KR102493226B1 - 연료 전지용 개스킷 - Google Patents

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엔오케이 가부시키가이샤
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Abstract

본 발명은 셀 체결시에 개스킷 본체의 접촉부끼리 중간 부품을 사이에 끼우도록 압축되는 구성에 있어서, 개스킷 본체가 상정한 것 이상으로 압축되는 것을 억제한다. 이 목적을 달성하기 위하여, 한 쌍의 세퍼레이터 사이에 MEA를 포함하는 중간 부품을 장착한 연료 전지 셀에 구비되는 개스킷으로서, 한 쌍의 세퍼레이터 중 일방의 세퍼레이터에 유지된 개스킷 본체 및 타방의 세퍼레이터에 유지된 개스킷 본체가 평면상 겹치는 위치에서 각각 중간 부품에 접촉하는 구조의 연료 전지용 개스킷에 있어서, 양 개스킷 본체에 있어서의 폭 방향 양쪽 또는 한쪽에, 개스킷 두께 치수에 관련되는 규정 치수 고정용의 제방부를 일체로 성형한 것을 특징으로 한다. 또, 규정 치수 고정용의 제방부는, 세퍼레이터에 설치한 볼록부에 의해 지지되는 것을 특징으로 한다.

Description

연료 전지용 개스킷{GASKET FOR FUEL BATTERY}
[0001] 본 발명은, 연료 전지 셀에 있어서의 시일(seal)부를 구성하는 연료 전지용 개스킷에 관한 것이다.
[0002] 연료 전지용 개스킷에는, 이온 교환막을 시일하는 막면(膜面) 시일과, 냉각측을 시일하는 냉매 시일이 있다. 개스킷의 조립 부착 방법으로서는, 세퍼레이터나 MEA, GDL와 같은 셀 부재에 개스킷을 일체로 성형하는 방식, 점착재가 부착된 수지 보강체에 개스킷을 일체로 성형하여 세퍼레이터 등의 셀 부재에 부착하는 방식, 개스킷을 단일체로 성형하여 셀 부재에 조립 부착하는 방식 등이 있다. 스택(stack)의 체결 방법으로서는, 어떤 치수(두께 치수)가 되도록 체결하는 방법과, 어떤 하중으로 체결하는 방법이 있다. 또한, 후자의, 정해진 하중에 의한 체결 방법에 있어서, 개스킷을 설계할 때에 있어서는, 사용하는 GDL의 압축 상태 및 하중을 고려할 필요가 있다.
[0003] 또, 연료 전지용 개스킷의 일종으로서 종래부터 도 3에 나타낸 바와 같이, 한 쌍의 세퍼레이터(52, 53) 사이에 MEA(55)를 포함하는 중간 부품(54)을 장착한 연료 전지 셀(51)에 구비되는 개스킷(11)으로서, 한 쌍의 세퍼레이터(52, 53) 중 일방(一方)의 세퍼레이터(52)에 유지된 제1 개스킷 본체(21) 및 타방(他方)의 세퍼레이터(53)에 유지된 제2 개스킷 본체(31)가 평면상 겹치는 위치에서 각각 중간 부품(54)에 접촉하는 구조의 연료 전지용 개스킷(11)이 알려져 있으며, 양 개스킷 본체(21, 31)의 평면상의 배치가 조금 어긋나도 시일 면압(面壓)을 확보할 수 있도록, 양 개스킷 본체(21, 31) 중 제1 개스킷 본체(21)에는 단면(斷面)이 산형인 립(lip)형상의 접촉부(23)가 구비되고, 제2 개스킷 본체(31)에는 평면형상의 접촉부(33)가 구비되어 있다.
[0004] 상기 도 3의 연료 전지용 개스킷(11)의 경우, 셀 체결 시에 제1 개스킷 본체(21)의 립형상 접촉부(23)와 제2 개스킷 본체(31)의 평면형상 접촉부(33)가 중간 부품(54)을 사이에 끼우도록 압축되는 구성이 되는데, 중간 부품(54)으로서 MEA(55)와 함께 배치된 GDL(56)의 체결 하중이 작을 경우, 개스킷 본체(21, 31)가 상정(想定)한 것 이상으로 압축되어 버릴 가능성이 있다.
