KR20230030425A - 절연 가스켓을 갖는 연료전지용 분리판 및 이를 포함하는 연료전지 스택 - Google Patents

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Abstract

복수의 반응 셀들과 하나 이상의 더미 셀을 포함하는 다수의 셀들이 적층된 연료전지 스택으로, 반응 셀들 각각은 적어도 하나 이상의 절연 가스켓이 외측면으로 노출 형성된 반응 셀용 분리판을 가지고, 더미 셀은 적어도 하나 이상의 절연 가스켓이 외측면으로 노출 형성된 더미 셀용 분리판을 가지며, 서로 다른 형상으로 노출 형성된 식별 가스켓들에 의해 분리판의 식별이 가능한 연료전지 스택 및 이를 구성하기 위한 연료전지용 분리판이 소개된다.

Description

절연 가스켓을 갖는 연료전지용 분리판 및 이를 포함하는 연료전지 스택 {SEPARATOR FOR FUEL CELL WITH INSULATING GASKET AND FUEL CELL STACK HAVING THE SAME}
본 발명은 연료전지용 분리판 및 이를 포함하는 연료전지 스택에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 절연 가스켓을 갖는 연료전지용 분리판 및 이를 포함하는 연료전지 스택에 관한 것이다.
연료전지는 연료가 가지고 있는 화학 에너지를 스택 내에서 전기 화학적으로 반응시켜 전기 에너지로 변환하는 일종의 발전장치이다.
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(anode) 및 캐소드(cathode)로 구성되어 있다.
또한, 상기 막전극접합체의 바깥 부분, 즉 애노드 및 캐소드가 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.
한편, 종래에는 다수의 단위 셀들이 적층 형성된 연료전지 스택을 구성하고, 이 스택을 보호하기 위해 인클로저와 결합하는 방식이 이용되고 있다. 이러한 방식 에서는 스택과 인클로저 사이의 거리를 유지하여 스택 내 생성수로부터 절연을 유지시켜 스택을 안정적으로 구동하기 위한 절연 바가 설치될 수 있다.
한편, 스택 제작 시 또는 제작된 스택에 인클로저를 결합할 때 외부 충격으로 인해 분리판 외곽 변형이 발생하여 쇼트가 발생할 수 있는 문제가 있다.
또한, 효과적인 응축수 배출 및 셀 내부 생성수 유입을 저감시키기 위해, 더미셀을 포함하는 연료전지 스택을 구성할 수 있다.
한편, 이와 같이 더미셀을 포함하여 연료전지 스택을 구성하는 경우, 금속분리판의 반응셀에 대한 분리판과 더미셀의 분리판의 외곽 형상이 동일하여 공정 상의 혼입 가능성이 있다. 분리판의 혼입으로 인해, 오적층이 발생하는 경우, 스택 리페어시 재체결로 인한 스택 내구성 저하의 문제점이 발생할 수 있다.
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.
KR 10-1251254 B KR 10-2020-0068972 A
본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 연료전지에 사용되는 가스켓 일체형 분리판에 있어서, 분리판 외곽에 절연 가스켓을 형성하여 분리판과 인클로저 사이 절연을 강화하는 것에 그 목적이 있다.
또한, 본 발명에서는 분리판 외곽에 형성되는 가스켓의 형상에 있어서, 반응셀과 더미셀에 대한 분리판의 절연 가스켓에 대한 형상 차이를 부여함으로써, 분리판의 이동 과정 등에서, 분리판의 혼입 및 적층 시 분리판의 오적층을 방지하는데 또 다른 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 연료전지용 분리판으로, 분리판의 외측면에 적어도 하나 이상의 절연 가스켓이 노출 형성되는 연료전지용 분리판을 제공한다.
분리판은 인클로저의 내측을 향한 복수의 외측면들을 포함하고, 복수의 외측면들 각각에는 적어도 하나 이상의 절연 가스켓이 형성될 수 있다.
절연 가스켓은 인클로저와의 사이에 삽입되는 절연 바의 고정 위치와 대응되도록 미리 결정된 위치에 형성될 수 있다.
절연 가스켓은 분리판에 삽입 고정된 기밀 가스켓과 일체로 형성될 수 있다.
분리판의 외측면에 노출되도록 형성되는 식별 가스켓을 더 포함할 수 있다.
분리판은 반응 셀용 분리판이고, 반응 셀용 분리판의 식별 가스켓은 더미 셀용 분리판의 식별 가스켓의 형상과는 다른 제1 형상을 갖는 식별 가스켓일 수 있다.
반응 셀용 분리판의 식별 가스켓은 더미 셀용 분리판의 식별 가스켓과 서로 다른 길이를 갖도록 형성될 수 있다.
