KR20230069721A - Electrochemical hydrogen compressor - Google Patents
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Abstract
본 발명의 일 측면에 따른 전기화학식 수소압축기는, 캐소드 및 애노드를 포함하는 막-전극접합체, 상기 애노드측에 배치되어, 상기 애노드로 수소를 공급하는 애노드측 분리판, 상기 캐소드측에 배치되어, 상기 캐소드로부터 수소를 배출하는 캐소드측 분리판, 상기 애노드측 분리판 및 상기 캐소드측 분리판의 양단에 각각 배치되는 한 쌍의 엔드플레이트 및 상기 막-전극접합체와 상기 애노드측 분리판 및 상기 캐소드측 분리판 사이에 위치하여, 수소가 누출되는 것을 방지하는 가스켓을 포함하며, 상기 가스켓은, 요철을 갖는 내주면을 포함하는 링형상일 수 있다.An electrochemical hydrogen compressor according to an aspect of the present invention includes a membrane-electrode assembly including a cathode and an anode, an anode-side separator disposed on the anode side and supplying hydrogen to the anode, and disposed on the cathode side, a pair of end plates respectively disposed on both ends of the cathode-side separator, the anode-side separator, and the cathode-side separator, the membrane-electrode assembly, the anode-side separator, and the cathode-side separator for discharging hydrogen from the cathode; It includes a gasket positioned between the separator plates to prevent hydrogen from leaking, and the gasket may have a ring shape including an inner circumferential surface having irregularities.
Description
본 발명은 전기화학식 수소압축기에 관한 것이다.The present invention relates to an electrochemical hydrogen compressor.
수소차는 수소와 산소의 화학반응을 통해 자체 전기를 생산하고 모터를 구동하여 주행하도록 구성된다. 따라서, 수소차는 수소(H2)가 저장되는 수소탱크(H2 Tank), 수소와 산소(O2)의 산화환원반응을 통해 전기를 생산해내는 스택(FC STACK: Fuel Cell Stack), 생성된 물을 배수하기 위한 각종 장치들뿐만 아니라 스택에서 생산된 전기를 저장하는 배터리, 생산된 전기를 변환 및 제어하는 컨트롤러, 구동력을 생성하는 모터 등을 포함하는 구조를 갖는다.A hydrogen car generates its own electricity through a chemical reaction between hydrogen and oxygen and is configured to drive by driving a motor. Therefore, a hydrogen car has a hydrogen tank (H2 Tank) in which hydrogen (H2) is stored, a stack (FC STACK: Fuel Cell Stack) that generates electricity through the oxidation-reduction reaction of hydrogen and oxygen (O2), and a system for draining the generated water. It has a structure including a battery for storing electricity generated in the stack, a controller for converting and controlling the generated electricity, a motor for generating driving force, and the like, as well as various devices for the stack.
이중, 스택은 수십 또는 수백 개의 셀을 직렬로 쌓아 올린 연료전지 본체를 일컫는 장치로써, 엔드플레이트들 사이에 복수개의 셀이 적층된 구조를 갖되, 각각의 셀의 내부는 전해질막으로 구획되고 일측은 애노드 타측은 캐소드가 마련된다. 각각의 셀들 사이에는 분리판이 배치되어 수소와 산소의 유동 경로를 제한하며 상기 분리판은 산화환원 반응시 전자를 이동시키도록 전도체로 제조된다.Among them, a stack refers to a fuel cell body in which tens or hundreds of cells are stacked in series, and has a structure in which a plurality of cells are stacked between end plates, and the inside of each cell is partitioned with an electrolyte membrane, and one side is The other side of the anode is provided with a cathode. A separator is disposed between each cell to limit the flow path of hydrogen and oxygen, and the separator is made of a conductor to move electrons during a redox reaction.
수소차에 수소를 공급하기 위해서는 수소충전기가 필요하다. 수소충전기는 수소를 저장하는 수소탱크와 수소차로 수소를 공급하기 위한 공급장치를 포함한다. 또한, 수소충전기는 수소를 압축시키기 위한 수소압축기를 포함할 수 있다.A hydrogen charger is needed to supply hydrogen to a hydrogen car. The hydrogen charger includes a hydrogen tank for storing hydrogen and a supply device for supplying hydrogen to a hydrogen vehicle. In addition, the hydrogen charger may include a hydrogen compressor for compressing hydrogen.
이와 같은 수소충전기용 수소압축기로서 종래에 다양한 기계식 유체압축기를 이용할 수 있다. 기계식 수소압축기는 구동력을 제공받아 운동하는 부재를 포함한다. 때문에, 기계식 수소압축기가 작동시 운동 부재의 진동과 그로 인한 소음이 발생되는 문제점이 존재하였다. 또한, 이와 같은 기계식 수소압축기는 비싸고, 운동 부재 부품에서 마모가 발생하는 등의 문제점이 존재하였다. 이에 따라, 기계식 수소압축기보다 소음 및 진동이 적고 유지 보수 측면에서 유리한 전기화학식 수소압축기가 활용될 수 있다.As such a hydrogen compressor for a hydrogen charger, various conventional mechanical fluid compressors can be used. The mechanical hydrogen compressor includes a member that moves by receiving a driving force. Therefore, when the mechanical hydrogen compressor is operated, there is a problem of vibration of the moving member and noise caused by it. In addition, such mechanical hydrogen compressors are expensive, and there are problems such as wear and tear on moving parts. Accordingly, an electrochemical hydrogen compressor having less noise and vibration than a mechanical hydrogen compressor and being advantageous in terms of maintenance can be utilized.
