KR20240079944A - 연료전지 스택의 가스켓조립체 - Google Patents

연료전지 스택의 가스켓조립체 Download PDF

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KR20240079944A
KR20240079944A KR1020220163385A KR20220163385A KR20240079944A KR 20240079944 A KR20240079944 A KR 20240079944A KR 1020220163385 A KR1020220163385 A KR 1020220163385A KR 20220163385 A KR20220163385 A KR 20220163385A KR 20240079944 A KR20240079944 A KR 20240079944A
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양정환
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주식회사 두산
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Abstract

본 발명은 연료전지 스택의 가스켓조립체에 관한 것으로, 공기가 흐르는 제1 분리판과 연료가 흐르는 제2 분리판에 배치되는 가스켓바디와, 상기 가스켓바디의 중앙부에 배치되고, 상기 제1 분리판과 상기 제2 분리판 사이에 배치되는 막전극접합체를 실링하는 실링부 및, 상기 가스켓바디에서 상기 실링부의 양측부에 배치되고, 상기 막전극접합체의 형상이 유지되도록 하는 복수의 형상유지부;를 포함하여 구성될 수 있으며, 본 발명에 따르면, 막전극접합체에 대한 실링을 향상하고 동시에 실링부위에서 막전극접합체의 변형을 완화하는 효과를 기대할 수 있다.

Description

연료전지 스택의 가스켓조립체{GASKET ASSEMBLY OF FUEL CELL STACK}
본 발명은 연료전지 스택의 가스켓조립체에 관한 것으로, 보다 상세하게는 막전극접합체에 대한 실링을 향상하고 동시에 실링부위에서 막전극접합체의 변형을 완화할 수 있는 연료전지 스택의 가스켓조립체에 관한 것이다.
연료전지는 연료(수소 또는 개질 가스)와 산화제(산소 또는 공기)를 이용하여 전기 화학적으로 전력을 생산하는 장치로서, 외부에서 지속적으로 공급되는 연료와 산화제를 전기 화학 반응에 의하여 직접 전기에너지로 변환시키는 장치이다.
연료전지의 산화제로는 순수 산소나 산소가 다량 함유되어 있는 공기를 이용하며, 연료로는 순수 수소 또는 탄화수소계 연료(LNG, LPG, CH3OH)를 개질하여 생성된 수소가 다량 함유된 개질 가스를 사용한다.
연료전지는 전력과 열을 동시에 발생시키는 바, 발전효율과 열효율의 합인 총효율이 80%가 넘는 고효율 에너지 생산기기로 각광받고 있다. 또한, 실제 건물용이나 주거용 주택에 연료전지를 설치하여 사용자가 필요로 하는 전력과 열을 직접 생산하여 사용할 수 있는 장점이 있어서 사용자의 편의성이 향상될 뿐만 아니라 에너지 사용 비용을 대폭 감소시킬 수 있다.
최근에는 다수의 연료전지를 통합하여 고효율 에너지를 생산하는 연료전지 시스템을 구축하여 운용하고 있다.
이러한 연료전지는 크게, 인산형 연료전지(PAFC ; Phosphoric Acid Fuel Cell), 용융 탄산염형 연료전지(MCFC ; Molten Carbonates Fuel Cell), 고체 산화물형 연료전지(SOFC ; Solid Oxide Fuel Cell), 고분자 전해질형 연료전지(PEMFC ; Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell)와, 직접 메탄올형 연료전지(DMFC ; Direct Methanol Fuel Cell) 등으로 구분될 수 있다.
이중 고체 산화물형 연료전지(SOFC)는 액화천연가스(LNG) 등을 산화시켜 만든 탄화수소와 산소의 전기화학적 반응으로 전력을 생산하는 저탄소 고효율 신재생에너지 발전설비다. 작동온도가 연료전지중 가장 높은 600 ~ 1000℃에 이른다.
고체 산화물형 연료전지(SOFC)는 고온에서 작동하기 때문에 백금과 같은 고가의 귀금속 전극촉매가 필요하지 않고 전해질 손실이나 보충이 필요치 않으며 전지 부식문제도 없고 발전효율도 높다.
또한 고온 가스를 배출하기 때문에 폐열을 이용한 열 복합 발전도 할 수 있다.
그리고, 고분자 전해질(막) 연료전지(PEMFC:Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell)는 다른 형태의 연료전지에 비해 비교적 낮은 온도에서 작동하고 시동시간이 짧으며 부하 변화에 대한 빠른 응답 특성을 가지고 있다.
