KR20210075776A - 탄성체 더미 셀 프레임 및 이를 이용한 연료전지 스택 - Google Patents

탄성체 더미 셀 프레임 및 이를 이용한 연료전지 스택 Download PDF

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Abstract

본 발명은 더미 셀과 엔드 플레이트 간 기밀성능을 향상시킬 수 있는 탄성체 더미 셀 프레임 및 이를 이용한 연료전지 스택에 관한 것이다.
본 발명의 일 실시형태에 따른 탄성체 더미 셀 프레임은 전도성 소재로 이루어져서 시트 형태로 형성되는 더미 인서트와; 상기 더미 인서트의 외곽영역에서 상기 더미 인서트의 테두리를 둘러싸도록 배치되고, 열융착되면서 상기 더미 인서트의 테두리와 그 계면에서 접합되는 시트 형태의 더미 탄성체 프레임을 포함한다.

Description

탄성체 더미 셀 프레임 및 이를 이용한 연료전지 스택{Elastomeric dummy cell frame and fuel cell stack using the same}
본 발명은 탄성체 더미 셀 프레임 및 이를 이용한 연료전지 스택에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 더미 셀과 엔드 플레이트 간 기밀성능을 향상시킬 수 있는 탄성체 더미 셀 프레임 및 이를 이용한 연료전지 스택에 관한 것이다.
연료전지는 연료가 가지고 있는 화학 에너지를 스택 내에서 전기 화학적으로 반응시켜 전기 에너지로 변환하는 일종의 발전장치로서, 산업용, 가정용 및 차량의 구동 전력을 공급할 뿐만 아니라 휴대용 장치와 같은 소형 전자 제품의 전력공급에 사용될 수 있으며, 최근 고효율의 청정 에너지원으로 점차 그 사용영역이 확대되고 있다.
일반적인 연료전지의 단위셀은 가장 안쪽에 막전극접합체(MEA: Membrane-Electrode Assembly)가 위치하는데, 이 막전극접합체는 수소 양이온(Proton)을 이동시켜 줄 수 있는 고분자 전해질막과, 이 전해질막 양면에 수소와 산소가 반응할 수 있도록 도포된 촉매층, 즉 애노드 전극층(anode) 및 캐소드 전극층(cathode)으로 구성되어 있다.
또한, 상기 막전극접합체의 바깥 부분, 즉 애노드 전극층 및 캐소드 전극층이 위치한 바깥 부분에는 기체확산층(GDL: Gas Diffusion Layer)이 적층되고, 상기 기체확산층의 바깥 쪽에는 연료를 공급하고 반응에 의해 발생된 물을 배출하도록 유로(Flow Field)가 형성된 분리판이 위치한다.
상기와 같은 구성으로 이루어지는 단위셀은 연료전지에서 원하는 수준의 출력을 발생시키기 위하여 다수개를 직렬로 적층시켜서 연료전지 스택을 구성한다. 연료전지 스택에는 다수개의 단위셀을 지지 및 고정시키기 위하여 단위셀들의 가장 바깥쪽에 엔드 플레이트가 결합된다.
그리고, 연료전지는 단위셀의 열화를 방지하기 위하여 최외각의 단위셀과 엔드 플레이트 사이에 더미 셀을 포함한다.
한편, 종래에는 단위셀의 기밀 유지 및 적층 공정에서의 편의를 위하여 막전극접합체와 가스켓을 일체화시킨 막-전극-가스켓 접합체(Membrane-Electrode-Gasket Assembly, MEGA)를 제작하여 사용하기도 하였다.
또한, 최근에는 막전극접합체에 기체확산층을 접합한 인서트와 가스켓을 일체화시킨 일체형 프레임이 제안되기도 하였다.
하지만, 종래의 일체형 프레임은 플라스틱 재질의 프레임과 인서트를 접착제를 사용하여 접합시켰다. 또한, 종래의 일체형 프레임을 사용하여 단위셀을 제작하는 경우에 분리판과 일체형 프레임의 접착을 위하여 별도의 접착 부재 및 실링 부재가 필요하였다. 이러한 공정은 재료비용 및 생산비용을 상승시키는 원인이 되었다.
상기의 배경기술로서 설명된 내용은 본 발명에 대한 배경을 이해하기 위한 것일 뿐, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이미 알려진 종래기술에 해당함을 인정하는 것으로 받아들여져서는 안 될 것이다.
일본공개특허공보 제2017-212126호 (2017.11.30) 한국공개특허공보 제10-2018-0011716호 (2018.02.02)
본 발명은 더미 셀과 엔드 플레이트 간 기밀성능을 향상시킬 수 있는 탄성체 더미 셀 프레임 및 이를 이용한 연료전지 스택에 관한 것이다.