다만, 전기화학식 수소압축기는 기계식 수소압축기에 비해 고압에서 운전되는 바, 연료전지와 동일한 원형 가스켓(Gasket)을 사용할 경우 가스켓이 변형되어 씰링(Sealing)이 원활하게 이루어지지 않고 수소 기체의 누설이 발생하는 문제점이 있다.However, electrochemical hydrogen compressors are operated at higher pressures than mechanical hydrogen compressors. If the same circular gaskets as fuel cells are used, the gaskets are deformed, sealing is not performed smoothly and hydrogen gas leaks. There is a problem with
상기 문제를 해결하기 위하여, 본 발명의 목적은 가스켓의 내부에서 발생하는 응력을 분산시켜 외곽 변형을 감소시킬 수 있는 전기화학식 수소압축기를 제공하는 것이다.In order to solve the above problem, an object of the present invention is to provide an electrochemical hydrogen compressor capable of reducing external deformation by dispersing stress generated inside a gasket.
본 발명의 일 측면에 따른 전기화학식 수소압축기는, 캐소드 및 애노드를 포함하는 막-전극접합체, 상기 애노드측에 배치되어, 상기 애노드로 수소를 공급하는 애노드측 분리판, 상기 캐소드측에 배치되어, 상기 캐소드로부터 수소를 배출하는 캐소드측 분리판, 상기 애노드측 분리판 및 상기 캐소드측 분리판의 양단에 각각 배치되는 한 쌍의 엔드플레이트 및 상기 막-전극접합체와 상기 애노드측 분리판 및 상기 캐소드측 분리판 사이에 위치하여, 수소가 누출되는 것을 방지하는 가스켓을 포함하며, 상기 가스켓은, 요철을 갖는 내주면을 포함하는 링형상일 수 있다. An electrochemical hydrogen compressor according to an aspect of the present invention includes a membrane-electrode assembly including a cathode and an anode, an anode-side separator disposed on the anode side and supplying hydrogen to the anode, and disposed on the cathode side, a pair of end plates respectively disposed on both ends of the cathode-side separator, the anode-side separator, and the cathode-side separator, the membrane-electrode assembly, the anode-side separator, and the cathode-side separator for discharging hydrogen from the cathode; It includes a gasket positioned between the separator plates to prevent hydrogen from leaking, and the gasket may have a ring shape including an inner circumferential surface having irregularities.
상기 내주면은, 상기 가스켓의 중심을 향해 돌출된 돌출부 및 상기 돌출부에 연결되어, 상기 돌출부의 반대방향으로 함몰된 홈부를 포함하며, 상기 돌출부 및 상기 홈부가 등간격으로 반복 배치될 수 있다.The inner circumferential surface includes a protrusion protruding toward the center of the gasket and a groove connected to the protrusion and recessed in an opposite direction to the protrusion, and the protrusion and the groove may be repeatedly disposed at equal intervals.
상기 돌출부 및 상기 홈부는, 반원형상일 수 있다.The protruding portion and the groove portion may have a semicircular shape.
상기 돌출부 및 상기 홈부의 반지름은 0.3mm~0.5mm일 수 있다.A radius of the protruding portion and the groove portion may be 0.3 mm to 0.5 mm.
상기 돌출부 및 상기 홈부는, 상기 반지름이 동일할 수 있다.The protrusion and the groove may have the same radius.
상기 가스켓은, 상기 가스켓의 최대 두께인 제1 두께가 상기 반지름의 10~20배일 수 있다.In the gasket, the first thickness, which is the maximum thickness of the gasket, may be 10 to 20 times the radius.
상기 가스켓은, 상기 가스켓의 최소 두께인 제2 두께와 상기 제1 두께의 차이가 상기 반지름의 2배 내지 3배 이내일 수 있다.In the gasket, a difference between the second thickness, which is the minimum thickness of the gasket, and the first thickness may be within 2 to 3 times the radius.
상기 가스켓은, 비금속 탄성재질로 구성될 수 있다.The gasket may be made of a non-metal elastic material.
상기한 바와 같이 본 발명의 일 측면에 따른 전기화학식 수소압축기는 가스켓 내부에서 발생하는 응력을 분산시켜 외곽 변형을 감소시키고 이에 따라 전기화학식 수소압축기 가스켓의 씰링효과를 높일 수 있다.As described above, the electrochemical hydrogen compressor according to one aspect of the present invention can reduce external deformation by dispersing stress generated inside the gasket, thereby increasing the sealing effect of the electrochemical hydrogen compressor gasket.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전기화학식 수소압축기의 사시도이다.
도 2는 도 1의 전기화학식 수소압축기의 분해사시도이다.
도 3 은 도 1의 가스켓의 평면도이다.
도 4는 도 3의 A부분을 확대한 도면이다.