또한 고분자 전해질 연료전지는 효율이 높고 전류밀도 및 출력밀도가 크다. 또한 반응가스(수소 및 공기 중 산소)의 압력 변화에 덜 민감하며 다양한 범위의 출력을 낼 수 있다. 이런 이유로 무공해 차량의 동력원, 자가 발전용, 이동용 및 군사용 전원 등 다양한 분야에 응용될 수 있다.
고분자 전해질막 연료전지는 수소와 산소를 전기화학적으로 반응하여 물을 생성하면서 전기를 발생시키는 장치로서, 공급된 수소가 애노드의 촉매에서 수소이온과 전자로 분리되고, 분리된 수소이온은 전해질막을 통해 캐소드로 넘어가게 된다. 이때, 캐소드에 공급된 공기 중 산소는 외부 도선을 통해 캐소드로 들어온 전자와 결합하여 물을 생성하면서 전기 에너지를 발생시킨다.
실제 건물, 산업현장, 차량, 드론 등에서 필요한 전위를 얻기 위해서는 필요한 전위만큼 단위 셀을 적층하여야 하며, 이렇게 단위 셀을 적층한 것을 스택(또는 연료전지 스택)이라 한다. 1 개의 단위 셀에서 발생하는 전위는 약1.2V로서, 다수의 셀을 직렬로 적층하여 부하에 필요한 전력을 공급하고 있다. 각 단위 셀은 막전극 접합체(MEA:Membrane Electrode Assembly)를 포함하며, 막전극 접합체에서 수소이온이 전달되는 고분자 전해질막을 사이에 두고 양측으로 수소가 공급되는 애노드 전극과 공기(산소)가 공급되는 캐소드 전극이 구비된다. 또한 촉매층을 포함하는 애노드 전극 및 캐소드 전극의 바깥쪽에는 가스 확산층이 배치되며, 이러한 막전극 접합체와 반응가스 및 냉각수 유로가 형성된 분리판을 순차적으로 적층한 것이 연료전지 스택이다.
여기서, 복수개의 분리판을 적층할 때, 막전극접합체를 실링하는 것이 중요하다. 수소와 공기가 반응할 때 실링이 제대로 이뤄지지 않으면, 전력효율이 떨어지게 된다.
이에 따라 상하에 배치된 분리판 사이에 가스켓을 배치하고 가스켓으로 막전극접합체의 상부와 하부를 눌러 실링하는데, 이때 막전극접합체가 가스켓에 눌려 주름이 발생하는 등 변형되는 문제가 있다. 이는 연료전지 스택의 내구성을 떨어뜰고 사용연한이 줄어들게 한다.
본 발명은 상기와 같이 관련 기술분야의 과제를 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 막전극접합체에 대한 실링을 향상하고 동시에 실링부위에서 막전극접합체의 변형을 완화할 수 있는 연료전지 스택의 가스켓조립체를 제공하는 데에 있다.
본 발명에서 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 개시의 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기와 같은 목적들을 달성하기 위한 본 발명은 연료전지 스택의 가스켓조립체에 관한 것으로, 제1 분리판과 제2 분리판에 각각 배치되는 가스켓바디; 상기 가스켓바디의 중앙부에 배치되고, 상기 제1 분리판과 상기 제2 분리판 사이에 배치된 막전극접합체를 실링하는 실링부; 및 상기 가스켓바디에서 상기 실링부의 양측부에 배치되고, 상기 막전극접합체의 형상이 유지되도록 하는 복수의 형상유지부;를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서는 상기 가스켓바디상에서 상기 실링부와 상기 형상유지부는 높이 단차를 형성하되, 상기 실링부가 상기 형상유지부에 비해 상대적으로 높이로 형성될 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서는 상기 실링부는 돌출된 실링돌기;를 포함하고,
상기 실링돌기의 단부는 볼록한 형상일 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서는 상기 형상유지부는 돌출된 형상유지돌기;를 포함하고, 상기 형상유지돌기의 단부는 평평한 형상일 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서는 상기 가스켓바디에서 상기 실링부와 상기 형상유지부 사이에 오목하게 형성되는 음각부;를 더 포함하고, 상기 음각부는 상기 실링부가 상기 막전극접합체를 가압하여 상기 실링부의 형상이 변형될 때 상기 실링부가 변형되는 공간을 확보하도록 제공될 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서는 상기 실링부가 상기 막전극접합체를 가압하며 상기 막전극접합체의 형상이 변형될 때, 상기 복수의 형상유지부가 상기 실링부의 양측부에서 상기 막전극접합체를 접촉 지지하며 상기 막전극접합체의 형상 변형을 억제할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서는 상기 실링부는, 상기 실링돌기의 변형력을 증대하도록, 상기 실링돌기의 내부에 형성되는 빈공간부;를 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서는 