KR100954432B1 - 가스켓 일체형 전류 집전체를 구비한 연료전지 스택 - Google Patents

가스켓 일체형 전류 집전체를 구비한 연료전지 스택 Download PDF

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Abstract

본 발명은 연료전지 스택 내를 순환하는 냉각수 또는 반응가스에 포함된 수분에 의한 전류 집전체의 부식을 방지하도록 개선된 가스켓 일체형 전류 집전체를 구비한 연료전지 스택에 관한 것이다. 본 발명의 연료전지 스택은 수소와 산소의 전기화학반응에 의해 전기 에너지를 생성하는 복수 개의 단위 전지들이 순차적으로 적층 결합되는 단위 전지 집합체, 단위 전지 집합체에서 생성된 전기 에너지를 외부로 인출하는 가스켓 일체형 전류 집전체, 및 단위 전지 집합체의 양 단부에서 기 설정된 체결압을 가하면서 결합되는 엔드 플레이트를 포함한다. 그리고, 가스켓 일체형 전류 집전체는 단위 전지 집합체로 유입되는 반응가스 또는 냉각수의 유동통로인 매니폴드가 형성되는 전류 집전판, 및 전류 집전판의 일면에 밀착 결합되면서 매니폴드의 내측 테두리를 감싸는 매니폴드 실링부를 구비하는 가스켓을 포함한다.
전류 집전체, 가스켓, 연료전지, 스택, 부식, 매니폴드, 체결압

Description

가스켓 일체형 전류 집전체를 구비한 연료전지 스택{Fuel Cell Stack Having Current Collector Unified Gasket}
본 발명은 수소와 산소의 전기화학반응에 의해 전기 에너지를 생성하는 연료전지 스택에 관한 것이며, 더욱 상세하게는 연료전지 스택 내를 순환하는 냉각수 또는 반응가스에 포함된 수분에 의한 전류 집전체의 부식을 방지하도록 개선된 가스켓 일체형 전류 집전체를 구비한 연료전지 스택에 관한 것이다.
일반적으로 고분자 전해질 연료전지는 수소이온 교환특성을 갖는 고분자막을 전해질로 사용하는 연료전지이다. 고분자 전해질 연료전지는 수소를 함유한 연료가스와, 산소를 함유한 산화제 가스를 전기화학적으로 반응시킴으로써, 전기 에너지와 열을 발생시킨다. 이런 고분자 전해질 연료전지는 저온인 60 ~ 80˚C에서 동작이 가능하며, 높은 전류밀도를 유지한다. 이러한 이유로 인해 고분자 전해질 연료전지는 다른 연료전지 종류에 비해 빠른 시동능력이 있으며, 소형화 및 경량화가 가능하며, 이동용 전원 및 가정용 열병합 발전설비와 같이 다양한 분야에 적용되고 있다.
고분자 전해질형 연료전지의 단위전지는 수소와 산소가 전기화학적으로 반응 하여 전기 에너지를 발생시키기 위한 기본 구성요소로서 연료전지 스택(stack)을 구비한다. 연료전지 스택은 수 개 또는 수십 개의 단위 전지들이 직렬로 적층되는 구성을 갖는다. 이런 단위 전지는 막전극 접합체(MEA ; Membrane Electrode Assembly), 유체 분배층(fluid distribution layer), 및 막전극 접합체의 양쪽 면에 각각 접하는 연료전지 분리판(separator)들로 이루어진다. 막전극 접합체는 수소 이온만을 선택적으로 통과시키는 고분자 전해질막을 구비하고, 이런 고분자 전해질막의 양쪽 면에 산화전극과 환원전극이 접합된다. 유체 분배층은 전기화학반응에 사용되는 반응가스를 전극에 전달하고, 전기화학반응에 의한 생성물을 배출한다. 연료전지 분리판들은 단위전지들을 구조적으로 지지하는 지지체 역할을 수행한다. 연료전지 분리판들은 외부로부터 반응가스와 냉각수를 단위 전지의 내부로 공급하며, 반응가스가 전기화학반응된 후에 생성되는 물과 같은 생성물을 외부로 배출시키는 역할도 수행한다.
연료 가스 또는 산화제 가스와 같은 반응가스는 연료전지 스택의 내부에 형성된 매니폴드(manifold)를 통해 각각의 단위 전지 내부로 공급된다. 또한, 냉각수도 전기화학반응 과정에서 발생되는 열을 제거하기 위해 연료전지 스택의 내부로 공급된다.
