : 매니폴드
42 : 외측으로 향한 면
46 : 밀봉부 조립체
56 : 경계면

Claims (20)

  1. 밀봉부 조립체이며,
    제1 밀봉부 및 제2 밀봉부를 포함하고,
    제1 밀봉부는 연료전지 매니폴드와 연료전지 스택의 사이에 위치되고, 상기 제1 밀봉부는 상기 연료전지 스택과 맞닿은 상기 제1 밀봉부의 일 측면 안에 함몰된 영역을 형성하고,
    상기 제2 밀봉부는 상기 함몰된 영역 내부로 상기 연료전지 스택과 상기 제1 밀봉부 사이에 위치하는 밀봉부 조립체.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제1 밀봉부는 에틸렌 프로필렌 디엔 모노머 고무를 포함하는 밀봉부 조립체.
  3. 제1항에 있어서, 상기 제2 밀봉부는 플루오로엘라스토머 밀봉부를 포함하는 밀봉부 조립체.
  4. 제3항에 있어서, 상기 제2 밀봉부는 디네온(Dyneon™)을 포함하는 밀봉부 조립체.
  5. 제1항에 있어서, 상기 제2 밀봉부는 열경화된 밀봉부를 포함하는 밀봉부 조립체.
  6. 제1항에 있어서, 상기 제1 밀봉부 및 상기 제2 밀봉부는 상기 연료전지 스택에 접촉하는 밀봉부 조립체.
  7. 제1항에 있어서, 상기 매니폴드에 맞닿는 상기 제1 밀봉부의 적어도 일부는 상기 매니폴드에 의해 형성된 홈 내부로 수용되는 밀봉부 조립체.
  8. 제1항에 있어서, 상기 제1 밀봉부는 상기 매니폴드에 의해 형성된 홈 내부로 수용되는 연장부를 포함하고, 상기 제1 밀봉부는 상기 연장부로부터 이격되어 연장되는 다수의 리지를 포함하며, 상기 다수의 리지는 상기 제2 밀봉부를 고정하는 함몰된 영역의 적어도 일부를 형성하고, 상기 다수의 리지는 상기 연료전지 스택에 접촉하도록 더 구성된 밀봉부 조립체.
  9. 제1항에 있어서, 상기 연료전지 스택은 상기 외측으로 향한 면을 포함하고, 제2 밀봉부는 상기 외측으로 향한 면의 주변에 대해 밀봉하도록 구성된 밀봉부 조립체.
  10. 연료전지 조립체 밀봉부 배열체이며,
    다수의 외측으로 향한 면을 구비한 연료전지 스택,
    유체 전달 통로를 형성하는 하나 이상의 상기 외측으로 향한 면과 매니폴드 및 상기 매니폴드와 하나 이상의 상기 외측으로 향한 면 사이에 고정된 비실리콘 밀봉부 배열체를 포함하고,
    상기 비실리콘 밀봉부는 상기 매니폴드와 하나 이상의 상기 외측으로 향한 면 사이의 경계면를 밀봉하는 연료전지 조립체 밀봉부 배열체.
  11. 제10항에 있어서, 상기 매니폴드의 주변부는 경계면의 일부를 형성하는 연료전지 조립체 밀봉부 배열체.
  12. 제10항에 있어서, 상기 유체 전달 통로는 연료, 산화제 또는 연료와 산화제 모두를 연료전지 스택에 전달하도록 구성된 연료전지 조립체 밀봉부 배열체.
  13. 제10항에 있어서, 상기 비실리콘 밀봉부는 매니폴드의 홈 내부로 수용되는 일부를 구비한 제1 밀봉부 및 상기 제1 밀봉부의 함몰된 영역 내부로 수용되는 일부를 구비한 제2 밀봉부를 포함하는 연료전지 조립체 밀봉부 배열체.
  14. 제13항에 있어서, 상기 제1 밀봉부 및 제2 밀봉부가 하나 이상의 상기 외측으로 향한 면에 접촉하는 연료전지 조립체 밀봉부 배열체.
  15. 제13항에 있어서, 상기 연료전지 스택은 양성자 교환막 연료전지의 일부를 포함하는 연료전지 조립체 밀봉부 배열체.
  16. 매니폴드 내부에 형성된 홈 내부에 제1 밀봉부를 고정하는 단계,
    제2 밀봉부 내부에 형성된 홈 내부에 제2 밀봉부를 고정하는 단계 및
    제1 밀봉부 및 제2 밀봉부를 사용하여 연료전지 유체의 유동을 제한하는 단계를 포함하는 연료전지 경계면 밀봉 방법.
  17. 제16항에 있어서, 연료전지 스택의 외측으로 향한 면에 대하여 상기 제1 밀봉부 및 제2 밀봉부를 고정하는 단계를 포함하는 연료전지 경계면 밀봉 방법.
  18. 제16항에 있어서, 연료전지 스택의 외측으로 향한 면 및 상기 제1 밀봉부 사이로 상기 제2 밀봉부를 캡슐화(encapsulating)하는 단계를 포함하는 연료전지 경계면 밀봉 방법.
  19. 제16항에 있어서, 상기 제1 밀봉부 및 제2 밀봉부는 비실리콘 밀봉부인 연료전지 경계면 밀봉 방법.
  20. 제16항에 있어서, 연료전지를 핫 소크 할 때 상기 제2 밀봉부가 경화되는 단계를 포함하는 연료전지 경계면 밀봉 방법.
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