상기 실링부는, 상기 가스켓바디에서 상기 빈공간부의 내부에 배치되는 지지돌기;를 더 포함하고, 상기 실링돌기의 단부가 상기 막전극접합체에 접촉되며 변형될 때, 상기 실링돌기의 단부를 지지할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서는 상기 지지돌기의 단부는 평평한 형상이고, 상기 지지돌기의 단부와 상기 형상유지돌기의 단부는 상기 실링돌기의 두께에 대응되는 높이차를 형성할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서는 상기 실링부는, 상기 제2 분리판에 장착된 가스켓바디의 상부에 배치되는 센터블록; 및 상기 제1 분리판에 장착된 가스켓바디의 하부에 배치되는 복수의 사이드블록;를 포함하고, 상기 복수의 사이드블록 사이로 상기 센터블록이 삽입되고 상기 막전극접합체를 복수회 절곡하며 실링할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서는 상기 형상유지부는 돌출된 형상유지돌기;를 포함하고, 상기 형상유지돌기의 단부는 평평한 형상일 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서는 상기 실링부가 상기 막전극접합체를 가압하며 상기 막전극접합체의 형상이 변형될 때, 상기 복수의 형상유지부가 상기 실링부의 양측부에서 상기 막전극접합체를 접촉 지지하며 상기 막전극접합체의 형상 변형을 억제할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서는 상기 가스켓바디에서 상기 실링부와 상기 형상유지부 사이에 형성되는 음각부;를 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서는 상기 센터블록의 단부는 평평한 형상이고, 상기 사이드블록의 단부는 평평한 형상이고, 상기 센터블록과 상기 사이드블록은 상기 막전극접합체가 상기 음각부에 접하도록 절곡할 수 있다.
본 발명에 따르면, 막전극접합체의 실링력을 높여 수소와 공기의 반응영역에 대한 기밀을 유지할 수 있다.
또한, 막전극접합체의 실링부위에 주름이 발생하는 등의 변형이 발생하는 것을 완화할 수 있다.
이는 궁극적으로, 연료전지 스택의 내구성을 향상하고 사용연한을 높일 수 있다.
본 발명을 통해 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 개시가 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 다양한 실시예들이 도면들을 참조로 설명되며, 여기서 유사한 참조 번호들은 총괄적으로 유사한 구성요소들을 지칭하는데 이용된다. 이하의 실시예에서, 설명 목적을 위해, 다수의 특정 세부사항들이 하나 이상의 실시예들의 총체적 이해를 제공하기 위해 제시된다. 그러나, 그러한 실시예(들)이 이러한 구체적인 세부사항들 없이 실시될 수 있음은 명백할 것이다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 스택의 적층 구조를 나타낸 도면.
도 2a는 본 발명인 가스켓조립체의 제1 실시예를 나타낸 도면.
도 2b는 도 2a에 개시된 가스켓조립체의 제1 실시예가 막전극접합체를 실링하는 상태를 나타낸 도면.
도 3a는 본 발명인 가스켓조립체의 제2 실시예를 나타낸 도면.
도 3b는 도 4a에 개시된 가스켓조립체의 제2 실시예가 막전극접합체를 실링하는 상태를 나타낸 도면.
도 4a는 본 발명인 가스켓조립체의 제3 실시예를 나타낸 도면.
도 4b는 도 4a에 개시된 가스켓조립체의 제3 실시예가 막전극접합체를 실링하는 상태를 나타낸 도면.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
본 발명의 실시예를 설명하기 위한 도면에 개시된 형상, 크기, 비율, 각도, 개수 등은 예시적인 것이므로 본 발명이 도시된 사항에 한정되는 것은 아니다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명은 생략한다. 본 명세서 상에서 언급된 '포함한다', '갖는다', '이루어진다' 등이 사용되는 경우 '~만'이 사용되지 않는 이상 다른 부분이 추가될 수 있다. 구성 요소를 단수로 표현한 경우에 특별히 명시적인 기재 사항이 없는 한 복수를 포함하는 경우를 포함한다.
구성 요소를 해석함에 있어서, 별도의 명시적 기재가 없더라도 오차 범위를 포함하는 것으로 해석한다.
위치 관계에 대한 설명일 경우, 예를 들면, '~상에', '~상부에', '~하부에', '~옆에' 등으로 두 부분의 위치 관계가 설명되는 경우, '바로' 또는 '직접'이 사용되지 않는 이상 두 부분 사이에 하나 이상의 다른 부분이 위치할 수도 있다.
