KR100551809B1 - 복합 가스켓을 포함하는 연료전지스택용 단셀 구조 - Google Patents

Abstract

본 발명은 Proton Exchange Membrane Fuel Cell(PEMFC) 스택의 체결압력을 낮게 유지하고 가스켓의 장착성을 용이하게 하면서 효과적인 실링을 제공하는 연료전지스택용 복합 가스켓과 그 체결구조에 관한 것이다.

본 발명은 연료전지스택의 단셀 조합시 복합 가스켓을 채용하여 순수한 고무에서는 얻을 수 없는 강성 확보를 위해 지지체가 되는 한 면으로는 실링성을 부여하고 다른 면에서는 접착성을 부여하여 분리판에 접착함으로써, 장착성을 개선할 수 있는 동시에 2열 비드의 단면형상을 통하여 실링성을 향상할 수 있으며, 저경도 고무재질의 사용과 부피 감소를 통하여 체결압력을 감소시킬 수 있고 연료전지의 성능향상에 기여할 수 있는 복합 가스켓을 포함하는 효과적인 실 구조를 제공한다.

연료전지스택, 복합 가스켓, 분리판, M.E.A, 2열 비드

Description

복합 가스켓을 포함하는 연료전지스택용 단셀 구조{Unit cell structure using composite-gasket for fuel cell stack}

도 1은 일반적인 연료전지스택용 단셀의 구조를 보여주는 조립도

도 2는 도 1의 분해도

도 3은 종래 연료전지스택용 단셀의 구조를 보여주는 단면도

도 4는 도 3의 일부 확대도

도 5는 본 발명에 따른 연료전지스택용 단셀의 구조에서 조립 전 상태를 보여주는 단면도

도 6은 본 발명에 따른 연료전지스택용 단셀의 구조에서 조립 후 상태를 보여주는 단면도

도 7은 도 6의 일부 확대도

도 8은 본 발명에 따른 연료전지스택용 단셀의 구조에서 복합 가스켓의 적층구조 및 변형 전/후 상태를 보여주는 단면도

〈도면의 주요부분에 대한 부호의 설명〉

10 : 분리판 11 : M.E.A

12 : 가스켓 13 : 그루브

14 : 2열 비드 15 : 지지체

16 : 공간부 17 : 이형지

18 : 접착제

본 발명은 Proton Exchange Membrane Fuel Cell(PEMFC) 스택의 체결압력을 낮게 유지하고 가스켓의 장착성을 용이하게 하면서 효과적인 실링을 제공하는 복합 가스켓을 포함하는 연료전지스택용 단셀 구조에 관한 것이다.

일반적으로 자동차와 휴대용 등에 널리 사용되고 있는 PEMFC 스택은 수소극과 산소극을 가진 분리판 사이에 Membrane & Electrode Assembly(M.E.A)가 삽입되고 이러한 구조가 반복되면서 적층되는 구성을 갖는다.

이와 같이 연속적으로 적층되는 분리판과 M.E.A의 수량은 연료전지의 성능과 관계되는 사항으로 요구되는 출력에 따라서 달라질 수 있다.

특히, 자동차용으로 적용되는 PEMFC 스택은 이러한 구조가 수백 개에 까지 이른다.

따라서, 분리판 1개당 2개씩 배치되는 가스켓은 분리판과 M.E.A를 효율적으로 조립할 수 있도록 장착이 용이해야 하며 체결하는 압력의 최소화를 유지하여 전체 스택의 저부피화ㆍ경량화에 기여하여야 한다.

또한, 스택의 외부로부터 분순물이 침투하는 것을 방지하고 매니폴드부에서는 연료가스와 냉각수의 상호 유입을 차단하는 특성이 요구된다.

도 1 내지 도 3은 일반적인 연료전지스택용 단셀의 구조를 보여주는 조립도이다.

도 1 내지 도 3에 도시한 바와 같이, PEMFC 스택은 산소극과 수소극이 양면으로 구성된 전기전도성의 분리판(10)과 수소이온을 통과시켜 전기를 발생시키는 M.E.A(11)로 구성된다.

상기 PEMFC 스택은 M.E.A(11)의 양면으로 분리판(10)이 위치하고 그 사이에 가스켓(12)이 배치되어 함께 체결되는 구조로 조립된다.

이러한 부품들은 직렬구조에 비례하여 요구출력이 커지므로 최소의 부피와 중량에 따른 최대의 성능을 얻기 위하여 가스켓 역시 최소의 부피와 면압이 요구된다.