분리판은 더미 셀용 분리판이고, 더미 셀용 분리판의 식별 가스켓은 반응 셀용 분리판의 식별 가스켓의 형상과는 서로 다른 제2 형상을 갖는 식별 가스켓일 수 있다.
더미 셀용 분리판의 식별 가스켓은 반응 셀용 분리판의 식별 가스켓과 서로 다른 길이를 갖도록 형성될 수 있다.
절연 가스켓은 기밀 가스켓이 분리판으로부터 돌출된 높이 이하의 돌출된 높이를 갖도록 형성될 수 있다.
또한, 본 발명의 바람직한 구현예에 따르면, 복수의 반응 셀들과 하나 이상의 더미 셀을 포함하는 다수의 셀들이 적층된 연료전지 스택으로, 반응 셀들 각각은 적어도 하나 이상의 절연 가스켓이 외측면으로 노출 형성된 반응 셀용 분리판을 갖도록 이루어지는 연료전지 스택을 제공한다.
더미 셀은 적어도 하나 이상의 절연 가스켓이 외측면으로 노출 형성된 더미 셀용 분리판을 가질 수 있다.
반응 셀용 분리판의 절연 가스켓과 더미 셀용 분리판의 절연 가스켓은 인클로저와 내측에 삽입되는 절연 바의 고정 위치와 대응되도록 미리 결정된 위치에 형성될 수 있다.
반응 셀용 분리판의 절연 가스켓과 더미 셀용 분리판의 절연 가스켓은 각각의 분리판 내에 삽입 고정된 기밀 가스켓과 일체로 형성될 수 있다.
반응 셀용 분리판은 그 외측면에 노출되도록 형성되는 식별 가스켓을 더 포함할 수 있다.
더미 셀용 분리판은 그 외측면에 노출되도록 형성되는 식별 가스켓을 더 포함할 수 있다.
반응 셀용 분리판은 그 외측면에 노출되도록 형성되는 제1 형상을 갖는 제1 식별 가스켓을 포함하고, 더미 셀용 분리판은 그 외측면에 노출되도록 형성되며 제1 형상과는 다른 제2 형상을 갖는 제2 식별 가스켓을 포함할 수 있다.
본 발명의 바람직한 구현예에 따르면, 절연 가스켓이 일체로 형성되는 분리판을 제공함으로써, 제한된 공간 내에서 금속분리판과 인클로저 사이의 절연을 강화할 수 있으며, 외부 충격으로 부터 스택 외곽을 보호 할 수 있는 장점이 있다.
또한, 연료전지용 분리판에 일체로 형성되는 절연 가스켓의 형상과 관련, 반응셀에서의 절연 가스켓의 형상과 더미셀에서의 절연 가스켓의 형상을 시인가능한 수준에서 상이하게 제작함으로써, 반응셀에 대한 분리판과 더미셀에 대한 분리판의 혼입을 방지할 수 있는 효과가 있다. 따라서, 연료전지 스택 내 분리판 오적층을 방지할 수 있으므로, 스택 재체결로 인해 발생할 수 있는 품질 및 내구성 저하를 개선할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명의 바람직한 구현예에 따르면, 절연 가스켓이 스택 체결 시 스토퍼로 기능하여, 압축 하중에 의한 최외곽 셀의 과도한 압축을 방지할 수 있는 바, 균일한 셀피치를 갖는 연료전지 스택을 제작할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 연료전지 스택이 인클로저에 수납된 것을 보여주는 사시도이고,
도 2는 도 1의 A-A' 단면을 도시한 단면도이고,
도 3은 본 발명의 바람직한 구현예에 따른 절연 가스켓을 갖는 연료전지용 분리판의 정면도이고,
도 4는 본 발명의 바람직한 구현예에 따른 절연 가스켓을 갖는 연료전지용 분리판이 인클로저 내에 결합된 것을 보여주는 단면도이고,
도 5는 도 3의 B-B' 단면을 도시한 단면도이고,
도 6a는 본 발명의 제1실시예에 따른 반응셀용 분리판을 도시한 것이고, 도 6b는 본 발명의 제1실시예에 따른 더미셀용 분리판을 도시한 것이며,
도 7은 제1실시예에 따른 도 6a의 분리판과 도 6b의 분리판을 포함하는 연료전지 스택의 측면도를 개념적으로 도시한 것이고,
도 8a는 본 발명의 제2실시예에 따른 반응셀용 분리판을 도시한 것이고, 도 8b는 본 발명의 제2실시예에 따른 더미셀용 분리판을 도시한 것이며,
도 9는 제2실시예에 따른 도 8a의 분리판과 도 8b의 분리판을 포함하는 연료전지 스택의 측면도를 개념적으로 도시한 것이고,
도 10a는 본 발명의 제3실시예에 따른 반응셀용 분리판을 도시한 것이고, 도 10b는 본 발명의 제3실시예에 따른 더미셀용 분리판을 도시한 것이며,
도 11은 제3실시예에 따른 도 10a의 분리판과 도 10b의 분리판을 포함하는 연료전지 스택의 측면도를 개념적으로 도시한 것이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 구현예에 따른 절연 가스켓을 갖는 연료전지용 분리판 및 이를 포함하는 연료전지 스택을 상세히 설명한다.