그리고, 연료전지 스택은 전기 에너지를 외부로 전달하기 위해 단위 전지들이 적층된 집합체의 양 단부에 전류 집전판이 설치된다. 전류 집전판은 높은 전기 전도성을 갖는 금속소재로 제작되거나, 그 표면이 금으로 도금 처리된다. 하지만, 전류 집전판은 연료전지 스택을 장시간 운전하는 조건에서 수분을 함유하는 반응가 스 또는 냉각수에 지속적으로 노출되면서, 그 금속 표면에 갈바닉 부식(galvanic corrosion)이 발생된다. 특히, 도 16에 도시된 바와 같이 전류 집전판은 반응가스 또는 냉각수가 유동하는 매니폴드 영역에서 부식이 집중적으로 발생된다. 종래의 연료전지 스택은 이와 같은 전류 집전체에서의 부식 생성물로 인해 주위의 여러 구성요소가 오염되고, 전류 집전판의 전기 전도도도 저하됨에 따라 연료전지 성능이 감소되는 문제점이 있다.
종래에는 이와 같은 문제점을 해결하기 위해 루테늄 산화물 및 비불화성 금속 산화물을 포함하는 활성 전기촉매재료로 전류 집전판을 코팅하는 기술이 제시되었다. 하지만, 이러한 종래의 연료전지 스택은 활성 전기촉매 재료를 코팅해야 하는 별도의 공정이 요구될 뿐만 아니라, 제품의 제조단가가 상대적으로 높아지는 문제점이 있다.
본 발명은 앞서 설명한 바와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로서, 반응가스 또는 냉각수가 외부로 누출되지 않도록 가스켓을 설치하면서도 이러한 가스켓이 전류 집전판의 매니폴드 영역을 감싸도록 일체화되게 형성함으로써 전류 집전판의 부식을 방지할 수 있는 가스켓 일체형 전류 집전체를 구비한 연료전지 스택을 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 가스켓 일체형 전류집전체를 구비함으로써, 전류 집전체와 엔드 플레이트를 체결하는 과정에서 발생되는 체결압의 불균형을 완화할 수 있도록 개선된 연료전지 스택을 제공하는데 다른 목적이 있다.
본 발명의 실시예에 따른 연료전지 스택은 수소와 산소의 전기화학반응에 의해 전기 에너지를 생성하는 복수 개의 단위 전지들이 순차적으로 적층 결합되는 단위 전지 집합체, 상기 단위 전지 집합체에 적층 결합되면서 상기 단위 전지 집합체에서 생성된 전기 에너지를 외부로 인출하는 가스켓 일체형 전류 집전체, 및 상기 단위 전지 집합체의 양 단부에서 기 설정된 체결압을 가하면서 결합되는 엔드 플레이트를 포함한다. 상기 가스켓 일체형 전류 집전체는 상기 단위 전지 집합체로 유입되는 반응가스 또는 냉각수의 유동통로인 매니폴드가 형성되고, 전기 에너지가 외부로 인출되게 전기 전도성 소재로 제작되는 전류 집전판, 및 상기 전류 집전판의 일면에 밀착 결합되면서 상기 매니폴드의 내측 테두리를 감싸는 매니폴드 실링 부를 구비하는 가스켓을 포함한다.
상기 가스켓에는 상기 체결압을 전달하는 복수 개의 체결압 분산 수단들이 형성되고, 상기 복수 개의 체결압 분산 수단들은 상기 가스켓에 위치하는 영역에 따라 상기 체결압을 지지하는 정도가 각각 다르게 형성된다.
상기 체결압 분산 수단은 상기 가스켓에서 상기 엔드 플레이트를 향하는 면으로 돌출되는 체결압 분산 돌기이다. 상기 체결압 분산 돌기의 단위 면적당 차지하는 평면적은 상기 가스켓에서 내부 중심 영역에 비해 외곽 테두리 영역에서 더 좁게 형성된다. 또는 상기 체결압 분산 돌기의 돌출 높이는 상기 가스켓에서 내부 중심 영역에 비해 외곽 테두리 영역에서 더 낮게 형성된다. 또는 상기 체결압 분산 돌기의 평면 크기는 상기 가스켓에서 내부 중심 영역에 비해 외곽 테두리 영역에서 더 작게 형성된다.
상기 체결압 분산 수단은 상기 가스켓의 내측으로 파여진 체결압 분산 홈 또는 체결압 분산 구멍 중 어느 하나이다. 상기 체결압 분산 홈의 단위 면적당 차지하는 평면적 또는 상기 체결압 분산 구멍의 단위 면적당 차지하는 평면적은 상기 가스켓에서 내부 중심 영역에 비해 외곽 테두리 영역에서 더 넓게 형성된다. 또는 상기 체결압 분산 홈의 평면 크기 또는 상기 체결압 분산 구멍의 평면 크기는 상기 가스켓에서 내부 중심 영역에 비해 외곽 테두리 영역에서 더 크게 형성된다.
상기 매니폴드 실링부는 상기 전류 집전판이 면접하는 방향으로 돌출되는 쐐기 형상으로서, 상시 전류 집전판에 비해 더 높은 두께를 가지면서 상기 전류 집전판이 끼워지는 결합홈이 내측으로 파여지게 형성된다.