도 5는 도 4에 작용하는 원주 방향 응력을 나타낸 도면이다.
도 6은 도 3의 B부분을 확대한 도면이다.
도 7은 도 3의 가스켓의 재질에 따른 외곽 변형률을 나타낸 도면이다.
도 8은 도 3의 가스켓의 형상에 따른 외곽 변형률을 나타낸 도면이다.1 is a perspective view of an electrochemical hydrogen compressor according to an embodiment of the present invention.
2 is an exploded perspective view of the electrochemical hydrogen compressor of FIG. 1;
Fig. 3 is a plan view of the gasket of Fig. 1;
FIG. 4 is an enlarged view of part A of FIG. 3 .
FIG. 5 is a diagram showing stress in the circumferential direction acting on FIG. 4 .
FIG. 6 is an enlarged view of part B of FIG. 3 .
FIG. 7 is a diagram showing outer strain according to the material of the gasket of FIG. 3 .
FIG. 8 is a diagram showing outer strain according to the shape of the gasket of FIG. 3 .
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예를 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.Since the present invention can apply various transformations and have various embodiments, specific embodiments will be exemplified and described in detail in the detailed description. However, it should be understood that this is not intended to limit the present invention to specific embodiments, and includes all transformations, equivalents, and substitutes included in the spirit and scope of the present invention.
본 발명에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 발명에서, '포함하다' 또는 '가지다' 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다. Terms used in the present invention are only used to describe specific embodiments, and are not intended to limit the present invention. Singular expressions include plural expressions unless the context clearly dictates otherwise. In the present invention, terms such as 'include' or 'having' are intended to designate that there is a feature, number, step, operation, component, part, or combination thereof described in the specification, but one or more other features It should be understood that the presence or addition of numbers, steps, operations, components, parts, or combinations thereof is not precluded.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명한다. 이 때, 첨부된 도면에서 동일한 구성 요소는 가능한 동일한 부호로 나타내고 있음에 유의한다. 또한, 본 발명의 요지를 흐리게 할 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략할 것이다. 마찬가지 이유로 첨부 도면에 있어서 일부 구성요소는 과장되거나 생략되거나 개략적으로 도시되었다. Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. At this time, it should be noted that in the accompanying drawings, the same components are indicated by the same reference numerals as much as possible. In addition, detailed descriptions of well-known functions and configurations that may obscure the gist of the present invention will be omitted. For the same reason, in the accompanying drawings, some components are exaggerated, omitted, or schematically illustrated.
이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 전기화학식 수소압축기(10)에 대해 설명한다. Hereinafter, an
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전기화학식 수소압축기의 사시도이고, 도 2는 도 1의 전기화학식 수소압축기의 분해사시도이다.1 is a perspective view of an electrochemical hydrogen compressor according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is an exploded perspective view of the electrochemical hydrogen compressor of FIG. 1 .