또한, 수백 개에 이르는 분리판과 M.E.A가 직렬로 적층되어 조립되어야 하므로 효과적인 장착방법도 갖추어야 한다.

여기서, 연료전지스택용 단셀 구조에서 채용하고 있는 가스켓의 경우 분리판과 M.E.A 사이에 위치하여 실링을 하고 있지만, 열에 의한 팽창률과 수축률의 차이로 인하여 M.E.A와 가스켓이 부피변화를 일으킨다.

이러한 문제는 온도와 습도에 의하여 수축과 팽창의 변형이 빈번하게 일어나는 M.E.A와 이것과 접촉하고 있는 가스켓, 즉 고무 사이에서 발생되는 열에 대한 수축ㆍ팽창의 반복으로 초래된다.

M.E.A와 가스켓은 열에 대한 수축과 팽창이 반복되면서 미세한 공간을 통하여 모세관 현상이 발생하게 되고, 이러한 틈 사이로 냉각수가 침투하여 수소와 산소의 화학반응에 참여하게 되면서 연료전지의 성능을 저하시키거나 마비시키게 된다.

기존의 연료전지스택용 단셀 구조에서는, 도 4에 도시한 바와 같이, 분리판(10)과 M.E.A(11) 및 가스켓(12)의 외곽이 일치하지 못하여 가스의 흐름을 간섭하게 되고, 이러한 영향으로 공급량의 균일성이 깨어지면 연료전지의 성능저하의 요인이 된다.

또한, 기존 가스켓과 같은 1열 비드 형태의 단면은 M.E.A와 가스켓의 열에 의한 수축ㆍ팽창률의 차이로 미세한 공간을 만들게 되고, 이러한 공간은 모세관 현상을 일으켜서 매니폴드의 냉각수를 연료전지의 화학반응영역으로 침투시켜서 M.E.A를 오염시키게 되는데, 이러한 현상은 성능에 막대한 손실을 초래한다.

그리고, 분리판의 그루브(13) 속에서 가스켓이 유동하게 되면 M.E.A의 양쪽면으로 맞닿아 있는 가스켓의 위치가 어긋나면서 면압의 저하와 실링성 저하를 일으키게 된다.

이와 같이, 기존의 연료전지스택용 단셀 구조에서 채용하고 있는 가스켓은 분리판의 운전온도 상승방지를 위하여 사용하는 에틸렌글리콜이 분리판의 내부로 침투하는 문제점을 갖고 있으며, 또한 장착성이 불량하여 스택 체결시 많은 시간이 소요되고 있다.

따라서, 본 발명은 이와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로서, 연료전지스택의 단셀 조합시 복합 가스켓을 채용하여 순수한 고무에서는 얻을 수 없는 강성 확보를 위해 지지체가 되는 한 면으로는 실링성을 부여하고 다른 면에서는 접착성을 부여하여 분리판에 접착함으로써, 장착성을 개선할 수 있는 동시에 2열 비드의 단면형상을 통하여 실링성을 향상할 수 있으며, 저경도 재질의 사용과 부피 감소를 통하여 체결압력을 감소시킬 수 있는 복합 가스켓을 포함하는 연료전지스택용 단셀 구조를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은 M.E.A의 양면으로 분리판이 위치하고 그 사이에 가스켓이 각각 배치되어 함께 조립되는 구조로 이루어진 연료전지스택용 단셀 구조에 있어서, 상기 가스켓에는 고무재질의 2열 비드가 구비되어 조립시 2열 비드가 M.E.A를 사이에 두고 위아래에서 압착되면서 M.E.A의 단면 전체둘레를 완전히 감쌀 수 있도록 된 구조로 이루어진 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 가스켓은 강성유지를 위한 지지체와 그 위에 부착되는 고무재질의 2열 비드로 구성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 가스켓은 분리판측과 조립시 분리판이 갖는 그루브 내에 지지체만 삽입되는 구조로 조립되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 가스켓의 2열 비드는 압축되는 변형량을 수용할 수 있는 비드 사이의 공간부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 2열 비드의 양쪽 외곽은 조립 전(변형 전) 지지체의 외곽과 일치 하게 되는 구조를 특징으로 한다.

또한, 상기 2열 비드의 양쪽 외곽은 조립 후(변형 후) 분리판의 외곽과 일치하게 되는 구조를 특징으로 한다.

또한, 상기 가스켓의 지지체는 플라스틱 필름, 직물, 금속 중의 어느 하나인 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 가스켓의 지지체에는 이형지를 갖는 접착제가 가공처리되어 있는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 가스켓은 분리판에 접착하여 일체형으로 적용되는 것을 특징으로 한다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 5 내지 도 7은 본 발명에 따른 연료전지스택용 단셀 구조를 보여주는 단면도이다.