상기 전류 집전판은 전기 에너지를 외부로 인출하기 위한 상기 단위 전지 집합체의 외부로 더 돌출되는 인출탭이 형성되며, 상기 인출탭은 상기 엔드 플레이트의 크기 범위 내에 위치한다.
상기 전류 집전판은 스테인레스강, 구리, 구리합금, 알루미늄, 알루미늄 합금으로 이루어진 소재 군에서 선택되는 전기 전도성 소재로 제작된다.
상기 가스켓은 실리콘계, 불소계, 올레핀계, 이피디엠(EPDM ; Ethylene Propylene Diene Trepolymer) 고무, 유리섬유로 강화시킨 실리콘 시트, 테프론 시트로 이루어진 소재 군에서 선택되는 어느 하나의 소재로 제작된다.
본 발명의 실시예에 따른 연료전지 스택은 전류 집전판의 매니폴드 영역을 가스켓이 감싸도록 형성함으로써, 전류 집전판에 반응가스 또는 냉각수가 접촉되지 않게 차단한다. 이로 인해, 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 스택은 장시간 운전되더라도 전류 집전판의 부식이 억제됨으로써, 종래의 연료전지 스택에 비해 연료전지 성능이 향상될 수 있는 장점이 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 스택은 전류 집전판에 일체화되게 결합된 가스켓이 체결 높이 및 체결압을 조절하도록 형성됨으로써, 체결압을 조절해야 하는 불편함이 없어서 종래의 연료전지 스택에 비해 상대적으로 보다 간편하게 스택 체결이 가능해지는 장점이 있다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속 하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료전지 스택의 분해 사시도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료전지 스택(100)은 수소와 산소를 전기화학적으로 반응시킴으로써 전기 에너지를 발생시키는 발전 구성요소이다. 이런 연료전지 스택(100)은 전기 에너지를 발생시키는 최소의 단위로서 단위 전지(110)를 구비하며, 이러한 수 개 또는 수십 개의 단위 전지(110)들이 연속적으로 적층 결합된 단위 전지 집합체로 이루어진다.
단위 전지(110)는 막전극 접합체(120), 유체 분배층, 및 막전극 접합체(120)의 양쪽 면에 각각 접하는 연료전지 분리판들로 이루어진다. 여기서, 연료전지 분리판은 캐소드 분리판(130)과 애노드 분리판(140)으로 구분된다. 캐소드 분리판(130)은 막전극 접합체(120)를 향하는 일면에 산화제 가스 유로가 형성되고, 산소를 함유하는 산화제 가스가 매니폴드를 통해 산화제 가스 유로로 유입된다. 애노드 분리판(140)은 막전극 접합체(120)를 향하는 일면에 연료 가스 유로가 형성되고, 수소를 함유하는 연료 가스가 매니폴드를 통해 연료 가스 유로로 유입된다. 이와 같이 단위 전지 집합체의 내부에 형성된 매니폴드는 막전극 접합체(120)의 매니폴드(121), 캐소드 분리판(130)의 매니폴드(131), 애노드 분리판(140)의 매니폴드(141)가 적층 결함됨으로써, 반응가스가 공급될 수 있는 하나의 통로로 형성된다. 이때, 막전극 접합체(120)의 매니폴드(121) 뿐만 아니라, 캐소드 분리판(130) 의 매니폴드(131)와 애노드 분리판(140)의 매니폴드(141)는 수소와 산소의 전기화학반응이 유발되는 반응가스 영역이 아닌 외곽 테두리 영역에 위치한다.
연료전지 스택(100)은 단위 전지 집합체에서 생성된 전기 에너지를 외부로 인출하는 가스켓 일체형 전류 집전체(200), 및 외부로부터 단위 전지 집합체를 보호하면서 단위 전지 집합체를 기 설정된 체결압으로 상호 밀착되게 결합시키는 엔드 플레이트(150)를 더 구비한다. 가스켓 일체형 전류 집전체(200)와 엔드 플레이트(150)는 단위 전지 집합체의 양 단부에서 각각 순차적으로 적층 결합된다. 이때, 가스켓 일체형 전류 집전체(200)와 엔드 플레이트(150)에도 단위 전지 집합체의 내부에 형성된 매니폴드와 함께 하나의 통로를 이루는 매니폴드가 형성됨으로써, 반응가스가 단위 전지 집합체의 내부로 공급될 수 있다.
도 2는 도 1에 도시된 가스켓 일체형 전류 집전체를 나타낸 분해 사시도이고, 도 3은 도 1에 도시된 가스켓 일체형 전류 집전체의 사시도이다.