도 1은 연료전지 스택이 인클로저에 수납된 것을 보여주는 사시도이고, 도 2는 도 1의 A-A' 단면을 도시한 단면도이다. 일반적으로, 연료전지는 충분한 전력 생산을 위해, 단위 셀들이 복수 개 적층된 연료전지 스택으로 이루어진다. 이러한 단위 셀들은 고분자 전해질막을 포함하는 막전극 접합체(MEA)와, 막전극 접합체의 일면과 타면에 각각 접촉되는 한 쌍의 기체확산층들, 그리고 기체확산층들의 외면에 각각 접촉되는 한 쌍의 분리판을 포함하여 이루어질 수 있다. 본 발명의 경우, 위와 같은 단위 셀들이 적층된 고분자 전해질막 연료전지를 예시로 설명하고 있으나, 분리판과 가스켓을 포함하는 연료전지라면 이에 제한되지 않는다.
연료전지 스택의 단위 셀에 포함되는 분리판으로는 금속 분리판이 사용될 수 있으며, 이 분리판에는 수소, 공기, 냉각수 공급될 수 있도록 각각에 대한 채널이 형성될 수 있다. 또한, 금속 분리판 내의 반응가스들과 냉각수에 대한 기밀성을 제공하고, 적층된 단위 셀들에 대한 적절한 체결압을 제공하기 위한 가스켓이 분리판에 설치될 수 있다. 이러한 분리판의 경우, 인서트 사출과 같은 방식을 통해 분리판에 일체로 형성될 수 있다.
한편, 단위 셀들이 적층된 연료전지 스택을 보호할 수 있도록 인클로저가 제공되며, 연료전지 스택은 인클로저 내부에 수납된다. 도 1에 도시된 바와 같이, 연료전지 스택이 내부에 수납된 인클로저(30)는 엔드 플레이트(E)에 의해 가압된 상태로 체결 고정될 수 있다.
이와 관련, 도 2에서는 도 1의 A-A' 단면을 도시하고 있는 것으로, 도 2에 도시된 바와 같이, 인클로저와 연료전지 스택 사이에는 절연 바(21, 22, 23, 24, 25)가 삽입 고정된다. 이러한 절연 바(21, 22, 23, 24, 25)는 스택(10)과 인클로저(30) 사이의 이격 거리를 유지해줌으로써, 스택 내 생성수로부터 절연을 유지시키며 연료전지 스택이 안정적으로 구동될 수 있도록 기능한다.
한편, 본 발명의 바람직한 구현예에 따르면, 연료전지용 분리판에 절연 가스켓을 추가로 설치하고, 이 절연 가스켓이 분리판의 외측면으로 노출되어 형성되는 가스켓 일체형 분리판(100)을 제공하는 것에 특징이 있다.
이와 관련, 도 3에서는 본 발명의 바람직한 구현예에 따른 절연 가스켓을 갖는 연료전지용 분리판의 구성을 개략적으로 도시하고 있는 것이다. 도 3은 일체형 분리판의 예시로, 이러한 분리판(110)의 수소, 공기, 냉각수에 대한 입구 매니폴드 및 출구 매니폴드를 개략적으로 도시하고 있으며, 분리판(110) 내부에 형성된 유로는 생략된 상태로 도시된 것이다. 또한, 도 3의 예의 경우, 본 발명의 본질적인 특징을 설명하기 위해 필요한 분리판의 기본적인 형태 및 가스켓만을 중심으로 도시한 것에 불과하며, 본 발명의 본질적인 특징과 관련이 없는 부분, 예를 들어, 분리판의 외곽 형상, 입구/출구 매니폴드 형상 등 세부적인 구조는 변경될 수 있음을 미리 밝혀둔다.
도 3의 예를 참조하면, 본 발명의 바람직한 구현예에 따른 연료전지용 분리판은 일반적인 분리판과 가스켓 구조와 유사하게, 기밀 성능을 제공하기 위한 기밀 가스켓(120)이 분리판(110) 상에 일체로 형성될 수 있다. 이러한 기밀 가스켓(120)의 경우, 종래 기술에서와 같이, 인서트 사출에 의해 분리판(110) 상에 일체로 형성될 수 있으며, 도 3에서와 같이, 유체가 이동하는 영역을 충분히 차폐할 수 있도록, 입구 매니폴드, 출구 매니폴드 및 내부 유로 등의 주변을 완전히 차단할 수 있도록 형성될 수 있다. 한편, 도 3에서는 분리판과 가스켓이 일체로 형성된 것을 예시하고 있으나, 이러한 예에 한정되는 것은 아니며, 예를 들어, 분리판과 가스켓이 별물로 제작되어 분리판에 가스켓이 부착되는 예의 경우에도 마찬가지로 적용될 수 있다.