일본 특허공개공보 제2006-236671호 일본 특허공개공보 제2005-166508호 일본 특허공개공보 제2005-5191호(도 9)
[0006] 본 발명은 이상의 점을 감안하여, 셀 체결 시에 개스킷 본체의 접촉부끼리 중간 부품을 사이에 끼우도록 압축되는 구성에 있어서, 개스킷 본체가 상정한 것 이상으로 압축되는 것을 억제할 수 있는 연료 전지용 개스킷을 제공하는 것을 목적으로 한다.
[0007] 상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 청구항 1에 의한 연료 전지용 개스킷은, 한 쌍의 세퍼레이터 사이에 MEA를 포함하는 중간 부품을 장착한 연료 전지 셀에 구비되는 개스킷으로서, 상기 한 쌍의 세퍼레이터 중 일방의 세퍼레이터에 유지된 개스킷 본체 및 타방의 세퍼레이터에 유지된 개스킷 본체가 평면상 겹치는 위치에서 각각 상기 중간 부품에 접촉하는 구조의 연료 전지용 개스킷에 있어서, 상기 양 개스킷 본체에 있어서의 폭 방향 양쪽 또는 한쪽에, 개스킷 두께 치수에 관련되는 규정 치수 고정용의 제방부(sizing stop dike portion)를 일체로 성형한 것을 특징으로 한다.
[0008] 또, 본 발명의 청구항 2에 의한 연료 전지용 개스킷은, 상기한 청구항 1에 기재된 연료 전지용 개스킷에 있어서, 상기 규정 치수 고정용의 제방부는, 상기 세퍼레이터에 설치한 볼록부에 의해 지지되는 것을 특징으로 한다.
[0009] 또, 본 발명의 청구항 3에 의한 연료 전지용 개스킷은, 상기한 청구항 2에 기재된 연료 전지용 개스킷에 있어서, 상기 볼록부는, 상기 규정 치수 고정용의 제방부에 매설(埋設)되어 있는 것을 특징으로 한다.
[0010] 더욱이 또한, 본 발명의 청구항 4에 의한 연료 전지용 개스킷은, 상기한 청구항 1, 2 또는 3에 기재된 연료 전지용 개스킷에 있어서, 상기 양 개스킷 본체 중 일방의 개스킷 본체는, 단면이 산형인 립형상의 접촉부를 구비하는 동시에, 타방의 개스킷 본체는, 평면형상의 접촉부를 구비하며, 상기 일방의 개스킷 본체에 있어서의 립형상 접촉부와 상기 규정 치수 고정용 제방부의 사이에 오목부가 형성되는 동시에, 상기 타방의 개스킷 본체에 있어서의 평면형상 접촉부와 상기 규정 치수 고정용 제방부의 사이에도 오목부가 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.
[0011] 상기 구성을 구비하는 본 발명의 연료 전지용 개스킷에 있어서는, 양 개스킷 본체에 있어서의 폭 방향 양쪽 또는 한쪽에 개스킷 두께 치수에 관련되는 규정 치수 고정용의 제방부가 일체로 성형되어 있으며, 셀 체결시에 그 양 규정 치수 고정용 제방부가 평면상 겹치는 위치에서 각각 중간 부품에 접촉하기 때문에, 그 양 규정 치수 고정용 제방부가 스페이서(spacer)로서 작용함으로써 개스킷 전체로서의 압축량이 규제된다. 따라서, 개스킷 본체가 상정한 것 이상으로 압축되는 것을 억제할 수 있게 된다.
[0012] 규정 치수 고정용 제방부는, 개스킷 본체에 대해 별도로 성형해도 되지만, 개스킷 본체에 대해 일체로 성형하는 것이 금형 캐비티를 일체화할 수 있으므로 성형 공정상, 바람직하다. 단, 이와 같이 규정 치수 고정용 제방부를 개스킷 본체에 대해 일체로 성형하면, 규정 치수 고정용 제방부가 개스킷 본체와 같은 재질이 되기 때문에, 규정 치수 고정용 제방부 자체가 강하게 압축되었을 때에 쓰러지거나, 그 높이 치수가 크게 줄거나 하는 것이 염려된다.
[0013] 따라서, 이에 대한 대책을 위해서는, 세퍼레이터에 볼록부를 설치하고, 상기 볼록부에 의해 규정 치수 고정용 제방부를 지지하도록 하는 것이 적합하며, 이에 따르면, 비교적 경(硬)재질인 볼록부에 의해 비교적 연(軟)재질인 규정 치수 고정용 제방부가 지지되어 실질적으로 높이가 더 높아지기 때문에, 규정 치수 고정용 제방부가 쓰러지거나 하는 것을 억제할 수 있게 된다.