도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 가스켓 일체형 전류 집전체(200)는 전기 에너지를 외부로 인출하도록 전기 전도성 소재의 전류 집전판(210)을 구비한다. 전류 집전판(210)은 단위 전지(110)의 평면 형상과 대략적으로 동일하게 형성되며, 단위 전지 집합체의 내부에 형성된 매니폴드에 대응하여 반응가스 또는 냉각수의 유동통로인 매니폴드가 형성된다. 이를 보다 자세하게 구분하면 전류 집전판(210)의 매니폴드는 산화제 가스 입구 매니폴드(211), 산화제 가스 출구 매니폴드(212), 연료 가스 입구 매니폴드(213), 연료 가스 출구 매니폴드(214), 냉각수 입구 매니폴드(215), 냉각수 출구 매니폴드(216)로 이루어진다.
그리고, 전류 집전판(210)은 단위 전지 집합체의 평면 형상에 비해 더 돌출되게 인출탭(217)이 형성되고, 이러한 인출탭(217)에 외부의 도선(導線)이 연결됨으로써 전기 에너지가 외부로 인출된다. 이때, 인출탭(217)은 도 1에 도시된 바와 같이 엔드 플레이트(150)의 외부로 더 돌출되지 않게 엔드 플레이트(150)의 크기 범위 내에 위치하여, 외부 요인으로부터 손상되지 않게 방지하는 것이 바람직하다. 인출탭(217)에는 고정용 구멍(218)이 형성되며, 이런 고정용 구멍(218)에 나사와 같은 체결 도구가 끼워져 엔드 플레이트(150)에 고정된다.
전류 집전판(210)은 스테인레스강, 구리, 구리합금, 알루미늄, 알루미늄 합금으로 이루어진 소재 군에서 선택되는 전기 전도성 소재로 제작되거나, 이런 전기 전도성 소재가 표면에 도금 처리된다. 이로 인해 전류 집전판(210)은 소재의 특성상 반응가스 또는 냉각수에 장기간 노출되는 경우에 갈바닉 부식이 유발될 가능성이 있다.
연료전지 스택(100)은 단위 전지 집합체의 내부에서 반응가스 또는 냉각수가 누설되지 않도록 가스켓이 단위 전지들 사이에 적층된다. 특히, 가스켓 일체형 전류 집전체(200)는 전류 집전판(210)의 부식을 방지하기 위해서 다음과 같이 전류 집전판(210)의 일면에 밀착 결합되는 가스켓(220)을 구비한다. 특히 가스켓(220)은 매니폴드의 내측을 감싸는 매니폴드 실링부(230)를 구비하여, 전류 집전판(210)이 일체로 결합된 상태에서 전류 집전판(210)의 매니폴드가 반응가스 또는 냉각수에 접촉되지 않도록 차단한다. 가스켓(220)은 실리콘계, 불소계, 올레핀계, 이피디엠(Ethylene Propylene Diene Trepolymer) 고무, 유리섬유로 강화시킨 실리콘 시 트, 테프론 시트로 이루어진 소재 군에서 선택되는 어느 소재로 제작된다. 이와 같은 소재의 가스켓(220)은 쉽게 부식되지 않는 내식성을 가지며, 기 설정된 압축성에 의해 반응가스 또는 냉각수가 누설되지 않게 다른 구성요소에 밀착된다.
가스켓(220)은 전류 집전판(210)과 대략적으로 동일한 평면 형상을 가지며, 엔드 플레이트(150)를 향하는 전류 집전판(210)의 일면에 밀착된 상태로 일체로 결합된다. 가스켓(220)에도 전류 집전판(210)의 매니폴드에 대응하여, 반응가스 또는 냉각수의 유동통로인 매니폴드가 형성된다. 매니폴드 실링부(230)는 이러한 가스켓(220)의 매니폴드 역할을 수행하면서, 전류 집전판(210)과 결합된다. 이러한 매니폴드 실링부(230)의 형상과 전류 집전판(210)과의 결합 상태는 아래에서 도면을 참조하면서 설명한다.
도 4a 및 도 4b는 도 3에 도시된 선 Ⅳ-Ⅳ를 따라 절단하여 나타낸 가스켓 일체형 전류 집전체의 단면도이다.
도 3 내지 도 4b에 도시된 바와 같이, 매니폴드 실링부(230)는 가스켓(220)의 양 면 중에서도 전류 집전판(210)이 면접하는 방향(도 3에서 음의 y방향)으로 돌출된 쐐기 형상을 갖는다. 매니폴드 실링부(230)는 전류 집전판(210)에 비해 더 높은 두께를 가지면서, 전류 집전판(210)이 끼워질 수 있는 결합홈(231)이 내측으로 파여진 형태로 형성된다. 이로 인해 전류 집전판(210)이 가스켓(220)의 결합홈(231)에 끼워져 결합된다면(도 4a), 전류 집전판(210)에 형성된 매니폴드의 내측 테두리는 매니폴드 실링부(230)에 감싸지면서 일체로 결합된다(도 4b). 이로 인해 가스켓 일체형 전류 집전체(200)는 반응가스 또는 냉각수가 공급될 수 있는 매니폴 드를 구비하더라도, 전류 집전판(210)은 이러한 반응가스 또는 냉각수에 노출되지 않으면서 부식될 가능성이 낮아진다.