또한, 본 발명의 바람직한 구현예에 따르면, 분리판의 외측면에 적어도 하나의 절연 가스켓이 노출 형성되는 것에 특징이 있다. 이러한 절연 가스켓은 분리판에 삽입 고정된 기밀 가스켓과 일체로 성형되는 것일 수 있다.
분리판의 외측면에 대한 형상과 관련, 인클로저의 내측을 향해 구분 가능한 복수의 외측면들을 포함하는 경우라면, 복수의 외측면들 각각에는 적어도 하나 이상의 절연 가스켓(131, 132, 133, 135, 136, 137)이 형성되는 것이 바람직하다. 이와 관련, 구분가능한 외측면이라 함은, 곡면으로 이루어진 영역을 제외하고 외측면이 직선의 선형을 이루는 외측면을 의미할 수 있다.
도 3의 예의 경우, 대체로 4각형의 형상을 갖는 분리판을 예시하고 있으며, 4각형의 외측면에 각각 적어도 하나의 절연 가스켓(131, 132, 133, 135, 136, 137)이 형성될 수 있다. 다만, 이는 하나의 예시일 뿐이며, 특정한 하나의 외측면에만 절연 가스켓이 형성되는 예 또한 고려될 수 있다. 다만, 분리판의 형상에 따라 각각의 외측면에 대하여 인클로저와의 이격 거리를 제공하여야만 충분한 절연 성능을 제공할 수 있다. 따라서, 본 발명의 바람직한 일 구현예에 따르면, 모든 구분 가능한 외측면들 상에 적어도 하나의 절연 가스켓이 포함되도록 구성하는 것이 바람직하다.
이러한 절연 가스켓의 경우, 절연성능을 제공하기 위한 것으로, 그 형상이 특별하게 제한되는 것은 아니나, 분리판의 외측면으로 노출되는 부분이 평면형으로 구성되는 것이 바람직하다. 또한, 앞서 설명한 바와 같이, 절연 가스켓은 기밀 가스켓과 일체로 성형될 수 있는 바, 도 3의 예에서와 같이, 절연 가스켓은 기밀 가스켓의 일단부로부터 연장 형성되는 'ㄱ' 자 형태를 갖는 가스켓일 수 있다. 또한, 도 3의 도면부호 134와 같이 'T'자 형태를 갖는 가스켓일 수 있으며, 도면부호 136과 같이 'U'자 형태의 가스켓일 수 있다. 특히, 도 3에서는 절연 가스켓과 기밀 가스켓의 식별의 편의를 위해, 각각의 구성들을 분리하여 표시하고 있으나, 이는 절연 가스켓과 기밀 가스켓이 물리적으로 분리된 별개의 구성임을 의미하는 것은 아니다. 따라서, 절연 가스켓과 기밀 가스켓은 동시에 사출되어 일체로 형성된 가스켓일 수 있다.
도 4는 본 발명의 바람직한 구현예에 따른 절연 가스켓을 갖는 연료전지용 분리판이 인클로저 내에 결합된 것을 보여주는 단면도이다. 도 4에서는 도 2에서와 동일한 위치에 절연 바가 설치된 예이다. 본 발명의 바람직한 구현예에 따르면, 가스켓 일체형 분리판(100)의 절연 가스켓(131, 132, 133, 135, 136, 137)은 인클로저(900)와의 사이에 삽입되는 절연 바(901, 902, 903, 904, 905)의 고정 위치와 대응되도록 미리 결정된 위치에 형성될 수 있다. 이와 같은 경우, 절연 가스켓은 절연 바의 절연 기능을 강화할 수 있다. 한편, 절연 가스켓의 폭 방향 두께를 충분히 두껍게 형성하는 경우, 절연 바의 기능을 대체할 수도 있다.
절연 가스켓은 기밀 성능을 제공하기 위한 것이 아니며, 기밀 가스켓에 의한 기밀성을 제한하지 않아야 한다. 이와 관련, 도 5는 도 3의 B-B' 단면을 도시한 단면도로, 도 5에서는 절연가스켓(133)과 기밀 가스켓(120)의 높이 차를 둠으로써, 기밀 가스켓(120)의 기밀성능이 제한되지 않는 것을 보여주고 있다. 이를 위해, 절연 가스켓(133)은 기밀 가스켓(120)이 분리판으로부터 돌출된 높이 이하의 돌출된 높이를 갖도록 형성될 수 있다.