본 발명의 일 실시형태에 따른 탄성체 더미 셀 프레임은 전도성 소재로 이루어져서 시트 형태로 형성되는 더미 인서트와; 상기 더미 인서트의 외곽영역에서 상기 더미 인서트의 테두리를 둘러싸도록 배치되고, 열융착되면서 상기 더미 인서트의 테두리와 그 계면에서 접합되는 시트 형태의 더미 탄성체 프레임을 포함한다.
상기 더미 탄성체 프레임의 중앙영역에는 상기 더미 인서트의 테두리가 안착되면서 배치되는 안착 관통홀이 형성되고, 상기 안착 관통홀을 기준으로 일측에는 반응가스 및 냉각수가 유입되는 복수의 유입매니폴드 프레임 관통홀이 형성되며, 타측에는 반응가스 및 냉각수가 배출되는 복수의 배출매니폴드 프레임 관통홀이 형성되고, 상기 더미 탄성체 프레임의 양면 중 적어도 어느 한 면에는 상기 안착 관통홀, 복수의 유입매니폴드 프레임 관통홀 및 복수의 배출매니폴드 프레임 관통홀을 둘러싸는 더미 돌기씰 라인이 돌출되어 형성되는 것을 특징으로 한다.
상기 더미 탄성체 프레임은 열가소성 탄성체(TPE)로 형성되는 것을 특징으로 한다.
상기 열가소성 탄성체(TPE)는 수지계 하드 세그먼트(Hard-segment)와 고무계 소프트 세그먼트(Soft-segment)로 형성되는 것을 특징으로 한다.
상기 더미 탄성체 프레임은 상기 안착 관통공에 폭방향으로 가로 질러 더미 탄성체 프레임의 길이방향으로 소정 간격 이격되어 배치되는 다수개의 보강띠가 더 형성되는 것을 특징으로 한다.
상기 더미 인서트는 탄소섬유로 이루어진 것이 바람직하다.
상기 더미 인서트는 서로 다른 크기를 갖는 제 1 기재와 제 2 기재가 서로 적층되면서 형성되어, 제 1 기재와 제 2 기재 중 상대적으로 더 큰 기재의 양면 중 어느 한 면이 더미 탄성체 프레임에 접합되는 것을 특징으로 한다.
한편, 본 발명의 일 실시형태에 따른 연료전지 스택은 한 쌍의 엔드 플레이트 사이에 다수의 단위셀이 적층되어 이루어지는 연료전지 스택으로서, 적층되는 단위셀 중 최외측 양측 단부에 배치되는 단위셀은 더미 셀이고, 상기 더미 셀은, 전도성 소재로 이루어져서 시트 형태로 형성되는 더미 인서트와; 상기 더미 인서트의 외곽영역에서 상기 더미 인서트의 테두리를 둘러싸도록 배치되고, 열융착되면서 상기 인서트의 테두리와 그 계면에서 접합되는 시트 형태의 더미 탄성체 프레임으로 이루어지는 탄성체 더미 셀 프레임을 포함한다.
상기 더미 셀은, 상기 탄성체 더미 셀 프레임과 인접하는 단위셀 사이에 더미 분리판을 더 포함하고, 상기 더미 셀의 탄성체 더미 셀 프레임이 상기 엔드 플레이트에 직접 대면되는 것을 특징으로 한다.
상기 더미 분리판은 중앙에 유로가 형성된 유로영역이 형성되고, 상기 유로영역을 기준으로 일측에는 반응가스 및 냉각수가 유입되는 복수의 유입매니폴드 분리판 관통홀이 형성되며, 타측에는 반응가스 및 냉각수가 배출되는 복수의 배출매니폴드 분리판 관통홀이 형성되되, 상기 유로영역과 복수의 유입매니폴드 분리판 관통홀 및 배출매니폴드 분리판 관통홀은 연통되지 않은 것을 특징으로 한다.
상기 단위셀은, 고분자 전해질막의 양면에 한 쌍의 전극층이 형성되는 막전극접합체와, 그 양면에 배치되는 한 쌍의 기체확산층이 접합된 인서트와; 상기 인서트의 외곽영역에서 상기 인서트의 테두리를 둘러싸도록 배치되고, 열융착되면서 상기 인서트의 테두리와 그 계면에서 접합되는 시트 형태의 탄성체 프레임을 포함하는 탄성체 셀 프레임과; 상기 탄성체 셀 프레임의 양면에 배치되어 반응가스 및 냉각수의 유동을 유도하는 한 쌍의 분리판을 포함한다.
상기 더미 셀의 더미 분리판과 인접하는 단위셀의 분리판은 직접 접합되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 열가소성 탄성체(TPE)로 제작되는 시트형 더미 탄성체 프레임을 사용하여 별도의 접착부재 없이 더미 셀을 구현할 수 있다.