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 전기화학식 수소압축기(10)는 엔드 플레이트(100), 막-전극 접합체(MEA: membrane electrode assembly, 200), 가스 확산층(GDL: gas diffusion layer, 300), 분리판(400), 집전판(500), 가스켓(600) 및 결합 부재(700)를 포함할 수 있다.1 and 2, the
전기화학식 수소압축기(10)의 후술하는 막-전극 접합체(200)의 산화전극인 애노드(Anode)에 수소(H2)가 제공될 수 있다. 애노드에 제공된 수소는 전위차에 의해 산화반응을 일으켜 수소이온과 전자로 분리될 수 있다. 분리된 수소이온은 고분자 전해질막(PEM: Polymer Electrolyte Membrane)을 통해 환원전극인 캐소드(Cathode)로 이동할 수 있다. 분리된 전자는 외부회로를 통해 마찬가지로 캐소드로 이동할 수 있다. 캐소드에서 수소이온의 환원반응에 의해 수소분자가 생성될 수 있다. 따라서, 애노드와 캐소드 간의 전위차에 의해 애노드로 공급되는 수소는 캐소드로 이동하고, 이에 따라 캐소드 내부의 수소의 압력이 높아져 수소가 압축될 수 있다.Hydrogen (H 2 ) may be provided to an anode, which is an oxidation electrode of a membrane-
상기 작동방식에 의거한 전기화학식 수소압축기(10)는 기계식 수소압축기에 비해 기계 작동을 위한 윤활유(오일)에 의한 오염이 없는 고순도의 수소를 얻을 수 있고, 고압으로 압축하는 경우에 에너지 소모가 적다는 장점이 있다. 또한 별도로 구동하는 부재가 없어 진동 및 소음이 적고 유지 관리가 쉬울 수 있다.Compared to mechanical hydrogen compressors, the
전기화학식 수소압축기(10)의 막-전극 접합체(200), 가스 확산층(300), 분리판(400), 집전판(500) 및 가스켓(600)이 포함된 하나의 셀(single cell) 만으로는 압축이 필요한 수소의 유량을 처리할 수 없는 바, 복수 개의 셀이 적층된 형태일 수 있다. 복수개의 셀은 차례로 적층되고 후술하는 엔드 플레이트(100)가 복수개의 셀의 양단에 위치하고 결합 부재(700)에 의해 결합되어 복수개의 셀에 체결압을 제공하여 고정할 수 있다.Compression with only one cell including the membrane-
여기에서, 도 1 및 도 2에 도시되어 있는 구성 요소들 외에 다른 범용적인 구성 요소들이 전기화학식 수소압축기(10)에 더 포함될 수 있음을 본 실시예와 관련된 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이해할 수 있다. Here, those with ordinary knowledge in the technical field related to this embodiment know that other general-purpose components may be further included in the
엔드 플레이트(100)는 후술하는 애노드측 분리판 및 캐소드측 분리판의 양단에 각각 배치되는 한쌍의 판으로, 내부의 셀에 체결압을 제공할 수 있다. 엔드 플레이트(100)는 전기화학식 수소압축기(10)의 양단에 위치하여 후술하는 결합 부재(700)에 의해 결합되고 체결압을 제공할 수 있다. 즉, 엔드 플레이트(100) 사이에 복수 개의 막-전극 접합체(200), 가스 확산층(300), 분리판(400), 집전판(500) 및 가스켓(600)이 적층되고 양단에 위치한 엔드 플레이트(100)를 결합 부재(700)에 의해 고정할 수 있다. 이에 따라, 엔드 플레이트(100)가 적층된 셀에 일정한 체결압을 제공하여 셀을 고정할 수 있다.The
엔드 플레이트(100)는 막-전극 접합체(200), 가스 확산층(300), 분리판(400), 집전판(500) 및 가스켓(600)을 포함하는 셀을 덮을 수 있을 정도의 단면적을 가지는 평판형태일 수 있다. The
엔드 플레이트(100)는 외곽에 결합 부재(700)에 의한 결합을 위한 복수 개의 통공이 형성될 수 있다. 적층된 복수 개의 셀에 작용하는 면압의 크기 및 분포가 균일하지 못하면 반응기체의 누설 및 접촉저항 상승에 따라 수소 압축의 효율이 하락하는 문제가 있을 수 있다. 따라서, 엔드 플레이트(100)에 형성된 통공은 엔드 플레이트(100)가 내부에 적층된 셀을 균등하게 누를 수 있도록 엔드 플레이트(100)의 중심에 대해 대칭적으로 형성될 수 있다.A plurality of through holes for coupling by the
엔드 플레이트(100)는 결합 부재(700)의 조여지는 힘에도 불구하고 변형이 일어나면 안되는 바, 충분한 강성을 지닌 강철(Steel) 및 강화 플라스틱(Reinforced plastic)과 같은 재질로 제작될 수 있다. 다만, 엔드 플레이트(100)의 형상 및 재질은 이에 한정되지 않고 다양한 형상 및 재질을 가질 수 있다.Since the
막-전극 접합체(200)는 캐소드(미도시) 및 애노드(미도시)를 포함하여, 애노드에 제공된 수소의 화학적 반응을 일으킬 수 있다. 막-전극 접합체(200)는 필름형태의 접합체일 수 있다.The membrane-
막-전극 접합체는 고분자 전해질 막을 사이에 두고 산화 전극이라고도 불리는 애노드와 환원 전극이라고도 불리는 캐소드가 부착된 구조를 가질 수 있다. 막-전극 접합체(200)는 캐소드에 대응하는 면에 배치된 캐소드측 촉매층(미도시)과 후술하는 애노드에 대응하는 면에 배치된 애노드측 촉매층(미도시)을 포함할 수 있다.The membrane-electrode assembly may have a structure in which an anode, also called an anode, and a cathode, also called a reduction electrode, are attached with a polymer electrolyte membrane interposed therebetween. The membrane-
막-전극 접합체(200)의 애노드에 제공된 수소가 산화 반응에 의해 수소이온과 전자로 분리될 수 있다. 분리된 수소 이온은 캐소드로 이동하여 환원 반응에 의해 수소분자가 생성될 수 있다. 이에 따라, 캐소드에 존재하는 수소의 압력이 높아져 수소가 압축될 수 있다. 다만, 막-전극 접합체(200)의 구성은 이에 한정되지 않고 본 발명과 관련된 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 채용될 수 있는 범위 내에서 변경될 수 있다.Hydrogen supplied to the anode of the membrane-