구체적으로, 분리판의 상면을 기준으로, 도 5에 도시된 기밀 가스켓(120)의 높이(h1)는 절연 가스켓(133)의 높이(h2) 보다 더 큰 값을 갖도록 구성할 수 있다. 이와 같이 양 가스켓들 간의 높이차를 둠에 따라 스택에 제공되는 가압력에 의해 기밀 가스켓(120)이 우선적으로 압축되면서 충분한 기밀 성능을 확보할 수 있도록 구성될 수 있다.
또한, 본 발명의 바람직한 일 구현예에 따른 분리판에서는, 분리판(110)의 외측면에 노출되도록 형성되는 식별 가스켓(134)을 더 포함할 수 있다. 식별 가스켓(134)은 반응셀용 분리판과 더미 셀용 분리판을 구분하여 식별하기 위한 것으로, 분리판 외측으로 노출된 가스켓의 형상 차이에 의해 반응 셀용 분리판과 더미 셀용 분리판을 구분할 수 있도록 구성된다. 본 발명에서, 반응 셀용 분리판이라 함은 반응가스에 의해 발전을 수행하는 반응 셀에 적용될 수 있도록, 반응가스 등의 유출입구가 형성된 분리판을 의미하는 것으로, 예를 들어 캐소드용 분리판(CP) 또는 애노드용 분리판(AP)일 수 있다. 한편, 더미 셀용 분리판이라 함은 발전에 관여하지 않는 더미 셀에 적용되는 분리판을 의미하는 것으로, 예를 들어 엔드 캐소드 분리판(ECP) 또는 엔드 애노드 분리판(EAP)일 수 있다.
또한, 이러한 식별 가스켓은 절연 가스켓처럼 절연 기능을 가지는 것일 수 있으며, 절연 기능이 없는 것, 예를 들어, 인클로저 내측벽 또는 인클로저와의 사이에 삽입되는 절연 바와 접촉하지 않는 별도의 구성일 수도 있다. 따라서, 본 발명의 일 실시예에서는 절연 가스켓 중 어느 하나 이상의 가스켓들이 식별 가스켓으로 기능할 수도 있으며, 또 다른 실시예에서는 절연 가스켓과는 별도의 식별 가스켓을 포함할 수도 있다. 다만, 절연 기능을 갖는 식별 가스켓에 대한 형상의 차이를 둘 경우, 인클로저 측과 접합되는 영역에서 가압력이 분포되어 셀 가압력이 일정하지 않게 될 수 있으므로, 식별 가스켓에는 절연 기능을 부여하지 않는 것이 보다 바람직할 수 있다.
도 3의 예에서는 도면부호 134가 식별 가스켓이며, 이러한 도 3의 식별 가스켓은 절연 가스켓으로는 기능하지 않는 것이다(도 4 참조).
식별 가스켓에 의해 반응 셀용 분리판과 더미 셀용 분리판을 구분할 수 있도록 구성된 예는 도 6a, 도 6b에 도시되어 있다. 도 6a는 본 발명의 제1실시예에 따른 반응셀용 가스켓 일체형 분리판(200)을 도시한 것이고, 도 6b는 본 발명의 제1실시예에 따른 더미셀용 가스켓 일체형 분리판(300)을 도시한 것이다.
도 6a와 도 6b의 경우, 반응 셀용 분리판(210)과 더미 셀용 분리판(310) 모두에 각각 식별 가스켓이 형성된 예를 나타낸 것으로, 각각의 경우 식별 가스켓의 형상, 구체적으로 식별 가스켓의 길이가 서로 다르게 형성된 예이다.
먼저, 도 6a에서의 반응 셀용 분리판(210)의 경우, 도 3의 분리판의 구조와 기본적으로 동일하다. 예를 들어, 도 6a의 절연 가스켓(231, 232, 233, 235, 236, 237)은 앞서 도 3의 절연 가스켓(131, 132, 133, 135, 136, 137)과 위치 및 형상이 동일하다. 다만, 도 6a의 식별 가스켓(234)의 경우, 도 3의 식별 가스켓(134)에 비하여 더 긴 길이를 갖도록 형성된다.
한편, 도 6b에서의 더미 셀용 분리판(310)의 경우, 도 3의 분리판의 구조와 완전히 동일한 예에 해당된다. 도 6b의 절연 가스켓(331, 332, 333, 335, 336, 337)은 앞서 도 3의 절연 가스켓(131, 132, 133, 135, 136, 137)과 위치 및 형상이 동일하고, 도 6b의 식별 가스켓(334)의 길이(L2)는 도 3의 식별 가스켓(134)의 길이와 동일하다. 따라서, 도 6b의 식별 가스켓(334) 길이(L2)는 도 6a의 식별 가스켓(234) 길이(L1)에 비해 더 짧다. 이러한 길이 차이는 작업자 또는 공정 내의 설비에서 가스켓의 길이 차이에 따라 반응 셀용 분리판과 더미 셀용 분리판을 쉽게 식별할 수 있을 정도의 길이 차이를 가지는 것이 바람직하다. 또한, 이러한 길이의 차이는 식별 가스켓에 의한 구분이 가능한 하나의 예시일 뿐이며, 이와는 다른 형태적인 차이 또한 적용 가능하다.