특히, 더미 셀을 열가소성 탄성체(TPE)로 형성함으로써, 스택 내 온도 변화에 따라 금속분리판이 휘는 변형이 발생하더라도 엔드 플레이트와 금속분리판 사이의 빈 공간을 열가소성 탄성체(TPE)가 유연하게 메워주기 때문에 스택의 기밀성능을 우수하게 유지할 수 있는 효과를 기대할 수 있다.
도 1은 탄성체 셀 프레임이 적용된 연료전지 스택의 구성을 보여주는 도면이고,
도 2는 탄성체 셀 프레임의 구성을 보여주는 도면이며,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 스택의 구성을 보여주는 도면이고,
도 4a는 본 발명의 일 실시예에 따른 단위셀을 구성하는 탄성체 프레임을 보여주는 도면이며,
도 4b는 본 발명의 일 실시예에 따른 더미 셀을 구성하는 더미 탄성체 프레임을 보여주는 도면이고,
도 5a는 본 발명의 일 실시예에 따른 단위셀을 구성하는 분리판을 보여주는 도면이며,
도 5b는 본 발명의 일 실시예에 따른 더미 셀을 구성하는 더미 분리판을 보여주는 도면이고,
도 6a는 본 발명의 일 실시예에 따른 단위셀을 구성하는 탄성체 프레임과 분리판을 보여주는 도면이며,
도 6b는 본 발명의 일 실시예에 따른 더미 셀을 구성하는 더미 탄성체 프레임과 더미 분리판을 보여주는 도면이고,
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 더미 탄성체 프레임을 보여주는 단면도이며,
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 더미 탄성체 프레임을 보여주는 단면도이고,
도 9는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 더미 탄성체 프레임을 보여주는 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 더욱 상세히 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다.
먼저, 본 발명의 설명을 위하여 탄성체 셀 프레임이 적용되는 단위셀 및 연료전지 스택에 대하여 설명한다.
도 1은 탄성체 셀 프레임이 적용된 연료전지 스택의 구성을 보여주는 도면이고, 도 2는 탄성체 셀 프레임의 구성을 보여주는 도면이다.
도 1 및 도 2에 도시된 바와같이 탄성체 셀 프레임이 적용된 단위셀은 막전극접합체(10)와 그 양면에 배치되는 한 쌍의 기체확산층(20)이 접합된 인서트가 마련되고, 열융착에 의해 인서트의 외곽영역에 일체로 형성되는 탄성체 프레임(100)을 포함한다. 그리고, 막전극접합체(10) 및 한 쌍의 기체확산층(20)과 일체로 형성된 탄성체 프레임(100)의 양면으로 반응가스를 공급하고 반응에 의해 발생된 생성수를 배출하도록 유로(Flow Field)가 형성된 한 쌍의 분리판(30a, 30b, 300)이 위치한다.
인서트는 막전극접합체(10)와 한 쌍의 기체확산층(20)을 적층시킨 접합체로서, 바람직하게는 막전극접합체(10)의 일면 및 타면에 기체확산층(20)이 각각 배치되어 적층된다. 이때 막전극접합체(10)는 수소 양이온(Proton)을 이동시켜 줄 수 있는 고분자 전해질막(11)과, 이 전해질막 양면에 수소와 산소가 반응할 수 있도록 도포된 촉매층, 즉 애노드 전극층(anode; 12) 및 캐소드 전극층(cathode; 13)으로 구성되어 있다.
탄성체 프레임(100)은 인서트의 기밀 유지 및 적층 공정에서의 편의를 위하여 인서트의 외곽영역에 일체로 형성되는 수단으로서, 탄성체 프레임(100)은 소정의 형상을 유지하면서 별도의 접착부재 없이 열융착에 의해 접합하기 위하여 열가소성 탄성체(TPE; Thermo Plastic Elastomer)로 형성된다.
이때 열가소성 탄성체(TPE)는 수지계 하드 세그먼트(Hard-segment)와 고무계 소프트 세그먼트(Soft-segment)로 형성될 수 있다. 그래서 수지계 하드 세그먼트는 탄성체 프레임(200)의 열융착에 기여하고, 소프트 세그먼트는 탄성 및 형태 유지에 기여한다.
그래서, 열가소성 탄성체(TPE)로는 스타이렌계, 올레핀계, 우레탄계, 아미드계, 폴리에스테계 등을 적용할 수 있고, 바람직하게는 폴리올레핀계 열가소성 탄성체(TPE)를 적용할 수 있다. 그러면, 수지계 하드 세그먼트(Hard-segment)는 PE, PP 등의 폴리올레핀 수지로 형성되고, 고무계 소프트 세그먼트(Soft-segment)는 EPDM (Ethylene Propylene Diene Monomer Rubber) 등의 올레핀계 고무로 형성될 수 있다.