비록 제1, 제2 등이 다양한 구성요소들을 서술하기 위해서 사용되나, 이들 구성요소들은 이들 용어에 의해 제한되지 않는다. 이들 용어들은 단지 하나의 구성요소를 다른 구성요소와 구별하기 위하여 사용하는 것이다. 따라서, 이하에서 언급되는 제1 구성요소는 본 발명의 기술적 사상 내에서 제2 구성요소일 수도 있다.
명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 도시된 것이며, 본 발명이 도시된 구성의 크기 및 두께에 반드시 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 여러 실시예들의 각각 특징들이 부분적으로 또는 전체적으로 서로 결합 또는 조합 가능하며, 당업자가 충분히 이해할 수 있듯이 기술적으로 다양한 연동 및 구동이 가능하며, 각 실시예들이 서로에 대하여 독립적으로 실시 가능할 수도 있고 연관 관계로 함께 실시 가능할 수도 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 실시 예를 상세하게 설명하기로 한다. 이하에서 설명하는 복수의 실시예들은 서로 상충되지 않는 한 중복하여 적용될 수 있다.
도 1을 참고하면, 본 발명의 실시예에 따른 가스켓조립체(100)가 적용되는 연료전지 스택(10)은 제1 분리판(11), 제2 분리판(12), 제1 가스확산층(13), 제2 가스확산층(14), 막전극접합체(15) 및 가스켓조립체(100)를 포함할 수 있다.
제1 분리판(11)은 공기가 흐르는 캐소드분리판일 수 있으며, 제1 분리판(11)상에는 공기가 흐르는 채널들이 다양한 형상으로 형성될 수 있다.
제2 분리판(12)은 수소 등의 연료가 흐르는 애노드분리판일 수 있으며, 제2 분리판(12)상에는 연료가 흐르는 채널들이 다양한 형상으로 형성될 수 있다.
설계에 따라 제1 분리판(11)과 제2 분리판(12)에 흐르는 유체는 서로 반대일 수 있다. 즉 제1 분리판(11)이 애노드분리판, 제2 분리판(12)이 캐소드분리판일 수 있다. 이때 제1,2 가스확산층(13,14)의 위치로 이에 대응하여 변경될 수 있다.
막전극접합체(15)는 제1 분리판(11)과 제2 분리판(12) 사이에 접촉하며 배치될 수 있으며, 제1 분리판(11)의 채널들을 흐르는 공기와 제2 분리판(12)의 채널들을 흐르는 연료가 서로 혼합되며 반응하도록 할 수 있다.
이때 제1 가스확산층(13)이 제1 분리판(11)과 막전극접합체(15) 사이에 배치되며 제1 분리판(11)의 채널들을 흐르는 공기가 막전극접합체(15) 방향으로 확산되도록 할 수 있다.
또한 제2 가스확산층(14)이 제2 분리판(12)과 막전극접합체(15) 사이에 배치되며 제2 분리판(12)의 채널들을 흐르는 연료가 막전극접합체(15) 방향으로 확산되도록 할 수 있다.
즉 제1 가스확산층(13)과 제2 가스확산층(14)이 배치되며, 공기와 연료의 반응영역을 확산하여 반응율을 향상할 수 있다.
가스켓조립체(100)는 제1 분리판(11)과 제2 분리판(12)에 각각 배치되고 막전극접합체(15)에 접촉되며, 막전극접합체(15)와 제1 분리판(11) 및 제2 분리판(12) 사이의 반응영역이 기밀되도록 할 수 있다.
가스켓조립체(100)는 공기홀, 연료홀, 냉매홀 및 반응영역을 구획하는 형상으로 제작될 수 있다. 그리고 막전극접합체(15)와 제1 분리판(11) 및 제2 분리판(12)의 가장자리를 실링하며 전반적으로 연료전지 스택(10)이 실링되도록 할 수 있다.
도 2a 및 도 2b에는 본 발명인 가스켓조립체(100)의 제1 실시예가 개시되어 있다.
도 2a를 참고하면, 본 발명인 가스켓조립체(100)의 제1 실시예에서는 가스켓바디(110), 실링부(120), 형상유지부(130) 및 음각부(140)를 포함할 수 있다. 여기서 가스켓조립체(100)는 고무, 우레탄 등의 탄성력이 있는 연성재질일 수 있으며 또한 내열성 소재일 수 있다.
가스켓바디(110)는 사각 단면을 가진 형상일 수 있으며, 제1 분리판(11)과 제2 분리판(12)에 각각 배치될 수 있다.
실링부(120)는 가스켓바디(110)의 중앙부에 배치되고, 제1 분리판(11)과 제2 분리판(12) 사이에 배치된 막전극접합체(15)를 실링할 수 있다.