[0014] 볼록부에 의해 양 규정 치수 고정용 제방부를 지지하는 형상으로서는, 볼록부의 높이 방향 선단에 양 규정 치수 고정용 제방부를 배치해도 되지만, 볼록부를 규정 치수 고정용 제방부에 매설(환언하면 볼록부를 제방부에 의해 피복)하도록 해도 되며, 이에 따르면, 규정 치수 고정용 제방부가 한층 쓰러지기 어려워진다.
[0015] 또, 개스킷 본체에 대해 규정 치수 고정용 제방부를 일체로 성형하는 형상으로서는, 양 개스킷 본체 중 일방의 개스킷 본체가 단면이 산형인 립형상의 접촉부를 구비하는 동시에 타방의 개스킷 본체가 평면형상의 접촉부를 구비하는 것을 전제로 하여, 일방의 개스킷 본체에 있어서의 립형상 접촉부와 규정 치수 고정용 제방부의 사이에 오목부를 형성하는 동시에 타방의 개스킷 본체에 있어서의 평면형상 접촉부와 규정 치수 고정용 제방부의 사이에도 오목부를 형성하는 것이 적합하며, 이에 따르면, 규정 치수 고정용 제방부가 압축되어도 그 영향이 접촉부에 미치기 어렵기 때문에, 접촉부에 있어서의 시일 면압을 적정하게 유지할 수 있게 된다.
[0016] 본 발명은, 이하의 효과를 나타낸다.
[0017] 즉 본 발명에 있어서는 이상 설명한 바와 같이, 셀 체결시에 개스킷 본체의 접촉부끼리 중간 부품을 사이에 끼우도록 압축되는 구성에 있어서, 개스킷 본체가 상정한 것 이상으로 압축되는 것을 억제할 수가 있다. 따라서, 개스킷의 내구성 및 개스킷에 의한 시일성을 장기간에 걸쳐 유지할 수가 있다.
[0018] 도 1은 본 발명의 제1 실시예에 관한 연료 전지용 개스킷의 주요부 단면도이다.
도 2는 본 발명의 제2 실시예에 관한 연료 전지용 개스킷의 주요부 단면도이다.
도 3은 종래예에 관한 연료 전지용 개스킷의 주요부 단면도이다.
[0019] 본 발명에는, 이하의 실시형태가 포함된다.
(1) 본 발명은, 개스킷 형상과 관련된다. 본 발명의 개스킷은 예컨대, 연료 전지용 개스킷으로서 이용된다.
(2) 종래 형상의 경우, 체결시에 일방의 개스킷의 평면부와 타방의 개스킷의 립부가 MEA를 사이에 끼우도록 압축되는 구성이 되는데, GDL의 체결 하중이 작을 경우, 개스킷이 상정한 것 이상으로 압축될 가능성이 있다.
(3) 상기에 대한 대책으로서, 개스킷의 옆(side)에 제방부를 설치하고, 체결시에 제방의 부분에서 받아 유지함으로써 개스킷이 과도하게 압축되는 것을 막는 구성으로 한다.
(4) 또, 제방 부분이 세로로 긴 형상이 될 경우, 체결시에 쓰러짐이 발생하여, 받이(retainer)로서 성립되지 않을 가능성이 있다.
(5) 따라서, 상기에 대한 대책으로서, 개스킷 성형부에 세퍼레이터의 볼록부를 설치하고, 그 위에 개스킷의 제방부를 형성한다.
(6-1) 해당 구성에 의하면, 세퍼레이터 볼록부의 위에 개스킷의 제방부를 설치함으로써, 체결시의 제방부의 반력(反力)이 보다 높아지기 쉬워지기 때문에, 시일부가 과도하게 압축되기 어려워진다. 또한, 제방부의 높이를 조정함으로써, GDL이 상정한 것 이상으로 압축되는 것을 억제할 수가 있다.
(6-2) 개스킷의 제방부를 세퍼레이터 볼록부에 형성함으로써 제방부의 체결 하중이 높아지기 때문에, 시일이 과도하게 압축되는 것을 억제할 수가 있다.
(6-3) 개스킷의 제방부를 세퍼레이터 볼록부에 형성함으로써 제방부의 체결 하중이 높아지기 때문에, GDL이 상정한 것 이상으로 압축되는 것을 억제할 수가 있다.
(실시예)
[0020] 다음으로 본 발명의 실시예를 도면에 따라 설명한다.