가스켓(220)은 성형 공정을 통해 매니폴드 실링부(230)도 일체화된 하나의 구성요소로서 제작된다. 매니폴드 실링부(230)는 바람직하게는 도 4a 및 도 4b에 도시된 바와 같이 대략적으로 삼각형의 단면형상으로서, 전류 집전판(210)이 쉽게 분리되지 않도록 지지하는 구조를 갖는다.
이 외에도 본 발명의 실시예는 도 5에 도시된 바와 같은 사다리꼴 단면 형상의 매니폴드 실링부(240), 도 6에 도시된 바와 같은 반원 단면 형상의 매니폴드 실링부(250), 도 7에 도시된 바와 같은 사각형 단면 형상의 매니폴드 실링부(260)가 적용 가능하다. 이와 같이 본 발명의 실시예에 따른 매니폴드 실링부(230, 240, 250, 260)의 단면 형상은 구성요소들을 적층한 틈새 사이로 반응가스 또는 냉각수가 누설되지 않도록, 실링할 수 있는 구조라면 다양한 형태의 가스켓 실링 구조로 제작될 수 있다.
도 8은 도 1에 도시된 가스켓 일체형 전류 집전체로서 가스켓이 위치한 배면을 나타낸 사시도이고, 도 9는 도 8에 도시된 가스켓 일체형 전류 집전체의 배면을 나타낸 평면도이다.
도 1, 도 8, 및 도 9에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제1 실시예에 따른 가스켓 일체형 전류 집전체(200)는 전류 집전판(210)에 일체화되게 결합된 가스켓(220)이 다음과 같이 형성된다. 가스켓(220)은 상기 설명한 바와 같이 내식성과 함께 기 설정된 압축성을 갖는 탄성 소재로 제작된다. 이로 인해, 가스켓(220)은 엔드 플레이트(150)가 체결되는 과정에서 전달되는 체결압을 기 설정된 만큼 흡수하면서 지지할 수 있다.
연료전지 스택(100)은 수소와 산소의 전기화학반응이 유발되는 반응가스 영역이 단위 전지(110)의 내부에 위치하기 때문에, 일반적으로 스택 체결수단이 엔드 플레이트(150)의 내부 중심 영역이 아닌 외곽 테두리 영역에 위치한다. 그러면, 엔드 플레이트(150)에는 굽힘 모멘트와 함께 내부 중심 영역에 비해 외곽 테두리 영역에서 상대적으로 더 큰 체결압이 가해지고, 연료전지 스택(100)은 이와 같은 엔드 플레이트(150)의 변형에 의한 높이 편차와 체결압의 불균형이 유발될 수 있다.
본 발명의 제1 실시예에 따른 가스켓(220)은 체결압을 지지하는 복수 개의 체결압 분산 수단들을 구비함으로써, 엔드 플레이트(150)의 변형에 의한 높이 편차와 체결압의 불균형을 조절한다. 즉, 복수 개의 체결압 분산 수단들은 위치하는 영역에 따라 체결압을 지지하는 정도가 각각 다르고, 이로 인해 엔드 플레이트(150)의 변형에 의한 높이 편차와 체결압의 불균형을 조절할 수 있다.
이런 체결압 분산 수단들은 가스켓(220)에서 엔드 플레이트(150)를 향하는 면으로 기 설정된 높이(271)만큼 돌출되는 체결압 분산 돌기(270)일 수 있다. 체결압 분산 돌기(270)의 단위 면적당 차지하는 평면적은 내부 중심 영역에 비해 외곽 테두리 영역에서 더 좁게 형성된다. 일례로 복수 개의 체결압 분산 돌기(270)들은 도 9에 도시된 바와 같이 3개의 영역으로 구분될 수 있다. 그러면, 제1 체결압 분산 돌기(272)는 내부 중심 영역에 해당하는 제1 영역(275)에 위치하고, 제2 체결압 분산 돌기(273)는 제2 체결압 분산 돌기(273)는 제1 영역(275)으로부터 벗어난 제2 영역(276)에 위치하고, 제3 체결압 분산 돌기(274)는 외곽 테두리 영역에 해당하는 제3 영역(277)에 위치한다. 제1 체결압 분산 돌기(272), 제2 체결압 분산 돌기(273), 제3 체결압 분산 돌기(274)가 동일한 평면 크기로 형성된다면, 제1 영역(275)에서 단위 면적당 제1 체결압 분산 돌기(272)의 개수는 제3 영역(277)에서 단위 면적당 제3 체결압 분산 돌기(274)의 개수보다 많다. 즉, 체결압 분산 돌기(270)의 단위 면적당 차지하는 평면적은 제1 영역(275)에서 제3 영역(277)으로 진행할수록 점점 축소된다.