가스 확산층(300)은 애노드 및 캐소드의 바깥쪽에 배치되어 유로에서 전극으로 반응물질인 수소를 전달하는 통로일 수 있다. 가스 확산층(300)은 다공성의 카본 종이 및 천 위에 마이크로한 다공층을 가지는 구조일 수 있다. 가스 확산층(300)은 수소가 촉매층으로 이동해가는 통로를 제공하고 촉매층과 후술하는 분리판(400) 사이의 전류전도체 역할을 할 수 있다.The
가스 확산층(300)은 수소를 촉매층으로 확산시키고 전류전도체 역할을 하는 바, 전기화학식 수소압축기(10)의 성능과 내구성에 영향을 미칠 수 있다. 따라서, 가스 확산층(300)은 높은 기체 투과도와 전기전도성, 소수성 및 열 안정성을 가진 재질인 카본지(carbon paper) 및 탄소 섬유(carbon fiber) 등으로 제작될 수 있다. 다만, 가스 확산층(300)의 구조 및 재질은 이에 한정되지 않고 본 발명과 관련된 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 채용될 수 있는 범위 내에서 변경될 수 있다.Since the
분리판(400)은 애노드측 분리판(410) 및 캐소드측 분리판(420)을 포함할 수 있다. 분리판(400)은 유로(미도시)를 포함하며 가스 확산층(300) 및 막-전극 접합체(200)를 구조적으로 지지할 수 있다. 또한, 분리판(400)은 막-전극 접합체(200)의 애노드와 캐소드를 직렬로 연결시켜 주는 전도체의 역할을 동시에 수행할 수 있다. The
분리판(400)은 전기화학식 수소압축기(10)의 반응에 필요한 수소를 막-전극 접합체(200) 전면에 균등하게 분배 및 공급할 수 있다. 또한, 애노드에서 수소의 산화 반응에 의해 생성된 전류를 수집 및 전달할 수 있다.The
분리판(400)은 얇은 평판 형상일 수 있다. 분리판(400)은 우수한 전기 전도성 및 열전도성, 내식성, 낮은 기체 투과성 등을 지니며 구조적 지지체 역할을 위해 충분한 강성을 지닌 스테인레스(stainless), 티타늄(Titanium) 및 알루미늄(Aluminium) 등이 활용될 수 있다. 다만 분리판(400)의 형상 및 재질은 이에 한정되지 않고 다양한 형상 및 재질이 활용될 수 있다. The
애노드측 분리판(410)은 애노드측에 배치되어, 애노드로 수소를 공급할 수 있다. 캐소드측 분리판(420)은 캐소드측에 배치되어, 캐소드로부터 수소를 배출할 수 있다. 애노드측 분리판(410)과 캐소드측 분리판(420)의 위치는 내부에 적층되는 셀의 구조에 따라 변경될 수 있다.The anode-
집전판(500)은 분리판(400)과 엔드 플레이트(100)사이에 위치하여, 전기를 집전할 수 있다. 집전판(500)은 전기를 집결하는 단자를 포함하는 판 형상일 수 있다. 집전판(500)은 내부에 적층되는 셀의 구조에 따라 애노드측 집전판일 수 있고 캐소드측 집전판일 수 있다. 다만, 집전판(500)의 구조 및 형상은 이에 한정되지 않고 본 발명의 실시예에 관련된 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 채용될 수 있는 범위 내에서 변경될 수 있다.The
이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 가스켓(600)에 대해 설명한다. Hereinafter, a
도 3 은 도 1의 가스켓의 평면도이고, 도 4는 도 3의 A부분을 확대한 도면이고, 도 5는 도 4에 작용하는 원주 방향 응력을 나타낸 도면이고, 도 6은 도 3의 B부분을 확대한 도면이다.3 is a plan view of the gasket of FIG. 1, FIG. 4 is an enlarged view of portion A of FIG. 3, FIG. 5 is a view showing stress in the circumferential direction acting on portion B of FIG. 4, and FIG. 6 is a view showing portion B of FIG. This is an enlarged drawing.
도 3 내지 도 6을 참조하여 설명하면, 가스켓(600)은 외주면(610) 및 내주면(620)을 포함할 수 있다. 가스켓(600)은 막-전극 접합체(200)와 애노드측 분리판(410) 및 캐소드측 분리판(420) 사이에 위치하여, 수소가 누출되는 것을 방지할 수 있다. 가스켓(600)은 내부 공간(630)을 감싸며 요철을 갖는 내주면(620)을 포함하는 링형상일 수 있다. 가스켓(600)은 요철을 갖는 내주면이 형성된 바, 내부에서 가해지는 응력이 분산될 수 있다. 가스켓(600)의 내부에서 가해지는 응력이 분산됨에 따라, 가스켓(600) 외곽 변형이 감소하여 씰링효과를 향상시킬 수 있다.Referring to FIGS. 3 to 6 , the
가스켓(600)은 테프론(PTFE : Polytetrafluoroethylene)과 같은 비금속 탄성재질로 구성될 수 있다. 가스켓(600)을 금속(Metal)소재로 제작할 경우, 변형률은 작으나 복수 개의 셀을 적층 함에 따라 정렬(Align)에 문제가 생기는 경우, 공차가 발생하여 수소가 누출될 수 있다. The
가스켓(600)은 가스켓(600)의 최대 두께인 제1 두께(t1)가 돌출부 반지름(r1) 및 홈부 반지름(r2)의 10~20배일 수 있다. 제1 두께(t1)가 돌출부 반지름(r1) 및 홈부 반지름(r2)의 10배 미만일 경우, 가스켓의 외주면(610)이 내부 압력에 의해 큰 변형이 발생하는 내주면(620) 으로부터 일정거리 이격 되지 않아 가스켓(600)의 외곽 변형률이 커질 수 있다. 가스켓(600)의 외곽 변형률이 커짐에 따라 가스켓(600)의 씰링효과가 감소할 수 있다.In the
가스켓(600)의 제1 두께(t1)가 돌출부 반지름(r1) 및 홈부 반지름(r2)의 20배를 초과할 경우, 가스켓(600)의 씰링효과는 크게 향상되지 않는데 반해, 적층되는 셀 외부로 가스켓(600)의 외곽이 돌출되어 전체 전기화학식 수소압축기(10)의 부피를 증가시킬 수 있다. 또한 외부로 돌출된 가스켓(600)은 외부로부터 충격을 받을 수 있어 가스켓(600)의 훼손 가능성이 있을 수 있다.When the first thickness t1 of the