한편, 탄성체 프레임(100)은 인서트의 외곽영역에서 인서트의 테두리 양면 중 어느 한 면과 측면을 둘러싸도록 배치되고, 인서트의 테두리 양면 중 어느 한 면 및 측면으로 노출되는 막전극접합체(10) 및 기체확산층(20)과 그 계면에서 열융착되어 일체로 형성된다. 여기서 인서트의 '외곽영역'이란 인서트의 가장자리 영역과 그 주변의 공간을 포함하는 영역을 의미하고, 인서트의 '테두리'란 인서트의 가장자리 영역을 의미한다.
탄성체 프레임(100) 인서트의 테두리 일면 및 측면에서 대면되면서, 인서트의 외곽영역을 둘러싸도록 배치된다. 특히, 탄성체 프레임(100)에는 인서트와의 기밀한 접착을 위하여 인서트와의 계면을 확장시킬 수 있다.
예를 들어, 탄성체 프레임(100)에는 인서트가 배치되는 반응면 관통홀(101)이 형성되고, 반응면 관통홀(101)의 내주면에는 인서트의 일면 및 측면을 감싸는 단턱부(103)가 형성된다.
이에 따라, 인서트와 탄성체 프레임(100) 사이에는 각각 계면에 열융착에 의한 융착부가 형성되어 상호 간에 견고한 접합 및 일체화가 이루어진다.
그리고, 탄성체 프레임(100)에는 인서트, 즉 막전극접합체(10) 및 기체확산층(20)에 의해 형성되는 반응면으로 반응가스 및 냉각수를 유입시키고 배출시키는 매니폴드를 형성하기 위한 유입매니폴드 프레임 관통홀(110)과 배출매니폴드 프레임 관통홀(120)이 형성된다. 그리고, 유입매니폴드 프레임 관통홀(110)과 반응면을 연통시키는 유입 연통영역(111)이 형성되고, 반응면과 배출매니폴드 프레임 관통홀(120)을 연통시키는 배출 연통영역(121)이 형성된다. 그래서, 반응가스 및 냉각수가 유입매니폴드 프레임 관통홀(110)과 유입 연통영역(111)을 통하여 반응면으로 공급된 다음 반응면을 통과한 후 배출 연통영역(121)과 배출매니폴드 프레임 관통홀(120)을 통하여 배출된다.
한편, 분리판(30a, 30b)은 금속지지역할을 하는 랜드와, 유체의 흐름 경로가 되는 채널(유로)이 반복 형성된 구조로 제작되는 것이 일반적이다.
한편, 탄성체 셀 프레임이 적용된 연료전지 스택은 상기와 같이 구성되는 탄성체 셀 프레임이 적용된 단위셀을 다수개 준비하고, 이를 직렬로 적층시켜서 연료전지 스택을 구성한다. 이때, 연료전지 스택에는 다수개의 단위셀을 지지 및 고정시키기 위하여 단위셀들의 가장 바깥쪽에 엔드 플레이트(50)가 결합된다.
이렇게 마련되는 탄성체 셀 프레임이 적용된 연료전지 스택은 엔드 플레이트(50)와 분리판(30a, 30b)가 직접 접촉되기 때문에, 스택의 운전에 의해 스택 내 온도 변화가 발생하는 경우에 여전히 금속 소재의 분리판(30a, 30b)이 휘는 변형이 발생할 수 있다. 이런 경우 분리판(30a, 30b)과 엔드 플레이트(50) 사이의 기밀이 약화되는 문제가 발생할 수 있다.
그래서, 본 발명에서는 연료전지 스택을 구성함에 있어서, 한 쌍의 엔드 플레이트(50) 사이에 다수의 단위셀을 적층시켜서 연료전지 스택을 구성하되, 적층되는 단위셀 중 최외측 양측 단부에 배치되는 단위셀을 더미 셀로 대체함으로써, 엔드 플레이트(50)와 인접되는 단위셀 사이에 기밀이 약화되는 것을 방지하였다.
상기와 같이 본 발명은 전술된 단위셀과 함께 더미 셀이 형성된다.
이하에서는 본 발명의 실시예에 따른 단위셀과 더미 셀에 대하여 도면을 참조하여 더욱 상세하게 설명하겠다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 스택의 구성을 보여주는 도면이고, 도 4a는 본 발명의 일 실시예에 따른 단위셀을 구성하는 탄성체 프레임을 보여주는 도면이며, 도 4b는 본 발명의 일 실시예에 따른 더미 셀을 구성하는 더미 탄성체 프레임을 보여주는 도면이고, 도 5a는 본 발명의 일 실시예에 따른 단위셀을 구성하는 분리판을 보여주는 도면이며, 도 5b는 본 발명의 일 실시예에 따른 더미 셀을 구성하는 더미 분리판을 보여주는 도면이고, 도 6a는 본 발명의 일 실시예에 따른 단위셀을 구성하는 탄성체 프레임과 분리판을 보여주는 도면이며, 도 6b는 본 발명의 일 실시예에 따른 더미 셀을 구성하는 더미 탄성체 프레임과 더미 분리판을 보여주는 도면이고, 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 더미 탄성체 프레임을 보여주는 단면도이다.