형상유지부(130)는 가스켓바디(110)에서 실링부(120)의 양측부에 복수개가 배치되고, 막전극접합체(15)의 형상이 유지되도록 할 수 있다.
음각부(140)는 가스켓바디(110)에서 실링부(120)와 형상유지부(130) 사이에 오목하게 형성될 수 있다. 음각부(140)는 실링부(120)가 막전극접합체(15)를 가압하여 실링부(120)의 형상이 변형될 때 실링부(120)가 변형되는 공간을 확보하기 위함이다.
이때, 가스켓바디(110)상에서 실링부(120)와 형상유지부(130)는 높이 단차를 형성하되, 실링부(120)가 형상유지부(130)에 비해 상대적으로 높이로 형성될 수 있다. 이는 실링부(120)는 크게 변형되면서 막전극접합체(15)를 실링하도록 하고, 형상유지부(130)는 실링부(120)보다는 상대적으로 적은 변형으로 막전극접합체(15)에 살짝 접촉하면서 막전극접합체(15)에 주름 등의 변형이 발생되는 것을 방지하도록 하기 위함이다.
구체적으로 실링부(120)는 제1 높이(H1)로 돌출된 실링돌기(121)를 포함할 수 있으며, 실링돌기(121)의 단부(122)는 볼록한 형상일 수 있다.
그리고 형상유지부(130)는 제2 높이(H2)로 돌출된 형상유지돌기(131)를 포함할 수 있으며, 형상유지돌기(131)의 단부(132)는 평평한 형상일 수 있다.
도 2b를 참고하면, 연료전지 스택(10)을 조립할 때, 제1 분리판(11)과 제2 분리판(12)을 눌러 가스켓조립체(100)가 막전극접합체(15)를 가압하도록 한다.
이때, 실링돌기(121)가 도 2b에 개시된 화살표와 같이 크게 변형되면서 막전극접합체(15)를 가압하게 된다. 이러한 실링돌기(121)가 변형될 때 발생하는 가압력은 크므로, 막전극접합체(15)는 실링돌기(121)와 접촉하는 부위 주변에서 주름 등의 변형이 발생할 수 있다.
또한 형상유지돌기(131)가 실링돌기(121)의 양측부에 배치되어 있어, 도 2b에 개시된 화살표와 같이 막전극접합체(15)를 가볍게 눌러주게 된다. 이에 따라 막전극접합체(15)에 발생한 주름 등의 변형부위는 실링돌기(121)와 형상유지돌기(131) 사이로 국한된다.
즉, 한 쌍의 형상유지돌기(131)의 외측부에서는 막전극접합체(15)에 주름 등의 변형이 발생하지 않는다.
본 발명인 가스켓조립체(100)의 제1 실시예에서는 가스켓바디(110)의 중앙에 배치되는 실링부(120)를 통해 강력한 실링력을 유지할 수 있으면서, 동시에 실링부(120)의 양측에 배치된 형상유지부(130)를 통해 막전극접합체(15)의 변형을 완화할 수 있으므로, 연료전지 스택(10)의 기밀성능뿐 아니라, 내구성 및 사용연한을 개선하는 효과를 기대할 수 있다.
한편, 도 3a 및 도 3b에는 본 발명인 가스켓조립체(100)의 제2 실시예가 개시되어 있다.
도 3a를 참고하면, 본 발명인 가스켓조립체(100)의 제2 실시예에서는 가스켓바디(110), 실링부(120), 형상유지부(130) 및 음각부(140)를 포함할 수 있다.
가스켓바디(110)는 사각 단면을 가진 형상일 수 있으며, 제1 분리판(11)과 제2 분리판(12)에 각각 배치될 수 있다.
실링부(120)는 가스켓바디(110)의 중앙부에 배치되고, 제1 분리판(11)과 제2 분리판(12) 사이에 배치된 막전극접합체(15)를 실링할 수 있다.
형상유지부(130)는 가스켓바디(110)에서 실링부(120)의 양측부에 복수개가 배치되고, 막전극접합체(15)의 형상이 유지되도록 할 수 있다.
음각부(140)는 가스켓바디(110)에서 실링부(120)와 형상유지부(130) 사이에 오목하게 형성될 수 있다. 음각부(140)는 실링부(120)가 막전극접합체(15)를 가압하여 실링부(120)의 형상이 변형될 때 실링부(120)가 변형되는 공간을 확보하기 위함이다.
이때, 가스켓바디(110)상에서 실링부(120)와 형상유지부(130)는 높이 단차를 형성하되, 실링부(120)가 형상유지부(130)에 비해 상대적으로 높이로 형성될 수 있다. 이는 실링부(120)는 크게 변형되면서 막전극접합체(15)를 실링하도록 하고, 형상유지부(130)는 실링부(120)보다는 상대적으로 적은 변형으로 막전극접합체(15)에 살짝 접촉하면서 막전극접합체(15)에 주름 등의 변형이 발생되는 것을 방지하도록 하기 위함이다.