예를 들어, 반응 셀용 분리판의 식별 가스켓은 제1 형상을 갖는 식별 가스켓일 수 있으며, 더미 셀용 분리판의 식별 가스켓은 반응 셀용 분리판의 식별 가스켓의 형상과는 다른 제2 형상을 갖는 식별 가스켓일 수 있다.
도 7은 제1실시예에 따른 도 6a의 분리판과 도 6b의 분리판을 포함하는 연료전지 스택의 측면도를 개념적으로 도시한 것으로, 도 7을 참고하면 식별 가스켓의 길이 차이에 의해 분리판 오적층을 쉽게 확인할 수 있다. 즉, 도 7에서와 같이, 적층된 연료전지 스택에서, 더미 셀 구간과 반응 셀 구간은 명백하게 구분되는 바, 상이한 길이를 갖는 식별 가스켓이 위치한 분리판의 측면 적층 형상을 확인함으로써, 간단하게 분리판 오적층을 확인 가능하다.
구체적으로, 도 7을 참조하면, 반응 셀의 구간에 있어서, 막전극 접합체와 기체확산층이 조합된 EGA(Electricity-Generating Assembly, 240)의 상하로는 기밀 가스켓(220)이 일체로 형성된 분리판(210)이 적층되며, 이 분리판의 외측면에는 제1 길이를 갖는 식별 가스켓(234)가 노출된다. 반면, 더미 셀의 구간의 경우, 반응가스를 통해 발전이 이루어지지 않는 구역이므로, EGA는 포함되지 않으며, 제1 길이 보다 짧은 제2 길이를 갖는 식별 가스켓(334)이 노출된 분리판(310)이 기밀 가스켓(320)과 함께 적층될 수 있다. 도 7에서와 같이, 반응 셀용 분리판의 식별 가스켓(234)는 더미 셀용 분리판의 식별 가스켓(334)와는 서로 다른 길이를 가지므로, 스택 정렬 상태로부터 즉각적으로 오적층 여부를 확인할 수 있을 뿐만 아니라, 분리판의 이송 과정에서 잘못 분류된 분리판을 추출할 수 있다. 참고로, 도면 우측에 일렬로 정렬된 구성은 절연 가스켓(235, 335)이고, 상하로 엔드 플레이트(E)가 설치되어 있다. 이와 같은 구성을 갖는 연료전지 스택에 따르면, 금속 분리판 제작 시, 분리판 외곽의 식별 가스켓의 형상 차이를 둠으로써, 반응 셀용 분리판과 더미 셀용 분리판의 식별 및 혼입 방지가 가능하며, 분리판 혼입으로 인한 스택 분해 및 재체결을 방지할 수 있는 효과가 있다. 또한, 스택의 부피 변화가 거의 없기 때문에, 한정된 레이아웃에서 스택과 인클로저 사이의 절연성을 증대하며, 외부 충격으로부터 스택 외곽을 보호할 수 있는 장점이 있다. 또한, 스택의 체결 시 압축하중에 의해 최외곽 셀의 과도한 압축을 방지할 수 있으며, 외측으로 노출된 가스켓이 스토퍼로 기능함에 따라 균일한 셀 피치를 가질 수 있는 효과를 제공할 수 있다.
이하, 본 발명의 또 다른 실시예에 관해서 첨부된 도면을 참조하여 설명한다.
도 8a는 본 발명의 제2실시예에 따른 반응셀용 가스켓 일체형 분리판(400)을 도시한 것이고, 도 8b는 본 발명의 제2실시예에 따른 더미셀용 가스켓 일체형 분리판(500)을 도시한 것이다.
도 8a 및 도 8b의 예에서는 앞서 도 6a, b의 예에서와는 달리, 더미 셀용 분리판(510)에만 식별 가스켓이 형성되어 있는 반면, 반응 셀용 분리판(410)에는 식별 가스켓이 형성되어 있지 않은 예를 도시하고 있다.
먼저, 도 8a에서의 반응 셀용 분리판(410)의 경우, 도 8a의 절연 가스켓(431, 432, 433, 435, 436, 437)은 앞서 도 3의 절연 가스켓(131, 132, 133, 135, 136, 137)과 위치 및 형상이 동일하다. 다만, 도 8a의 분리판(410)은 식별 가스켓을 포함하고 있지 않다.