도 5 내지 도 7에 도시한 바와 같이, 복합 가스켓을 포함하는 분리판(10)과 M.E.A(11)의 조립시 그 사이에서 압착 변형되는 가스켓(12)의 2열 비드(14)에 의해 분리판(10) 및 M.E.A(11)와 가스켓(12)의 외곽을 일치시켰다.

즉, M.E.A(11)의 양면으로 분리판(10)이 위치되고 그 사이에 가스켓(12)이 각각 배치되면서 함께 체결 조립되어 가스켓(12)의 2열 비드(14)가 최종적으로 압착되면 2열 비드(14)의 외부비드가 M.E.A(11)를 완전히 차단해서 가스켓(12)의 외 곽면은 동일한 지점에서 일치되게 된다.

이는 체결압력에 대한 가스켓(12)의 변형량을 계산하여 분리판(10)에 결합되는 위치를 설정하였기 때문에 고정된 체결압력에 대하여 일정한 변형량을 나타냄으로써 가능하다.

이러한 효과로 가스의 균일한 공급이 가능하다.

그리고, 종전의 1열 비드에서 2열 비드(14)로 변경 개선함으로써 M.E.A(11)를 기준으로 이중의 실링구조를 제공하여 단셀의 내부 또는 외부의 오염을 완전히 차단하였다.

본 발명에서 제공하는 복합 가스켓의 경우 분리판(10)의 그루브(13) 내에 삽입되면서 완전 접합되는 형태를 가짐에 따라 유동을 배제할 수 있고, 따라서 일정한 면압유지와 실링성의 개선을 도모할 수 있다.

도 8에 도시한 바와 같이, 여기서는 복합 가스켓의 적층구조와 변형 전과후의 상태를 보여준다.

상기 복합 가스켓은 접착제가 접합된 지지체(15), 예를 들면 플라스틱 필름 표면에 필요한 형상으로 고무를 코팅하여 주어진 형태로 절단하면 가스켓의 역할을 수행할 수 있다.

코팅이 완료된 가스켓은 뒷면의 이형지(17)가 제거된 상태에서 분리판(10)에 가공된 그루브(13)에 접합된다.

이때, 그루브(13) 내에는 2열 비드(14)를 제외한 지지체(15)만이 삽입된다.

본 발명의 접착성 플라스틱 필름은 일정한 형태의 유지가 어려운 고무의 특 성을 보완한 것으로, 조립공정에서의 장착성을 개선하기 위한 방안으로 제공되는 것이며, 플라스틱 필름 이외에 직물, 금속도 적용이 가능하다.

2열 비드 형태로 코팅된 고무는 압축되는 변형량을 고려하여 비드 사이의 공간부(16)를 확보하였으며, 접착제(18)는 조립 후 분해되지 않도록 하였고, 이형지(17)는 이형성 확보를 위하여 플라스틱 필름 혹은 종이재질을 사용할 수 있다.

이러한 2열 비드(14)는 조립 후 압착되면서 변형되는데, 왼쪽과 같이 변형 전에는 비드 외곽이 지지체(15)의 외곽과 일치하게 되지만, 변형 후에는 오른쪽과 같이 눌려지면서 비드 외곽은 지지체(15)의 외곽보다 돌출되고, 이렇게 돌출된 비드 외곽은 분리판(10)의 외곽과 일치하게 된다.

도 7에 도시한 바와 같이, 단셀의 체결 조립이 완료된 상태에서 2열 비드(14)는 M.E.A(11)의 단면을 사이에 두고 위아래의 분리판(10)에 의해 압착되면서 위아래 2개의 비드를 이용하여 M.E.A(11)의 단면(4면) 전체둘레를 완전히 감쌀 수 있게 된다.

물론, M.E.A(11)의 내측 단면, 즉 도면에서 오른쪽에 위치되는 단면(내부 비드에 의해 감싸여지는 부분)은 3면만 감싸여지게 된다.

본 발명에서 제공하는 단셀 구조, 특히 복합 가스켓은 강성확보를 위한 지지체로서 딱딱하게 지지하는 물질로 플라스틱 필름을 채용한 특징을 갖는다.

한 면에는 접착제를 가공하였고 다른 면에는 고무를 코팅하였다.

고무가 코팅된 면은 M.E.A(11)와 맞닿게 되고 접착제(18)가 가공된 면은 분 리판(10)에 있는 그루브(13)에 접착되면서 분리판(10)과 일체식이 될 수 있다.