이와 같이 체결압 분산 돌기(270)는 높은 체결압이 전달되는 외곽 테두리 영역에서 체결압을 지지하는 면적이 상대적으로 작아지고, 내부 중심 영역에서 상대적으로 더 많은 체결압을 지지함으로써, 체결압 불균형을 완화시킬 수 있다.
그리고, 도 8에 도시된 체결압 분산 돌기(270)는 가스켓(220)에서 위치하는 영역에 따라 돌출 높이(271)도 각각 다르게 형성됨으로써, 엔드 플레이트(150)의 변형에 의한 높이 편차도 보다 완화할 수 있다. 즉, 체결압 분산 돌기(270)는 가스켓(220)에서 내부 중심 영역에 비해 외곽 테두리 영역에서 더 낮게 형성되어, 외곽 테두리 영역에서 상대적으로 적은 체결압이 전달되게 한다.
도 10은 본 발명의 제2 실시예에 따른 가스켓 일체형 전류 집전체로서 가스켓이 위치한 배면을 나타낸 사시도이고, 도 11은 도 10에 도시된 가스켓 일체형 전류 집전체의 배면을 나타낸 평면도이다.
도 10 및 도 11에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제2 실시예에 따른 가스켓 일체형 전류 집전체(300)는 체결압 분산 수단인 체결압 분산 돌기(370)의 평면 크기가 위치하는 영역에 따라 각각 다르게 형성되어도, 도 8에 도시된 가스켓 일체형 전류 집전체(200)와 동일하게 체결압의 불균형을 완화시키는 효과가 있다.
복수 개의 체결압 분산 돌기(370)들은 가스켓(320)에서 3개의 영역에 각각 형성된다. 제1 체결압 분산 돌기(372)는 내부 중심 영역에 해당하는 제1 영역(375)에 위치하고, 제2 체결압 분산 돌기(373)는 제2 체결압 분산 돌기(373)는 제1 영역(375)으로부터 벗어난 제2 영역(376)에 위치하고, 제3 체결압 분산 돌기(374)는 외곽 테두리 영역에 해당하는 제3 영역(377)에 위치한다. 제1 영역(375)에 위치한 제1 체결압 분산 돌기(372)는 제3 영역(377)에 위치한 제3 체결압 분산 돌기(374)에 비해 평면 크기가 작게 형성된다. 즉, 체결압 분산 돌기(370)의 평면 크기는 제1 체결압 분산 돌기(372)에서 제3 체결압 분산 돌기(374)으로 진행할수록 더 작아진다.
그러면, 체결압 분산 돌기(370)는 높은 체결압이 전달되는 외곽 테두리 영역에서 체결압을 지지하는 면적이 상대적으로 적어지면서, 내부 중심 영역에서 상대적으로 더 많은 체결압을 지지하여, 체결압 불균형을 완화시킬 수 있다.
도 12는 본 발명의 제3 실시예에 따른 가스켓 일체형 전류 집전체로서 가스켓이 위치한 배면을 나타낸 사시도이고, 도 13은 도 12에 도시된 가스켓 일체형 전류 집전체의 배면을 나타낸 평면도이다.
도 12 및 도 13에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제3 실시예에 따른 가스켓 일체형 전류 집전체(400)는 가스켓(420)에 형성된 복수 개의 체결압 분산 수단들을 구비하여, 엔드 플레이트의 변형에 의한 높이 편차와 체결압의 불균형을 조절한다.
체결압 분산 수단들은 가스켓(420)의 내측으로 기 설정된 높이(471)만큼 파여지게 형성된 체결압 분산 홈(470) 또는 체결압 분산 구멍이다. 이 중에서 체결압 분산 홈(470)을 일례로 설명하면, 체결압 분산 홈(470)의 단위 면적당 차지하는 평면적은 내부 중심 영역에 비해 외곽 테두리 영역에서 더 넓게 형성된다. 이러한 복수 개의 체결압 분산 홈(470)들은 도 13에 도시된 바와 같이 3개의 영역으로 구분될 수 있다. 그러면, 제1 체결압 분산 홈(472)은 내부 중심 영역에 해당하는 제1 영역(475)에 위치하고, 제2 체결압 분산 홈(473)은 제2 체결압 분산 홈(473)은 제1 영역(475)으로부터 벗어난 제2 영역(476)에 위치하고, 제3 체결압 분산 홈(474)은 외곽 테두리 영역에 해당하는 제3 영역(477)에 위치한다. 제1 체결압 분산 홈(472), 제2 체결압 분산 홈(473), 제3 체결압 분산 홈(474)이 동일한 평면 크기로 형성된다면, 제1 영역(475)에서 단위 면적당 제1 체결압 분산 홈(472)의 개수는 제3 영역(477)에서 단위 면적당 제3 체결압 분산 홈(474)의 개수보다 적다. 즉, 체결압 분산 홈(470)의 단위 면적당 차지하는 평면적은 제1 영역(475)에서 제3 영역(477)으로 진행할수록 점점 증가된다.