도면에 도시된 바와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 스택은 다수의 단위셀(C1)이 직렬로 적층되고, 단위셀(C1)들의 최외각 양측 단부에 더미 셀(C2)이 배치된다. 그리고, 더미 셀(C2)의 외곽에는 엔드 플레이트(50)가 배치된다. 그래서 더미 셀(C2)과 엔드 플레이트(50)가 직접 대면된다.
여기서 단위셀(C1)은 앞서 설명된 탄성체 셀 프레임이 적용되는 단위셀로서, 막전극접합체(10)와 그 양면에 배치되는 한 쌍의 기체확산층(20)이 접합된 인서트가 마련되고, 열융착에 의해 인서트의 외곽영역에 일체로 형성되는 탄성체 프레임(100)을 포함한다.
그리고, 막전극접합체(10) 및 한 쌍의 기체확산층(20)과 일체로 형성된 탄성체 프레임(100)의 양면으로 한 쌍의 분리판(30a, 30b)이 위치한다.
이때, 도 4a에 도시된 바와 같이 탄성체 프레임(100)에는 반응면 관통홀(101), 유입매니폴드 프레임 관통홀(110) 및 배출매니폴드 프레임 관통홀(120)이 형성된다. 그리고, 유입매니폴드 프레임 관통홀(110)과 반응면을 연통시키는 유입 연통영역(111)이 형성되고, 반응면과 배출매니폴드 프레임 관통홀(120)을 연통시키는 배출 연통영역(121)이 형성된다.
특히, 탄성체 프레임(100)의 양면 중 적어도 어느 한 면에는 반응가스 및 냉각수가 유동되는 경로 이외로 누출되는 것을 방지하기 위하여 반응면 관통홀(101), 유입매니폴드 프레임 관통홀(110) 및 배출매니폴드 프레임 관통홀(120)을 둘러싸는 돌기씰 라인(102)이 돌출되어 형성된다. 다만, 반응가스 및 냉각수를 반응면으로 유입시키고 배출시키기 위하여 유입 연통영역(111)과 배출 연통영역(121)에는 돌기씰 라인(102)이 형성되지 않는다.
한편, 도 5a에 도시된 바와 같이 분리판(300)은 상기 탄성체 프레임(100)과 적층되면서 탄성체 프레임(100)에 형성되는 반응면으로 반응가스 및 냉각수를 공급하고 배출시키기 위하여 중앙에 유로가 형성된 유로영역이 형성되고, 유로영역을 기준으로 일측에는 반응가스 및 냉각수가 유입되는 복수의 유입매니폴드 분리판 관통홀(310)이 형성되며, 타측에는 반응가스 및 냉각수가 배출되는 복수의 배출매니폴드 분리판 관통홀(320)이 형성된다. 그리고, 유입매니폴드 분리판 관통홀(310)과 반응면을 연통시키는 유입 연통영역(311)이 형성되고, 반응면과 배출매니폴드 분리판 관통홀(320)을 연통시키는 배출 연통영역(321)이 형성된다.
그래서, 탄성체 프레임(100)과 분리판(300)은 도 6a에 도시된 바와 같이 서로 대응되는 구성끼리 대면되도록 정렬되어 적층된다.
한편, 본 발명에 따른 더미 셀(C2)은 탄성체 더미 셀 프레임이 적용되는 셀로서, 탄성체 더미 셀 프레임은 전도성 소재로 이루어져서 시트 형태로 형성되는 더미 인서트(500)와; 상기 더미 인서트(500)의 외곽영역에서 상기 더미 인서트(500)의 테두리를 둘러싸도록 배치되고, 열융착되면서 상기 더미 인서트(500)의 테두리와 그 계면에서 접합되는 시트 형태의 더미 탄성체 프레임(200)을 포함한다.
더미 인서트(500)는 통전을 위하여 전도성 소재로 이루어진다. 그래서 더미 인서트(500)는 탄소섬유로 이루어질 수 있다. 예를 들어 탄소섬유로는 탄소섬유 천(Cloth), 탄소섬유 펠트(Felt) 및 탄소섬유 종이(Paper)형 등이 사용될 수 있다.