이러한 접착성 플라스틱 필름과 고무는 체결압력을 낮게 유지하고, 80∼90℃의 운전온도에서 변형이 없도록 하고, 화학반응에서 발생하는 강산의 분위기와 물에 부식되지 않는 내구성을 지니도록 하는 것이 바람직하다.

이를 위하여, 본 발명에서는 제작과정과 연료전지의 분위기 온도에서 수축이 없고 강산에 대한 내구성이 있으면서 박판의 형태로 가공될 수 있는 플라스틱 재질, 예를 들면 내열성과 내약품성, 치수안정성이 우수한 폴리 에틸렌 테레프탈레이트, 폴리이미드 등의 엔지니어링 플라스틱을 사용하였다.

이 밖에도 사용가능한 재료로는 직물과 금속 등이 적용 가능하다.

플라스틱 필름의 표면에 도포되는 접착제 역시 제조공정에서 열에 의한 변형이 없어야 하며 장착 후에는 성분의 노출이 없어야 하므로 재질의 선택과 양의 조절이 중요하고 본 발명에서는 아크릴계 접착제를 사용하였다.

이러한 플라스틱 필름, 즉 지지체(15)에는 2열 비드(14)를 만들기 위한 고무가 도포되는데, 본 발명에는 실크스크린 공법을 적용하여 비드를 성형하였다.

실크스크린 공법이란 비단, 나이론, 테드론의 섬유 또는 스테인레스스틸 등으로 짜여진 망사를 틀에 펼쳐 놓고 네모서리를 팽팽하게 고정시킨 후, 그 위에 수공적 또는 광화학적 방법으로 판막을 만들어 필요한 화상 이외의 목(目)을 막은 다음, 틀 안에 재료를 부어서 스퀴지(Squeegee)라고 불리는 도구로 스크린 내면을 가압하고, 계속해서 판막이 없는 부분의 망사를 통과시켜 판 밑에 놓여있는 상대물에 재료를 도포하는 공법이다.

이렇게 실크스크린 공법에 의해 형성된 비드는 상온 혹은 고온에서 일정 시간의 경화 공정을 거쳐 제품으로 완성된다.

이러한 실크스크린 공법은 공정이 간단하며 적절한 공급량의 조절을 통하여 재료의 손실을 최소로 할 수 있고 치수안정성이 우수하다는 장점을 가지고 있다.

그리고, 컴프레션 몰드(Compression Mold) 혹은 MIPG(Molded In Place Gasket), FIPG(Formed In Place Gasket) 등의 방법에 비하여 비용이 저렴하며 제품제작이 신속하다.

또한, 일반적으로 100[㎛]이하의 두께에 적용되는 실크스크린 공법을 본 발명에서는 200~400[㎛]으로 적용하였기 때문에 몇 가지의 조건이 수반되었다.

본 발명과 같이 비교적 두꺼운 두께의 도포를 위해서는 액상고무의 점도, 액상고무의 고형분 비율, 단면형상 등의 제약을 받는다.

본 발명에서 적용된 고무는 점도가 200~400[Poise]이며 고형분(불휘발분)이 70%이상의 액상 실리콘 혹은 불소재질을 사용하여 비드 하나의 폭이 1.5~2[mm]를 형성하였다.

불소는 강산에 대한 내구성을 확보하고 있지만 실리콘을 사용할 경우에는 내산성 실리콘을 사용하여야 한다.

또한, 체결압력을 낮게 유지하기 위하여 고무경도(Hardness Shore A)가 Hs 20~30의 재질을 사용하였다.

또한, 본 발명에서는 분리판에서 수소와 산소가 전기화학반응을 하는 부분 반응영역(Active Area)으로 냉각수가 침투하는 현상을 방지하기 위하여 기존의 1열 비드 형태를 2열 비드 형태로 개선하였다.

이렇게 개선된 2열 비드 형태는 분리판의 반응영역을 기준으로 내부 비드와 외부 비드로 구분될 수 있으며, 분리판의 산소극과 수소극의 내부 비드 사이에는 M.E.A가 맞닿게 되며, 외부 비드는 고무끼리만 접촉하게 되어 이중으로 실링을 하게 된다.

위와 같이 이중으로 고무가 실링을 하면 외부 비드는 고무만 접촉하게 되어서 수축ㆍ팽창에 의한 냉각수의 침투를 방지하고, M.E.A와 스택 외부를 완전히 차단하여 M.E.A가 외부의 간섭을 전혀 받지 않는 효과가 있다.