한편, 도 8b에서의 더미 셀용 분리판(510)의 경우, 도 3의 절연 가스켓(131, 132, 133, 135, 136, 137)과 동일한 위치 및 형상을 갖는 절연 가스켓(531, 532, 533, 535, 536, 537)을 포함한다. 또한, 도 8b의 더미 셀용 분리판(510)에서는 서로 마주 보는 두 개의 외측면 상에 식별 가스켓(534, 538)이 각각 형성되어 있다. 따라서, 더미 셀용 분리판(510)은 반응 셀용 분리판(410)과 식별 가스켓(534, 538) 유무에 의해 식별이 가능하다.
도 9는 제2실시예에 따른 도 8a의 분리판과 도 8b의 분리판을 포함하는 연료전지 스택의 측면도를 개념적으로 도시한 것이다.
도 9를 참조하면, 반응 셀의 구간에 있어서, 막전극 접합체와 기체확산층이 조합된 EGA(Electricity-Generating Assembly, 440)의 상하로는 기밀 가스켓(420)이 일체로 형성된 분리판(410)이 적층되며, 이러한 반응 셀용 분리판의 외측면에는 식별 가스켓이 형성되어 있지 않다. 반면, 더미 셀의 구간의 경우, 식별 가스켓(534)이 노출된 분리판(510)이 기밀 가스켓(520)과 함께 적층될 수 있다. 도 9에서와 같이, 더미 셀용 분리판은 식별 가스켓(534) 유무에 따라 반응 셀용 분리판과 구분가능하며, 따라서 스택 정렬 상태로부터 즉각적으로 오적층 여부를 확인할 수 있다. 참고로, 미설명 부호, '435', '535'는 절연 가스켓이고, 도면 부호 'E'는 엔드 플레이트이다.
더미 셀용 분리판에만 식별 가스켓이 형성되어 있는 경우, 스택 적층 체결시 외곽으로 갈수록 중앙 셀 대비 상대적으로 많은 압력이 인가되게 된다. 더미 셀용 분리판에 식별 가스켓을 적용하는 경우, 균일한 셀피치를 가지는 스토퍼 역할을 할 수 있으므로, 외곽 셀의 과도한 압축을 방지할 수 있다.
도 10a는 본 발명의 제3실시예에 따른 반응셀용 가스켓 일체형 분리판(600)을 도시한 것이고, 도 10b는 본 발명의 제3실시예에 따른 더미셀용 가스켓 일체형 분리판(700)을 도시한 것이다.
도 10a 및 도 10b의 예에서는 앞서 도 8a, 8b의 예와는 반대로, 반응 셀용 분리판(610)에만 식별 가스켓을 형성하고, 더미 셀용 분리판(710)에는 식별 가스켓을 형성하지 않은 예를 도시하고 있다.
먼저, 도 10a에서의 반응 셀용 분리판(610)의 경우, 도 10a의 절연 가스켓(631, 632, 633, 635, 636, 637)은 앞서 도 8b의 더미 셀용 분리판의 절연 가스켓(531, 532, 533, 535, 536, 537)과 동일하다. 또한, 도 10a의 반응 셀용 분리판(610)에서는, 도 8b의 더미 셀용 분리판(510)에서와 같이, 서로 마주 보는 두 개의 외측면 상에 식별 가스켓(634, 638)이 각각 형성되어 있다.
한편, 도 10b에서의 더미 셀용 분리판(710)의 경우, 도 8a의 반응 셀용 분리판(410)의 구성과 실질적으로 동일하다. 따라서, 도 10b의 더미 셀용 분리판(710)에서는 절연 가스켓(731, 732, 733, 735, 736, 737)만을 포함하며, 별도의 식별 가스켓이 형성되어 있지 않다. 따라서, 반응 셀용 분리판(610)은 식별 가스켓 유무에 의해 더미 셀용 분리판(710)과 식별이 가능하다.
도 11은 제3실시예에 따른 도 10a의 분리판과 도 10b의 분리판을 포함하는 연료전지 스택의 측면도를 개념적으로 도시한 것이다.
도 11을 참조하면, 반응 셀의 구간에 있어서, 막전극 접합체와 기체확산층이 조합된 EGA(Electricity-Generating Assembly, 640)의 상하로는 기밀 가스켓(620)이 일체로 형성된 분리판(610)이 적층되며, 이러한 반응 셀용 분리판의 외측면에는 식별 가스켓(634)가 형성되어 있다. 반면, 더미 셀의 구간의 경우, 식별 가스켓이 형성되지 않은 분리판(710)이 기밀 가스켓(720)과 함께 적층될 수 있다. 도 9에서와 같이, 반응 셀용 분리판은 식별 가스켓(634) 유무에 따라 더미 셀용 분리판과 구분가능하며, 따라서 스택 정렬 상태로부터 즉각적으로 오적층 여부를 확인할 수 있다. 참고로, 미설명 부호, '635', '735'는 절연 가스켓이고, 도면 부호 'E'는 엔드 플레이트이다.