도 7에 도시된 바와 같이 더미 인서트(500)는 단일 소재인 탄소섬유로 이루어질 수 있다.
이때 더미 인서트(500)는 단일 소재로 이루어지지만 더미 탄성체 프레임(200)과의 열융착 면적을 확대하기 위하여 서로 다른 크기를 갖는 2장의 시트형 기재인 제 1 기재(510)와 제 2 기재(520)를 서로 적층하여 사용할 수 있다. 예를 들어 더미 인서트에 사용되는 시트형 기재(510, 520)은 종래의 일반적인 기체확산층에 적용되는 기재를 미세기공층의 형성없이 사용할 수 있다.
그래서 제 1 기재(510)와 제 2 기재(520)를 적층하였을 때 더미 인서트(500)의 테두리에서 제 1 기재(510)의 측면과 하면이 더미 탄성체 프레임(200)에 접촉되고, 제 2 기재(520)의 측면이 더미 탄성체 프레임(200)에 접촉된다. 이렇게 전체적으로 더미 인서트(500)와 더미 탄성체 프레임(200)의 접촉 면적이 확대됨에 따라 더미 인서트(500)와 더미 탄성체 프레임(200)과의 열융착 면적을 확대시켜 접착력을 향상시킬 수 있다.
한편, 더미 인서트(500)는 종래의 일반적인 기체확산층을 사용할 수 있다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 더미 탄성체 프레임을 보여주는 단면도로서, 도 8에 도시된 바와 같이 더미 인서트(600)를 구성하는 일반적인 기체확산층(610, 620)은 탄소섬유에 PTFE(polytetrafluoroethylene) 등의 소수성 물질(Hydrophobic Agent)을 함침하여 구성되는 기재(611, 621)의 표면에 아세틸렌 블랙 카본(Acetylene Black Carbon), 블랙 펄 카본(Black Pearls Carbon) 등의 탄소 분말과, PTFE(polytetrafluoroethylene) 등의 소수성 물질(Hydrophobic Agent)을 혼합하여 제조한 후, 기재(611, 621)의 표면에 도포되는 미세기공층(612, 622)로 이루어진다.
그래서 2장의 기체확산층(610, 620)의 미세기공층(612, 622)이 서로 대면되도록 한 다음 접합하여 더미 인서트(600)로 사용할 수 있다.
이때 더미 인서트(600)는 전술된 실시예의 더미 인서트(500)과 마찬가지로 더미 탄성체 프레임(200)과의 열융착 면적을 확대하기 위하여 서로 다른 크기를 갖는 2장의 기체확산층(610, 620)을 서로 적층하여 사용할 수 있다.
한편, 더미 탄성체 프레임(200)은 전술된 탄성체 프레임(100)과 마찬가지로 더미 인서트(500)의 기밀 유지 및 적층 공정에서의 편의를 위하여 더미 인서트(500)의 외곽영역에 일체로 형성되는 수단으로서, 더미 탄성체 프레임(200)은 소정의 형상을 유지하면서 별도의 접착부재 없이 열융착에 의해 접합하기 위하여 열가소성 탄성체(TPE; Thermo Plastic Elastomer)로 형성된다.
이때 더미 탄성체 프레임(2100)을 형성하는 열가소성 탄성체(TPE)는 전술된 탄성체 프레임(100)을 형성하는 열가소성 탄성체(TPE)와 마찬가지로 수지계 하드 세그먼트(Hard-segment)와 고무계 소프트 세그먼트(Soft-segment)로 형성될 수 있다. 그래서 수지계 하드 세그먼트는 더미 탄성체 프레임(100)의 열융착에 기여하고, 소프트 세그먼트는 탄성 및 형태 유지에 기여한다.
또한, 더미 탄성체 프레임(200)은 더미 인서트(500)의 테두리 일면 및 측면에서 대면되면서, 더미 인서트(500)의 외곽영역을 둘러싸도록 배치된다. 특히, 더미 탄성체 프레임(200)에는 더미 인서트(500)와의 기밀한 접착을 위하여 더미 인서트(500)와의 계면을 확장시킬 수 있다.
예를 들어, 더미 탄성체 프레임(200)에는 중앙영역에 더미 인서트(500)가 안착되면서 배치되는 안착 관통홀(201)이 형성되고, 상기 안착 관통홀(201)의 내주면에는 더미 인서트(500)의 일면 및 측면을 감싸는 단턱부(203)가 형성된다.
이에 따라, 더미 인서트(500)와 더미 탄성체 프레임(200) 사이에는 각각 계면에 열융착에 의한 융착부가 형성되어 상호 간에 견고한 접합 및 일체화가 이루어진다.