구체적으로 실링부(120)는 실링돌기(121), 빈공간부(124) 및 지지돌기(126)를 포함할 수 있다. 실링돌기(121)는 돌출형상일 수 있으며, 실링돌기(121)의 단부(122)는 볼록한 형상일 수 있다.
빈공간부(124)는 실링돌기(121)의 내부에 형성될 수 있으며, 실링돌기(121)의 변형력을 높일 수 있다.
지지돌기(126)는 가스켓바디(110)에서 빈공간부(124)의 내부에 배치될 수 있다. 이러한 지지돌기(126)는 실링돌기(121)의 단부(122)가 막전극접합체(15)에 접촉되며 변형될 때, 상기 실링돌기(121)의 단부(122)를 지지할 수 있다.
또한 지지돌기(126)의 단부(127)는 평평한 형상일 수 있으며, 지지돌기(126)의 단부(127)와 형상유지돌기(131)의 단부(132)는 실링돌기(121)의 두께(L2)에 대응되는 높이차(L1)로 형성될 수 있다.
그리고 형상유지부(130)는 돌출된 형상유지돌기(131)를 포함할 수 있으며, 형상유지돌기(131)의 단부(132)는 평평한 형상일 수 있다.
도 3b를 참고하면, 연료전지 스택(10)을 조립할 때, 제1 분리판(11)과 제2 분리판(12)을 눌러 가스켓조립체(100)가 막전극접합체(15)를 가압하도록 한다.
이때, 실링돌기(121)가 도 3b에 개시된 화살표와 같이 크게 변형되면서 막전극접합체(15)를 가압하게 된다.
여기서 실링돌기(121)의 내부에는 빈공간부(124)가 형성되어 있으므로, 실링돌기(121)는 제1 실시예에 비해 용이하게 변형이 이뤄지며 막전극접합체(15)와의 접촉면적을 증대할 수 있다.
그리고 빈공간부(124)가 형성되어 있음에 따라 막전극접합체(15)를 가압하는 가압력은 제1 실시예보다는 줄어들어 실링부(120)위에서 막전극접합체(15)의 주름 발생 등의 변형량도 줄일 수 있다. 대신 변형된 실링돌기(121)와 막전극접합체(15)와의 접촉면적을 넓혀 실링력을 유지한다.
또한 상술한 바와 같이 지지돌기(126)가 형성되어 있어, 지지돌기(126)가 변형된 실링돌기(121)의 단부(122)를 지지하게 되므로, 도 3b에서와 같이, 실링돌기(121)의 단부(122)와 막전극접합체(15)간의 가압력이 지나치게 낮아지는 현상을 방지할 수 있다.
다음으로, 형상유지돌기(131)가 실링돌기(121)의 양측부에 배치되어 있어, 도 3b에 개시된 화살표와 같이 막전극접합체(15)를 가볍게 눌러주게 된다. 이에 따라 막전극접합체(15)에 발생한 주름 등의 변형부위는 실링돌기(121)와 형상유지돌기(131) 사이로 국한된다.
즉, 한 쌍의 형상유지돌기(131)의 외측부에서는 막전극접합체(15)에 주름 등의 변형이 발생하지 않는다.
본 발명인 가스켓조립체(100)의 제2 실시예에서는 가스켓바디(110)의 중앙에 배치되는 실링부(120)를 통해 막전극접합체(15)의 변형력을 보다 더 줄이면서 넓은 접촉면적에 의한 실링력을 유지할 수 있다. 동시에 실링부(120)의 양측에 배치된 형상유지부(130)를 통해 막전극접합체(15)의 변형을 완화할 수 있으므로, 연료전지 스택(10)의 기밀성능뿐 아니라, 내구성 및 사용연한을 개선하는 효과를 기대할 수 있다.
도 4a 및 도 4b에는 본 발명인 가스켓조립체(100)의 제3 실시예가 개시되어 있다.
도 4a를 참고하면, 본 발명인 가스켓조립체(100)의 제3 실시예에서는 가스켓바디(110), 실링부(120), 형상유지부(130) 및 음각부(140)를 포함할 수 있다. 여기서 가스켓조립체(100)는 고무, 우레탄 등의 탄성력이 있는 연성재질일 수 있으며 또한 내열성 소재일 수 있다.
가스켓바디(110)는 사각 단면을 가진 형상일 수 있으며, 제1 분리판(11)과 제2 분리판(12)에 각각 배치될 수 있다.