반응 셀용 분리판은 실제 전기화학 반응이 발생하는 분리판으로 각 셀들이 균일한 성능이 나오는 것이 중요하다. 각 셀들은 셀 피치에 의해 성능 편차가 발생할 수 있는데, 반응 셀용 분리판에 형성된 식별 가스켓이 스토퍼로 기능함에 따라 각 셀들이 균일한 셀피치를 가질 수 있다.
본 발명의 특정한 실시예에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 이하의 특허청구범위에 의해 제공되는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 한도 내에서, 본 발명이 다양하게 개량 및 변화될 수 있다는 것은 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.
100: 가스켓 일체형 분리판
110: 분리판 120: 기밀 가스켓
131, 132, 133, 135, 136, 137: 절연 가스켓
134: 식별 가스켓
900: 인클로저
901, 902, 903, 904, 905: 절연 바

Claims (17)

  1. 연료전지용 분리판으로,
    분리판의 외측면에 적어도 하나 이상의 절연 가스켓이 노출 형성되는 연료전지용 분리판.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 분리판은 인클로저의 내측을 향한 복수의 외측면들을 포함하고,
    상기 복수의 외측면들 각각에는 적어도 하나 이상의 절연 가스켓이 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 절연 가스켓은 인클로저와의 사이에 삽입되는 절연 바의 고정 위치와 대응되도록 미리 결정된 위치에 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 절연 가스켓은 상기 분리판에 삽입 고정된 기밀 가스켓과 일체로 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 분리판의 외측면에 노출되도록 형성되는 식별 가스켓을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 분리판은 반응 셀용 분리판이고,
    상기 반응 셀용 분리판의 식별 가스켓은 더미 셀용 분리판의 식별 가스켓의 형상과는 다른 제1 형상을 갖는 식별 가스켓인 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 반응 셀용 분리판의 식별 가스켓은 상기 더미 셀용 분리판의 식별 가스켓과 서로 다른 길이를 갖도록 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판.
  8. 청구항 5에 있어서,
    상기 분리판은 더미 셀용 분리판이고,
    상기 더미 셀용 분리판의 식별 가스켓은 반응 셀용 분리판의 식별 가스켓의 형상과는 서로 다른 제2 형상을 갖는 식별 가스켓인 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 더미 셀용 분리판의 식별 가스켓은 상기 반응 셀용 분리판의 식별 가스켓과 서로 다른 길이를 갖도록 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판.
  10. 청구항 4에 있어서,
    상기 절연 가스켓은 상기 기밀 가스켓이 상기 분리판으로부터 돌출된 높이 이하의 돌출된 높이를 갖도록 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판.
  11. 복수의 반응 셀들과 하나 이상의 더미 셀을 포함하는 다수의 셀들이 적층된 연료전지 스택으로,
    상기 반응 셀들 각각은 적어도 하나 이상의 절연 가스켓이 외측면으로 노출 형성된 반응 셀용 분리판을 갖도록 이루어지는 연료전지 스택.
  12. 청구항 11에 있어서,
    상기 더미 셀은 적어도 하나 이상의 절연 가스켓이 외측면으로 노출 형성된 더미 셀용 분리판을 가지는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택.
  13. 청구항 12에 있어서,
    상기 반응 셀용 분리판의 절연 가스켓과 상기 더미 셀용 분리판의 절연 가스켓은 인클로저와 내측에 삽입되는 절연 바의 고정 위치와 대응되도록 미리 결정된 위치에 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택.
  14. 청구항 12에 있어서,
    상기 반응 셀용 분리판의 절연 가스켓과 상기 더미 셀용 분리판의 절연 가스켓은 각각의 분리판 내에 삽입 고정된 기밀 가스켓과 일체로 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택.
  15. 청구항 12에 있어서,
    상기 반응 셀용 분리판은 그 외측면에 노출되도록 형성되는 식별 가스켓을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택.
  16. 청구항 12에 있어서,
    상기 더미 셀용 분리판은 그 외측면에 노출되도록 형성되는 식별 가스켓을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택.
  17. 청구항 12에 있어서,
    상기 반응 셀용 분리판은 그 외측면에 노출되도록 형성되는 제1 형상을 갖는 제1 식별 가스켓을 포함하고,
    상기 더미 셀용 분리판은 그 외측면에 노출되도록 형성되며 상기 제1 형상과는 다른 제2 형상을 갖는 제2 식별 가스켓을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택.
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