가스켓(600)은 가스켓(600)의 최소 두께인 제2 두께(t2)와 제1 두께(t1)의 차이가 돌출부 반지름(r1) 및 홈부 반지름(r2)의 2배 내지 3배 이내일 수 있다(도 4 및 도 6 참조). 이는, 후술하는 바와 같이 제1 두께(t1)와 제2 두께(t2)의 차이가 클 경우, 원주 방향 응력이 상쇄되지 않아 응력 분산 효과가 적어지기 때문이다. In the
도 5를 참조하면, 후술하는 돌출부(621) 및 홈부(622)의 원주 방향 응력은 내부 공간(630)과 내주면(620)의 경계의 좌측과 우측에 상방 및 하방을 향한 화살표로 각각 표시하였다. 돌출부(621) 및 홈부(622)의 원주 방향 응력은 상호 반대방향으로 작용하는 바, 상쇄될 수 있다.Referring to FIG. 5 , stresses in the circumferential direction of the protruding
이때, 돌출부(621)의 원주 방향 응력과 홈부(622)의 원주 방향 응력의 크기 차이가 작을수록 응력이 상쇄되어 가스켓(600)의 변형을 방지할 수 있다. 원주 방향의 응력은 내부 압력과 곡률 반지름의 곱에 비례하고, 가스켓(600)의 두께에 반비례한다. 돌출부(621) 및 홈부(622)의 내부 압력과 곡률 반지름은 동일한 바, 제1 두께(t1) 및 제2 두께(t2)의 차이가 적으면 돌출부(621) 및 홈부(622)의 원주 방향 응력의 크기 차이가 작아질 수 있다. 따라서, 제1 두께(t1)와 제2 두께(t2)의 차이가 돌출부 반지름(r1) 및 홈부 반지름(r2)의 3배 이내인 것이 바람직할 수 있다. 다만 제1 두께(t1)와 제2 두께(t2) 간에는 적어도 돌출부 반지름(r1) 및 홈부 반지름(r2)의 2배 차이가 나는 바, 제1 두께(t1)와 제2 두께(t2)의 차이가 돌출부 반지름(r1) 및 홈부 반지름(r2)의 2배 내지 3배 이내일 수 있다.In this case, as the difference between the stress in the circumferential direction of the
도 3 내지 도 6을 참조하면 내주면(620)은 돌출부(621) 및 홈부(622)를 포함할 수 있다. 내주면(620)은 돌출부(621) 및 홈부(622)가 등간격으로 반복 배치된 요철 형상일 수 있다. 내주면(620)의 요철 형상에 의해 내부에서 가해지는 응력, 특히, 원주 방향의 응력이 분산될 수 있다.Referring to FIGS. 3 to 6 , the inner
돌출부(621)는 가스켓(600)의 중심을 향해 돌출될 수 있다. 돌출부(621)는 반원형상으로 돌출될 수 있다. 돌출부 반지름(r1)은 0.3mm~0.5mm일 수 있다(도 4 참조). 돌출부 반지름(r1)이 0.3mm 미만일 경우, 가스켓(600) 제작의 어려움이 있을 수 있으며, 정밀한 가공이 되지 않는 경우 내주면(620)의 형상이 균일하지 않을 수 있다. 이에 따라, 내주면(620)에 응력이 집중되는 곳이 발생할 수 있고 이에 따라 가스켓(600)이 변형되어 수소가 누출될 수 있다.The
돌출부 반지름(r1)이 0.5mm를 초과하는 경우, 제1 두께(t1)와 제2 두께(t2)의 차이가 커져 내주면(620)의 응력이 균등하게 상쇄되지 않아 응력 분산효과가 감소할 수 있다(도 4 및 도 6 참조). 따라서, 돌출부 반지름(r1)은 0.3~0.5mm, 바람직하게는 0.4mm일 수 있다.When the protrusion radius r1 exceeds 0.5 mm, the difference between the first thickness t1 and the second thickness t2 increases so that the stress of the inner
홈부(622)는 돌출부(621)에 연결되어, 돌출부(621)의 반대방향으로 함몰될 수 있다. 홈부(622)는 반원형상으로 함몰될 수 있다. 홈부 반지름(r2)은 0.3mm~0.5mm일 수 있다(도 4 참조). 홈부 반지름(r2)이 0.3mm 미만일 경우, 가스켓(600) 제작의 어려움이 있을 수 있으며, 정밀한 가공이 되지 않는 경우 내주면(620)의 형상이 균일하지 않을 수 있다. 이에 따라, 내주면(620)에 응력이 집중되는 곳이 발생할 수 있고 이에 따라 가스켓(600)이 변형되어 수소가 누출될 수 있다.The
홈부 반지름(r2)이 0.5mm를 초과하는 경우, 제1 두께(t1)와 제2 두께(t2)의 차이가 커져 내주면(620)의 응력이 균등하게 상쇄되지 않아 응력 분산효과가 감소할 수 있다(도 4 및 도 6 참조). 따라서, 홈부 반지름(r2)은 0.3mm~0.5mm, 바람직하게는 0.4mm일 수 있다.When the groove radius r2 exceeds 0.5 mm, the difference between the first thickness t1 and the second thickness t2 increases so that the stress of the inner
돌출부 반지름(r1) 및 홈부 반지름(r2)은 동일할 수 있다. 돌출부 반지름(r1)과 홈부 반지름(r2)이 동일하지 않다면 내주면(620)에 응력이 집중되는 곳이 발생할 수 있고 이에 따라 가스켓(600)이 변형되어 수소가 누출될 수 있다. The protrusion radius r1 and the groove radius r2 may be the same. If the radius r1 of the protrusion and the radius r2 of the groove are not the same, a place where stress is concentrated may occur on the inner
이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 가스켓(600)의 씰링효과에 대해 설명한다.Hereinafter, the sealing effect of the
도 7은 도 3의 가스켓의 재질에 따른 외곽 변형률을 나타낸 도면이고, 도 8은 도 3의 가스켓의 형상에 따른 외곽 변형률을 나타낸 도면이다.FIG. 7 is a diagram showing the outer strain according to the material of the gasket of FIG. 3 , and FIG. 8 is a diagram showing the outer strain according to the shape of the gasket of FIG. 3 .