그리고, 더미 탄성체 프레임(200)에는 스택 내로 반응가스 및 냉각수를 유입시키고 배출시키는 매니폴드를 형성하기 위한 유입매니폴드 프레임 관통홀(210)과 배출매니폴드 프레임 관통홀(220)이 형성된다. 다만, 전술된 탄성체 프레임(100)에 형성되는 유입 연통영역(111) 및 배출 연통영역(121)은 형성되지 않는다.
또한, 더미 탄성체 프레임(200)의 양면 중 적어도 어느 한 면에는 반응가스 및 냉각수가 유동되는 경로 이외로 누출되는 것을 방지하기 위하여 도 4b에 도시된 바와 같이 안착 관통홀(201), 복수의 유입매니폴드 프레임 관통홀(210) 및 복수의 배출매니폴드 프레임 관통홀(220)을 둘러싸는 더미 돌기씰 라인(202)이 돌출되어 형성된다. 이때 더미 돌기씰 라인(202)은 안착 관통홀(201)과 모든 복수의 유입매니폴드 프레임 관통홀(210) 및 복수의 배출매니폴드 프레임 관통홀(220)을 둘러싸도록 형성된다.
한편, 본 발명에 따른 더미 셀(C2)은 상기 탄성체 더미 셀 프레임(200)과 인접하는 단위셀(C1) 사이에 더미 분리판(400)을 더 포함한다. 그래서, 상기 더미 셀(C2)의 탄성체 더미 셀 프레임(200)이 상기 엔드 플레이트(50)에 직접 대면된다.
이때 더미 셀(C2)의 더미 분리판(400)과 인접하는 단위셀(C1)의 분리판(300)은 직접 용접에 의해 접합될 수 있다.
한편, 더미 분리판(400)은 중앙에 유로가 형성된 유로영역이 형성되고, 상기 유로영역을 기준으로 일측에는 반응가스 및 냉각수가 유입되는 복수의 유입매니폴드 분리판 관통홀(410)이 형성되며, 타측에는 반응가스 및 냉각수가 배출되는 복수의 배출매니폴드 분리판 관통홀(420)이 형성된다. 이때 상기 유로영역과 복수의 유입매니폴드 분리판 관통홀(410) 및 배출매니폴드 분리판 관통홀(420)은 연통되지 않는다.
그래서, 더미 탄성체 프레임(200)과 더미 분리판(400)은 도 6b에 도시된 바와 같이 서로 대응되는 구성끼리 대면되도록 정렬되어 적층된다.
한편, 본 발명은 더미 탄성체 프레임과 더미 인서트의 안정적인 자세 유지를 유지하고, 더미 셀의 강성을 확보하기 위하여 더미 탄성체 프레임의 구조를 변경하여 구현할 수 있다.
도 9는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 더미 탄성체 프레임을 보여주는 도면이다.
도 9에 도시된 바와 같이 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 더미 탄성체 프레임은 중앙영역에 더미 인서트(500)가 안착되면서 배치되는 안착 관통홀(701)이 형성되고, 상기 안착 관통홀(701)의 내주면에는 더미 인서트(500)의 일면 및 측면을 감싸는 단턱부(703)가 형성된다. 또한, 더미 탄성체 프레임(700)에는 스택 내로 반응가스 및 냉각수를 유입시키고 배출시키는 매니폴드를 형성하기 위한 유입매니폴드 프레임 관통홀(710)과 배출매니폴드 프레임 관통홀(720)이 형성된다.
특히, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 더미 탄성체 프레임(700)은 안착 관통공(701)에 폭방향으로 가로 질러 더미 탄성체 프레임(700)의 길이방향으로 소정 간격 이격되어 배치되는 다수개의 보강띠(730)가 더 형성된다. 이때 다수개의 보강띠(730)는 더미 탄성체 프레임(700)에 일체로 형성된다.
그래서, 다수개의 보강띠(730)에 의해 더미 인서트(500)와 더미 탄성체 프레임(700)의 접합력을 향상시키면서, 더미 탄성체 프레임(700)의 자세를 안정적으로 유지하여 스택 적층 시 더미 탄성체 프레임(700)의 밀림현상을 방지할 수 있다.
본 발명을 첨부 도면과 전술된 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였으나, 본 발명은 그에 한정되지 않으며, 후술되는 특허청구범위에 의해 한정된다. 따라서, 본 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 후술되는 특허청구범위의 기술적 사상에서 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 변형 및 수정할 수 있다.