이로 인해, 가스켓 일체형 전류 집전체(400)는 가스켓(420)이 접촉하는 면적이 내부 중심 영역에 비해 외곽 테두리 영역에서 더 적어지기 때문에, 높은 체결압이 전달되는 외곽 테두리 영역에서 상대적으로 적은 체결압을 지지하여, 체결압 불균형을 완화시킬 수 있다.
도 14는 본 발명의 제4 실시예에 따른 가스켓 일체형 전류 집전체로서 가스 켓이 위치한 배면을 나타낸 사시도이고, 도 15는 도 14에 도시된 가스켓 일체형 전류 집전체의 배면을 나타낸 평면도이다.
도 14 및 도 15에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제4 실시예에 따른 가스켓 일체형 전류 집전체(500)는 가스켓(520)에 형성된 복수 개의 체결압 분산 수단들을 구비함으로써, 체결압 불균형을 완화시킨다. 다만, 가스켓 일체형 전류 집전체(500)는 체결압 분산 수단으로서 체결압 분산 홈(570) 또는 체결압 분산 구멍을 구비하지만, 이러한 체결압 분산 홈(570)의 평면 크기 또는 체결압 분산 구멍의 평면 크기가 가스켓(520)의 내부 중심 영역에 비해 외곽 테두리 영역에서 더 크게 형성되는 특징이 있다.
체결압 분산 홈(570)을 일례로 설명하면, 체결압 분산 홈(570)들은 도 15에 도시된 바와 같이 3개의 영역으로 구분될 수 있다. 제1 체결압 분산 홈(572)은 내부 중심 영역에 해당하는 제1 영역(575)에 위치하고, 제2 체결압 분산 홈(573)은 제2 체결압 분산 홈(573)은 제1 영역(575)으로부터 벗어난 제2 영역(576)에 위치하고, 제3 체결압 분산 홈(574)은 외곽 테두리 영역에 해당하는 제3 영역(577)에 위치한다. 그리고, 제1 영역(575)에 위치한 제1 체결압 분산 홈(572)은 제3 영역(577)에 위치한 제3 체결압 분산 홈(574)에 비해 평면 크기가 크게 형성된다. 즉, 체결압 분산 홈(570)의 평면 크기는 제1 체결압 분산 홈(572)에서 제3 체결압 분산 홈(574)으로 진행할수록 점점 더 커지도록 형성된다.
그러면, 가스켓 일체형 전류 집전체(500)는 가스켓(520)이 접촉하는 면적이 내부 중심 영역에 비해 외곽 테두리 영역에서 더 적어지기 때문에, 높은 체결압이 전달되는 외곽 테두리 영역에서 상대적으로 적은 체결압을 지지하여, 체결압 불균형을 완화시킬 수 있다.
즉, 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것이 당연하다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료전지 스택의 분해 사시도이다.
도 2는 도 1에 도시된 가스켓 일체형 전류 집전체를 나타낸 분해 사시도이다.
도 3은 도 1에 도시된 가스켓 일체형 전류 집전체의 사시도이다.
도 4a 및 도 4b는 도 3에 도시된 선 Ⅳ-Ⅳ를 따라 절단하여 나타낸 가스켓 일체형 전류 집전체의 단면도이다.
도 5 내지 도 7은 도 1에 도시된 가스켓 일체형 전류 집전체의 매니폴드 실링부에 적용될 수 있는 형상들을 각각 나타낸 단면도들이다.
도 8은 도 1에 도시된 가스켓 일체형 전류 집전체로서 가스켓이 위치한 배면을 나타낸 사시도이다.
도 9는 도 8에 도시된 가스켓 일체형 전류 집전체의 배면을 나타낸 평면도이다.
도 10은 본 발명의 제2 실시예에 따른 가스켓 일체형 전류 집전체로서 가스켓이 위치한 배면을 나타낸 사시도이다.
도 11은 도 10에 도시된 가스켓 일체형 전류 집전체의 배면을 나타낸 평면도이다.
도 12는 본 발명의 제3 실시예에 따른 가스켓 일체형 전류 집전체로서 가스켓이 위치한 배면을 나타낸 사시도이다.
도 13은 도 12에 도시된 가스켓 일체형 전류 집전체의 배면을 나타낸 평면도 이다.
도 14는 본 발명의 제4 실시예에 따른 가스켓 일체형 전류 집전체로서 가스켓이 위치한 배면을 나타낸 사시도이다.
도 15는 도 14에 도시된 가스켓 일체형 전류 집전체의 배면을 나타낸 평면도이다.