도 7을 참조하면, 가스켓(600)에 100bar의 압력이 작용하는 경우, 도 7(a)는 메탈 가스켓의 변형률 분배를 나타낸 도면이다. 도 7(b)는 가스켓(600)에 100bar의 압력이 작용하는 경우, 테프론(PTFE) 가스켓의 변형률 분배를 나타낸 도면이다. 메탈 가스켓과 테프론 가스켓의 경우 모두 내주면의 변형률이 가장 크고 외주면으로 갈수록 변형률이 작아짐을 확인할 수 있다. Referring to FIG. 7 , when a pressure of 100 bar is applied to the
다만, 메탈 가스켓의 경우 탄성계수가 크고 프와송 비가 작기 때문에 외력에 대한 저항이 크므로 가스켓(600)의 변형률이 작음을 확인할 수 있다. 이에 비해, 테프론 가스켓의 경우 탄성계수가 작고 프와송 비가 크기 때문에 외력에 대한 저항이 작고 가스켓(600)의 변형률이 큼을 확인할 수 있다. 도7 (b)의 확대도를 보면, 가스켓(600)의 외곽 근처까지 변형이 발생하며 변형률이 균일하지 않아 윙클(Wrinkle)이 발생할 수 있다. 이에 따라, 가스켓(600)의 씰링효과는 감소하여 수소가 누출될 여지가 있을 수 있다.However, in the case of the metal gasket, since the elastic modulus is high and the Poisson's ratio is low, resistance to external force is high, so it can be confirmed that the deformation rate of the
그러나, 메탈 가스켓을 사용하는 경우 탄성력이 없어 복수 개의 셀을 적층함에 따라 정렬(Align)에 문제가 생기는 경우 분리판(400) 및 막-전극 접합체(200)와 가스켓(600) 간에 틈이 발생해 수소가 누출될 여지가 있다. 따라서 정렬에 문제가 있어도 분리판(400) 및 막-전극 접합체(200)와 가스켓(600) 간에 틈이 발생할 여지가 적은 비금속 탄성재질의 가스켓을 활용하는 동시에 변형률을 줄이는 것이 중요하다.However, when a metal gasket is used, when a plurality of cells are laminated due to lack of elasticity, a gap is generated between the
도 8을 참조하면, 도 8(a)는 도 7(b)와 동일한 테프론 가스켓을 활용하고 100bar의 압력이 적용되는 경우 원형 가스켓의 변형률을 나타낸 도면이다. 도 8(b)는 도 7(b)와 동일한 테프론 가스켓을 활용하고 100bar의 압력이 적용되는 경우 요철 가스켓의 변형률을 나타낸 도면이다.Referring to FIG. 8, FIG. 8(a) is a diagram showing strain of a circular gasket when the same Teflon gasket as in FIG. 7(b) is used and a pressure of 100 bar is applied. FIG. 8(b) is a view showing the deformation rate of the concavo-convex gasket when the same Teflon gasket as in FIG. 7(b) is used and a pressure of 100 bar is applied.