10: 막전극접합체 20: 기체확산층
30a, 30b: 분리판 50: 엔드 플레이트
100: 탄성체 프레임 200, 700: 더미 탄성체 프레임
300: 분리판 400: 더미 분리판
500, 600: 인서트

Claims (12)

  1. 전도성 소재로 이루어져서 시트 형태로 형성되는 더미 인서트와;
    상기 더미 인서트의 외곽영역에서 상기 더미 인서트의 테두리를 둘러싸도록 배치되고, 열융착되면서 상기 더미 인서트의 테두리와 그 계면에서 접합되는 시트 형태의 더미 탄성체 프레임을 포함하는 탄성체 더미 셀 프레임.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 더미 탄성체 프레임의 중앙영역에는 상기 더미 인서트의 테두리가 안착되면서 배치되는 안착 관통홀이 형성되고, 상기 안착 관통홀을 기준으로 일측에는 반응가스 및 냉각수가 유입되는 복수의 유입매니폴드 프레임 관통홀이 형성되며, 타측에는 반응가스 및 냉각수가 배출되는 복수의 배출매니폴드 프레임 관통홀이 형성되고,
    상기 더미 탄성체 프레임의 양면 중 적어도 어느 한 면에는 상기 안착 관통홀, 복수의 유입매니폴드 프레임 관통홀 및 복수의 배출매니폴드 프레임 관통홀을 둘러싸는 더미 돌기씰 라인이 돌출되어 형성되는 것을 특징으로 하는 탄성체 더미 셀 프레임.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 더미 탄성체 프레임은 열가소성 탄성체(TPE)로 형성되는 것을 특징으로 하는 탄성체 더미 셀 프레임.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 열가소성 탄성체(TPE)는 수지계 하드 세그먼트(Hard-segment)와 고무계 소프트 세그먼트(Soft-segment)로 형성되는 것을 특징으로 하는 탄성체 더미 셀 프레임.
  5. 청구항 2에 있어서,
    상기 더미 탄성체 프레임은 상기 안착 관통공에 폭방향으로 가로 질러 더미 탄성체 프레임의 길이방향으로 소정 간격 이격되어 배치되는 다수개의 보강띠가 더 형성되는 것을 특징으로 하는 탄성체 더미 셀 프레임.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 더미 인서트는 탄소섬유로 이루어진 것을 특징으로 하는 탄성체 더미 셀 프레임.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 더미 인서트는 서로 다른 크기를 갖는 제 1 기재와 제 2 기재가 서로 적층되면서 형성되어, 제 1 기재와 제 2 기재 중 상대적으로 더 큰 기재의 양면 중 어느 한 면이 더미 탄성체 프레임에 접합되는 것을 특징으로 하는 탄성체 더미 셀 프레임.
  8. 한 쌍의 엔드 플레이트 사이에 다수의 단위셀이 적층되어 이루어지는 연료전지 스택으로서,
    적층되는 단위셀 중 최외측 양측 단부에 배치되는 단위셀은 더미 셀이고,
    상기 더미 셀은,
    전도성 소재로 이루어져서 시트 형태로 형성되는 더미 인서트와; 상기 더미 인서트의 외곽영역에서 상기 더미 인서트의 테두리를 둘러싸도록 배치되고, 열융착되면서 상기 인서트의 테두리와 그 계면에서 접합되는 시트 형태의 더미 탄성체 프레임으로 이루어지는 탄성체 더미 셀 프레임을 포함하는 연료전지 스택.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 더미 셀은,
    상기 탄성체 더미 셀 프레임과 인접하는 단위셀 사이에 더미 분리판을 더 포함하고,
    상기 더미 셀의 탄성체 더미 셀 프레임이 상기 엔드 플레이트에 직접 대면되는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 더미 분리판은 중앙에 유로가 형성된 유로영역이 형성되고, 상기 유로영역을 기준으로 일측에는 반응가스 및 냉각수가 유입되는 복수의 유입매니폴드 분리판 관통홀이 형성되며, 타측에는 반응가스 및 냉각수가 배출되는 복수의 배출매니폴드 분리판 관통홀이 형성되되,
    상기 유로영역과 복수의 유입매니폴드 분리판 관통홀 및 배출매니폴드 분리판 관통홀은 연통되지 않은 것을 특징으로 하는 연료전지 스택.
  11. 청구항 9에 있어서,
    상기 단위셀은,
    고분자 전해질막의 양면에 한 쌍의 전극층이 형성되는 막전극접합체와, 그 양면에 배치되는 한 쌍의 기체확산층이 접합된 인서트와; 상기 인서트의 외곽영역에서 상기 인서트의 테두리를 둘러싸도록 배치되고, 열융착되면서 상기 인서트의 테두리와 그 계면에서 접합되는 시트 형태의 탄성체 프레임을 포함하는 탄성체 셀 프레임과;
    상기 탄성체 셀 프레임의 양면에 배치되어 반응가스 및 냉각수의 유동을 유도하는 한 쌍의 분리판을 포함하는 연료전지 스택.
  12. 청구항 11에 있어서,
    상기 더미 셀의 더미 분리판과 인접하는 단위셀의 분리판은 직접 접합되는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택.
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