실링부(120)는 가스켓바디(110)의 중앙부에 배치되고, 제1 분리판(11)과 제2 분리판(12) 사이에 배치된 막전극접합체(15)를 실링할 수 있다.
형상유지부(130)는 가스켓바디(110)에서 실링부(120)의 양측부에 복수개가 배치되고, 막전극접합체(15)의 형상이 유지되도록 할 수 있다.
음각부(140)는 가스켓바디(110)에서 실링부(120)와 형상유지부(130) 사이에 오목하게 형성될 수 있다. 음각부(140)는 실링부(120)가 막전극접합체(15)를 가압하여 실링부(120)의 형상이 변형될 때 실링부(120)가 변형되는 공간을 확보하기 위함이다.
이때, 가스켓바디(110)상에서 실링부(120)와 형상유지부(130)는 높이 단차를 형성하되, 실링부(120)가 형상유지부(130)에 비해 상대적으로 높이로 형성될 수 있다. 이는 실링부(120)는 크게 변형되면서 막전극접합체(15)를 실링하도록 하고, 형상유지부(130)는 실링부(120)보다는 상대적으로 적은 변형으로 막전극접합체(15)에 살짝 접촉하면서 막전극접합체(15)에 주름 등의 변형이 발생되는 것을 방지하도록 하기 위함이다.
구체적으로 실링부(120)는 센터블록(120a) 및 사이드블록(120b)을 포함할 수 있다.
센터블록(120a)은 제2 분리판(12)에 장착된 가스켓바디(110)의 상부에 배치될 수 있다. 센터블록(120a)은 돌출된 형태이고 센터블록(120a)의 단부(122a)는 평평한 형상일 수 있다.
사이드블록(120b)은 제1 분리판(11)에 장착된 가스켓바디(110)의 하부에 복수개가 배치될 수 있다. 사이드블록(120b)은 돌출된 형태이고 사이드블록(120b)의 단부(122b)는 평평한 형상일 수 있다.
이와 같은 구조에 따라, 복수의 사이드블록(120b) 사이로 센터블록(120a)이 삽입되고 막전극접합체(15)를 복수회 절곡하며 실링할 수 있다.
그리고 형상유지부(130)는 돌출된 형상유지돌기(131)를 포함할 수 있으며, 형상유지돌기(131)의 단부(132)는 평평한 형상일 수 있다.
도 4b를 참고하면, 연료전지 스택(10)을 조립할 때, 제1 분리판(11)과 제2 분리판(12)을 눌러 가스켓조립체(100)가 막전극접합체(15)를 가압하도록 한다.
이때, 복수개의 사이드블록(120b) 사이로 센터블록(120a)이 삽입되면서 막전극접합체(15)는 복수회 절곡된다. 이러한 절곡 형상을 통해 실링부(120)에서는 연료전지 스택(10)의 내부 기밀성을 높일 수 있다.
이 경우 막전극접합체(15)의 실링영역에서는 변형이 크게 발생하게 된다.
다만 상술한 바와 같이, 형상유지돌기(131)가 실링돌기(121)의 양측부에 배치되어 있으므로, 도 4b에 개시된 화살표와 같이 막전극접합체(15)를 가볍게 눌러준다.
이에 따라 막전극접합체(15)에 발생한 주름 등의 변형부위는 실링돌기(121)와 형상유지돌기(131) 사이로 국한된다.
즉, 한 쌍의 형상유지돌기(131)의 외측부에서는 막전극접합체(15)에 주름 등의 변형이 발생하지 않는다.
본 발명인 가스켓조립체(100)의 제3 실시예에서는 가스켓바디(110)의 중앙에 배치되는 센터블록(120a)과 사이드블록(120b)간의 끼움 구조에 따라 막전극접합체(15)의 절곡 형상을 유도함으로써, 강력한 실링력을 유지할 수 있다. 동시에 실링부(120)의 양측에 배치된 형상유지부(130)를 통해 막전극접합체(15)의 변형을 완화할 수 있으므로, 연료전지 스택(10)의 기밀성능뿐 아니라, 내구성 및 사용연한을 개선하는 효과를 기대할 수 있다.
이상의 사항은 연료전지 스택의 가스켓조립체의 특정한 실시예를 나타낸 것에 불과하다.
따라서 이하의 청구범위에 기재된 본 발명의 취지를 벗어나지 않는 한도내에서 본 발명이 다양한 형태로 치환, 변형될 수 있음을 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 용이하게 파악할 수 있다는 점을 밝혀 두고자 한다.