도 8(b)의 요철을 갖는 내주면(620)을 포함하는 요철 가스켓은, 요철 형상의 내주면(620)에 의해 응력이 분산되는 결과 가스켓(600) 외곽 근처의 변형은 상당히 줄어들고 가스켓(600) 전반에 걸쳐 변형률이 균일하여 윙클도 발생하지 않을 수 있다. 따라서, 요철 가스켓을 활용하는 경우 가스켓(600)을 비금속 탄성재질로 제작하더라도 가스켓(600)의 외곽 변형에 따라 씰링효과가 감소하고 수소가 누출되는 것을 방지할 수 있다.In the concavo-convex gasket including the concavo-convex inner
결합 부재(700)는 볼트(710) 및 너트(720)를 포함할 수 있다. 결합 부재(700)는 엔드 플레이트(100)의 통공을 통해 양단의 엔드 플레이트(100)를 결합하고 체결압을 제공할 수 있다. 즉, 볼트(710)를 일단의 엔드 플레이트(100)의 통공에 삽입하고 타단의 엔드 플레이트(100)에 너트(720)를 볼트(710)에 삽입 및 결합하여 양단의 엔드 플레이트(100)를 결합하고 너트(720)를 조여 체결압을 조절할 수 있다. 다만, 결합 부재(700)는 볼트(710) 및 너트(720)에 한정되지 않고 양단의 엔드 플레이트(100)를 결합할 수 있는 어떠한 구성도 가능할 수 있다.The
이상, 본 발명의 일 실시예에 대하여 설명하였으나, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서, 구성 요소의 부가, 변경, 삭제 또는 추가 등에 의해 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있을 것이며, 이 또한 본 발명의 권리범위 내에 포함된다고 할 것이다.Although one embodiment of the present invention has been described above, those skilled in the art can add, change, delete, or add components within the scope not departing from the spirit of the present invention described in the claims. The present invention can be variously modified and changed by the like, and this will also be said to be included within the scope of the present invention.
10 전기화학식 수소 압축기
100 엔드 플레이트
200 막-전극 접합체
300 가스 확산층
400 분리판
500 집전판
600 가스켓
700 결합 부재10 electrochemical hydrogen compressor
100 end plate
200 membrane-electrode assembly
300 gas diffusion layer
400 Separator
500 current collector
600 gasket
700 bonding member
Claims (8)
상기 애노드측에 배치되어, 상기 애노드로 수소를 공급하는 애노드측 분리판;
상기 캐소드측에 배치되어, 상기 캐소드로부터 수소를 배출하는 캐소드측 분리판;
상기 애노드측 분리판 및 상기 캐소드측 분리판의 양단에 각각 배치되는 한 쌍의 엔드플레이트; 및
상기 막-전극접합체와 상기 애노드측 분리판 및 상기 캐소드측 분리판 사이에 위치하여, 수소가 누출되는 것을 방지하는 가스켓을 포함하며,
상기 가스켓은, 요철을 갖는 내주면을 포함하는 링형상인, 전기화학식 수소압축기.a membrane-electrode assembly including a cathode and an anode;
an anode-side separator disposed on the anode side to supply hydrogen to the anode;
a cathode-side separator disposed on the cathode side to discharge hydrogen from the cathode;
a pair of end plates respectively disposed on both ends of the anode-side separator and the cathode-side separator; and
a gasket disposed between the membrane-electrode assembly and the anode-side separator and the cathode-side separator to prevent hydrogen from leaking;
The gasket is a ring-shaped, electrochemical hydrogen compressor including an inner circumferential surface having irregularities.
상기 내주면은,
상기 가스켓의 중심을 향해 돌출된 돌출부 및
상기 돌출부에 연결되어, 상기 돌출부의 반대방향으로 함몰된 홈부를 포함하며, 상기 돌출부 및 상기 홈부가 등간격으로 반복 배치된, 전기화학식 수소압축기.According to claim 1,
In the inner surface,
A protrusion protruding toward the center of the gasket and
An electrochemical hydrogen compressor connected to the protrusion, including a groove portion recessed in the opposite direction of the protrusion, wherein the protrusion and the groove portion are repeatedly arranged at equal intervals.
상기 돌출부 및 상기 홈부는, 반원형상인, 전기화학식 수소압축기.According to claim 2,
The protruding portion and the groove portion are semicircular, electrochemical hydrogen compressor.
상기 돌출부 및 상기 홈부의 반지름은 0.3mm~0.5mm인, 전기화학식 수소압축기.According to claim 3,
The radius of the protrusion and the groove is 0.3mm ~ 0.5mm, electrochemical hydrogen compressor.
상기 돌출부 및 상기 홈부는, 상기 반지름이 동일한, 전기화학식 수소압축기.According to claim 3,
The protruding portion and the groove portion have the same radius, an electrochemical hydrogen compressor.
상기 가스켓은,
상기 가스켓의 최대 두께인 제1 두께가 상기 반지름의 10~20배인, 전기화학식 수소압축기.According to claim 4,
The gasket is
An electrochemical hydrogen compressor in which the first thickness, which is the maximum thickness of the gasket, is 10 to 20 times the radius.
상기 가스켓은,
상기 가스켓의 최소 두께인 제2 두께와 상기 제1 두께의 차이가 상기 반지름의 2배 내지 3배 이내인, 전기화학식 수소압축기.According to claim 6,
The gasket is
Electrochemical hydrogen compressor, wherein the difference between the second thickness, which is the minimum thickness of the gasket, and the first thickness is within 2 to 3 times the radius.
상기 가스켓은, 비금속 탄성재질로 구성된, 전기화학식 수소압축기.According to claim 1,
The gasket is composed of a non-metallic elastic material, an electrochemical hydrogen compressor.
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---|---|---|---|
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2021
- 2021-11-12 KR KR1020210156029A patent/KR20230069721A/en active Search and Examination
Patent Citations (2)
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KR101918354B1 (en) | 2016-10-12 | 2018-11-14 | 현대자동차주식회사 | Gasket for fuel cell |
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