그리고, 연료전지의 성능에 미치는 영향을 고려하여 1개의 비드당 체적을 최소화한 2열 비드 이상의 형상은 단셀(매니폴드부) 혹은 외부의 오염으로부터 완전히 차단되는 효과가 있다.

또한, 본 발명에서는 가스켓을 분리판에 장착하여 주어진 압력으로 체결하였을 때 압축되는 힘에 의한 고무의 변형량이 분리판의 외곽과 일치하게 함으로써, 단셀(매니폴드부)에서 반응가스가 분리판 혹은 M.E.A, 가스켓의 간섭을 받지 않고 원활하게 공급되기 때문에 공급량의 불균일로 인한 성능의 저하를 방지하는 효과가 있다.

그리고, M.E.A 양극으로 배치되는 분리판에 결합된 가스켓의 맞닿는 면을 일치시키기 위하여 분리판의 표면에 가이드 역할을 하는 그루브를 성형하여 접착함으로써, 체결시 어긋나지 않게 하였다.

분리판에 가공되는 그루브는 0.05~0.1[mm]의 깊이로 형성하였으며, 체결압력 에 따른 고무의 변형량을 계산하여 외곽으로부터 일정 간격으로 그루브의 가공 위치를 설정하였다.

이상에서와 같이 본 발명은 2열 비드 및 지지체로 구성되는 복합 가스켓을 포함하는 연료전지스택용 단셀 구조를 제공함으로써, 장착성을 개선할 수 있고, 실링성을 확보할 수 있으며, 저경도 재질의 사용과 부피 감소를 통하여 체결압력을 감소시킬 수 있는 효과가 있다.

Claims (9)

1. M.E.A(11)의 양면으로 분리판(10)이 위치하고 그 사이에 가스켓(12)이 각각 배치되어 함께 조립되는 구조로 이루어진 연료전지스택용 단셀 구조에 있어서,

   상기 가스켓(12)에는 고무재질의 2열 비드(14)가 구비되어 조립시 2열 비드(14)가 M.E.A(11)를 사이에 두고 위아래에서 압착되면서 M.E.A(11)의 단면 전체둘레를 완전히 감쌀 수 있도록 된 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 복합 가스켓을 포함하는 연료전지스택용 단셀 구조.
2. 청구항 1에 있어서, 상기 가스켓(12)은 강성유지를 위한 지지체(15)와 그 위에 부착되는 고무재질의 2열 비드(14)로 구성되는 것을 특징으로 하는 복합 가스켓을 포함하는 연료전지스택용 단셀 구조.
3. 청구항 1 또는 2에 있어서, 상기 가스켓(12)은 분리판(10)측과 조립시 분리판(10)이 갖는 그루브(13) 내에 지지체(15)만 삽입되는 구조로 조립되는 것을 특징으로 하는 복합 가스켓을 포함하는 연료전지스택용 단셀 구조.
4. 청구항 1 또는 2에 있어서, 상기 가스켓(12)의 2열 비드(14)는 압축되는 변형량을 수용할 수 있는 비드 사이의 공간부(16)를 포함하는 것을 특징으로 하는 복합 가스켓을 포함하는 연료전지스택용 단셀 구조.
5. 청구항 1 또는 2에 있어서, 상기 2열 비드(14)의 양쪽 외곽은 조립 전(변형 전) 지지체(15)의 외곽과 일치하게 되는 것을 특징으로 하는 복합 가스켓을 포함하는 연료전지스택용 단셀 구조.
6. 청구항 1 또는 2에 있어서, 상기 2열 비드(14)의 양쪽 외곽은 조립 후(변형 후) 분리판(10)의 외곽과 일치하게 되는 것을 특징으로 하는 복합 가스켓을 포함하는 연료전지스택용 단셀 구조.
7. 청구항 2에 있어서, 상기 가스켓(12)의 지지체(15)는 플라스틱 필름, 직물, 금속 중의 어느 하나인 것을 특징으로 하는 복합 가스켓을 포함하는 연료전지스택용 단셀 구조.
8. 청구항 3에 있어서, 상기 가스켓(12)의 지지체(15)에는 이형지(17)를 갖는 접착제(18)가 가공처리되어 있는 것을 특징으로 하는 복합 가스켓을 포함하는 연료전지스택용 단셀 구조.
9. 청구항 3에 있어서, 상기 가스켓(12)은 분리판(10)에 접착하여 일체형으로 적용되는 것을 특징으로 하는 복합 가스켓을 포함하느 연료전지스택용 단셀 구조.

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