도 16은 종래의 연료전지 스택 내부의 매니폴드 영역에서 부식이 발생된 상태를 촬영한 사진이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
100 : 연료전지 스택 110 : 단위 전지
120 : 막-전극 접합체 150 : 엔드 플레이트
200 : 가스켓 일체형 전류 집전체 210 : 전류 집전판
220 : 가스켓 230, 240, 250, 260 : 매니폴드 실링부

Claims (11)

  1. 수소와 산소의 전기화학반응에 의해 전기 에너지를 생성하는 복수 개의 단위 전지들이 순차적으로 적층 결합되는 단위 전지 집합체;
    상기 단위 전지 집합체에 적층 결합되면서 상기 단위 전지 집합체에서 생성된 전기 에너지를 외부로 인출하는 가스켓 일체형 전류 집전체; 및
    상기 단위 전지 집합체의 양 단부에서 기 설정된 체결압을 가하면서 결합되는 엔드 플레이트;를 포함하고,
    상기 가스켓 일체형 전류 집전체는
    상기 단위 전지 집합체로 유입되는 반응가스 또는 냉각수의 유동통로인 매니폴드가 형성되고, 전기 에너지가 외부로 인출되게 전기 전도성 소재로 제작되는 전류 집전판; 및
    상기 전류 집전판의 일면에 밀착 결합되면서 상기 매니폴드의 내측 테두리를 감싸는 매니폴드 실링부를 구비하는 가스켓;을 포함하며,
    상기 가스켓에는 상기 체결압을 전달하는 복수 개의 체결압 분산 수단들이 형성되고, 상기 복수 개의 체결압 분산 수단들은 상기 가스켓에 위치하는 영역에 따라 상기 체결압을 지지하는 정도가 각각 다르게 형성되는 연료전지 스택.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 체결압 분산 수단은 상기 가스켓에서 상기 엔드 플레이트를 향하는 면으로 돌출되는 체결압 분산 돌기이며,
    상기 체결압 분산 돌기의 단위 면적당 차지하는 평면적은 상기 가스켓에서 내부 중심 영역에 비해 외곽 테두리 영역에서 더 좁게 형성되는 연료전지 스택.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 체결압 분산 수단은 상기 가스켓에서 상기 엔드 플레이트를 향하는 면으로 돌출되는 체결압 분산 돌기이며,
    상기 체결압 분산 돌기의 돌출 높이는 상기 가스켓에서 내부 중심 영역에 비해 외곽 테두리 영역에서 더 낮게 형성되는 연료전지 스택.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 체결압 분산 수단은 상기 가스켓에서 상기 엔드 플레이트를 향하는 면으로 돌출되는 체결압 분산 돌기이며,
    상기 체결압 분산 돌기의 평면 크기는 상기 가스켓에서 내부 중심 영역에 비해 외곽 테두리 영역에서 더 작게 형성되는 연료전지 스택.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 체결압 분산 수단은 상기 가스켓의 내측으로 파여진 체결압 분산 홈 또는 체결압 분산 구멍 중 어느 하나이고,
    상기 체결압 분산 홈의 단위 면적당 차지하는 평면적 또는 상기 체결압 분산 구멍의 단위 면적당 차지하는 평면적은 상기 가스켓에서 내부 중심 영역에 비해 외곽 테두리 영역에서 더 넓게 형성되는 연료전지 스택.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 체결압 분산 수단은 상기 가스켓의 내측으로 파여진 체결압 분산 홈 또는 체결압 분산 구멍 중 어느 하나이고,
    상기 체결압 분산 홈의 평면 크기 또는 상기 체결압 분산 구멍의 평면 크기는 상기 가스켓에서 내부 중심 영역에 비해 외곽 테두리 영역에서 더 크게 형성되는 연료전지 스택.
  8. 제1항 또는 제3항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 매니폴드 실링부는 상기 전류 집전판이 면접하는 방향으로 돌출되는 쐐기 형상으로서, 상시 전류 집전판에 비해 더 높은 두께를 가지면서 상기 전류 집전판이 끼워지는 결합홈이 내측으로 파여지게 형성되는 연료전지 스택.
  9. 제1항 또는 제3항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전류 집전판은 전기 에너지를 외부로 인출하기 위한 상기 단위 전지 집합체의 외부로 더 돌출되는 인출탭이 형성되며, 상기 인출탭은 상기 엔드 플레이트의 크기 범위 내에 위치하는 연료전지 스택.
  10. 제1항 또는 제3항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전류 집전판은 스테인레스강, 구리, 구리합금, 알루미늄, 알루미늄 합금으로 이루어진 소재 군에서 선택되는 전기 전도성 소재로 제작되는 연료전지 스택.
  11. 제1항 또는 제3항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 가스켓은 실리콘계, 불소계, 올레핀계, 이피디엠(EPDM ; Ethylene Propylene Diene Trepolymer) 고무, 유리섬유로 강화시킨 실리콘 시트, 테프론 시트로 이루어진 소재 군에서 선택되는 어느 하나의 소재로 제작되는 연료전지 스택.
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