10:연료전지 스택
11:제1 분리판 12:제2 분리판
13:제1 가스확산층 14:제2 가스확산층
15:막전극접합체
100:가스켓조립체 110:가스켓바디
120:실링부 121:실링돌기
120a:센터블록 122a:센트블록의 단부
120b:사이드블록 122b:사이드블록의 단부
122:실링돌기의 단부 124:빈공간부
126:지지돌기 127:지지돌기의 단부
130:형상유지부 131:형상유지돌기
132:형상유지돌기의 단부 140:음각부

Claims (14)

  1. 제1 분리판과 제2 분리판에 각각 배치되는 가스켓바디;
    상기 가스켓바디의 중앙부에 배치되고, 상기 제1 분리판과 상기 제2 분리판 사이에 배치된 막전극접합체를 실링하는 실링부; 및
    상기 가스켓바디에서 상기 실링부의 양측부에 배치되고, 상기 막전극접합체의 형상이 유지되도록 하는 복수의 형상유지부;
    를 포함하는, 연료전지 스택의 가스켓조립체.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 가스켓바디상에서 상기 실링부와 상기 형상유지부는 높이 단차를 형성하되,
    상기 실링부가 상기 형상유지부에 비해 상대적으로 높이로 형성되는, 연료전지 스택의 가스켓조립체.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 실링부는 돌출된 실링돌기;를 포함하고,
    상기 실링돌기의 단부는 볼록한 형상인, 연료전지 스택의 가스켓조립체.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 형상유지부는 돌출된 형상유지돌기;를 포함하고,
    상기 형상유지돌기의 단부는 평평한 형상인, 연료전지 스택의 가스켓조립체.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 가스켓바디에서 상기 실링부와 상기 형상유지부 사이에 오목하게 형성되는 음각부;를 더 포함하고,
    상기 음각부는 상기 실링부가 상기 막전극접합체를 가압하여 상기 실링부의 형상이 변형될 때 상기 실링부가 변형되는 공간을 확보하도록 제공되는, 연료전지 스택의 가스켓조립체.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 실링부가 상기 막전극접합체를 가압하며 상기 막전극접합체의 형상이 변형될 때,
    상기 복수의 형상유지부가 상기 실링부의 양측부에서 상기 막전극접합체를 접촉 지지하며 상기 막전극접합체의 형상 변형을 억제하는, 연료전지 스택의 가스켓조립체.
  7. 제4항에 있어서,
    상기 실링부는,
    상기 실링돌기의 변형력을 증대하도록, 상기 실링돌기의 내부에 형성되는 빈공간부;
    를 더 포함하는, 연료전지 스택의 가스켓조립체.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 실링부는,
    상기 가스켓바디에서 상기 빈공간부의 내부에 배치되는 지지돌기;
    를 더 포함하고,
    상기 실링돌기의 단부가 상기 막전극접합체에 접촉되며 변형될 때, 상기 실링돌기의 단부를 지지하는, 연료전지 스택의 가스켓조립체.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 지지돌기의 단부는 평평한 형상이고,
    상기 지지돌기의 단부와 상기 형상유지돌기의 단부는 상기 실링돌기의 두께에 대응되는 높이차를 형성하는, 연료전지 스택의 가스켓조립체.
  10. 제2항에 있어서,
    상기 실링부는,
    상기 제2 분리판에 장착된 가스켓바디의 상부에 배치되는 센터블록; 및
    상기 제1 분리판에 장착된 가스켓바디의 하부에 배치되는 복수의 사이드블록;를 포함하고,
    상기 복수의 사이드블록 사이로 상기 센터블록이 삽입되고 상기 막전극접합체를 복수회 절곡하며 실링하는, 연료전지 스택의 가스켓조립체.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 형상유지부는 돌출된 형상유지돌기;를 포함하고,
    상기 형상유지돌기의 단부는 평평한 형상인, 연료전지 스택의 가스켓조립체.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 실링부가 상기 막전극접합체를 가압하며 상기 막전극접합체의 형상이 변형될 때,
    상기 복수의 형상유지부가 상기 실링부의 양측부에서 상기 막전극접합체를 접촉 지지하며 상기 막전극접합체의 형상 변형을 억제하는, 연료전지 스택의 가스켓조립체.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 가스켓바디에서 상기 실링부와 상기 형상유지부 사이에 형성되는 음각부;
    를 더 포함하는, 연료전지 스택의 가스켓조립체.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 센터블록의 단부는 평평한 형상이고,
    상기 사이드블록의 단부는 평평한 형상이고,
    상기 센터블록과 상기 사이드블록은 상기 막전극접합체가 상기 음각부에 접하도록 절곡하는, 연료전지 스택의 가스켓조립체.
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