[0021] 제1 실시예
도 1에 나타낸 바와 같이, 해당 실시예에 관한 연료 전지용 개스킷(11)은, 한 쌍의 세퍼레이터(52, 53) 사이에 MEA(막전극 복합체; 55) 및 GDL(가스 확산층; 56)을 포함하는 중간 부품(54)을 장착한 연료 전지 셀(51)에 구비되는 개스킷으로서, 한 쌍의 세퍼레이터(52, 53) 중 일방의 세퍼레이터(52)에 유지된 개스킷 본체(제1 개스킷 본체; 21) 및 타방의 세퍼레이터(53)에 유지된 개스킷 본체(제2 개스킷 본체; 31)를 구비하며, 양 개스킷 본체(21, 31)가 평면상 겹치는 위치에서 각각 중간 부품(54)에 있어서의 MEA(55)에 접촉하는 구조를 구비하는 개스킷으로 되어 있다. 개스킷 본체(21, 31)는 각각 소정의 고무상(狀)(lubber-like) 탄성체 등에 의해 성형되어 있다.
[0022] 도 1에 있어서의 하측의, 제1 개스킷 본체(21)는, 평판형상의 개스킷 베이스부(22) 및 단면이 산형인 립형상의 접촉부(23)를 구비하며, 평판형상의 개스킷 베이스부(22)의 폭 방향 중앙부에 단면이 산형인 립형상의 접촉부(23)가 일체로 성형되어 있다. 또 상기 제1 개스킷 본체(21)의 폭 방향 양측에 위치하고 각각, 개스킷 두께 치수에 관련되는 규정 치수 고정용의 제방부(24)가 일체로 성형되어 있으며, 립형상 접촉부(23)와 규정 치수 고정용 제방부(24)의 사이에 각각 오목부(25)가 형성되어 있다. 개스킷 베이스부(22), 립형상 접촉부(23) 및 규정 치수 고정용 제방부(24)의 각 두께(높이) 치수의 대소(大小) 관계는, 개스킷 베이스부(22)의 두께 치수를 t1, 립형상 접촉부(23)의 두께 치수를 t2, 규정 치수 고정용 제방부(24)의 두께 치수를 t3이라 할 때,
t1＜t3＜t2
의 관계로 되어 있다.
[0023] 한편, 도 1에 있어서의 상측의, 제2 개스킷 본체(31)는, 평판형상의 개스킷 베이스부(32) 및 평면형상의 접촉부(33)를 구비하며, 평판형상의 개스킷 베이스부(32)의 폭 방향 중앙부에 평면형상의 접촉부(33)가 일체로 성형되어 있다. 또 상기 제2 개스킷 본체(31)의 폭 방향 양측에 위치하여 각각, 개스킷 두께 치수에 관련되는 규정 치수 고정용의 제방부(34)가 일체로 성형되어 있으며, 평면형상 접촉부(33)와 규정 치수 고정용 제방부(34)의 사이에 각각 오목부(35)가 형성되어 있다. 개스킷 베이스부(32), 평면형상 접촉부(33) 및 규정 치수 고정용 제방부(34)의 각 두께(높이) 치수의 대소 관계는, 개스킷 베이스부(32)의 두께 치수를 t4, 평면형상 접촉부(33)의 두께 치수를 t5, 규정 치수 고정용 제방부(34)의 두께 치수를 t6이라 할 때,
t4＜t5＜t6
의 관계로 되어 있다.
[0024] 상기 구성의 연료 전지용 개스킷(11)에 있어서는, 제1 및 제2 개스킷 본체(21, 31)에 있어서의 폭 방향 양측에 각각, 개스킷 두께 치수에 관련되는 규정 치수 고정용의 제방부(24, 34)가 일체로 성형되고, 셀 체결시에 그 양 규정 치수 고정용 제방부(24, 34)가 평면상 겹치는 위치에서 각각 중간 부품(54)에 있어서의 MEA(55)에 접촉하기 때문에, 상기 양 규정 치수 고정용 제방부(24, 34)가 스페이서로서 작용하며, 이로써 개스킷(11) 전체로서의 압축량이 규제되게 된다. 따라서, 개스킷 본체(21, 31)가 상정한 것 이상으로 압축되어 그 내구성이나 시일성이 손상되는 것을 억제할 수 있게 되어 있다.
[0025] 또, 개스킷 본체(21, 31)에 대하여 규정 치수 고정용 제방부(24, 34)를 일체로 성형하는 형상으로서, 양 개스킷 본체(21, 31) 중 제1 개스킷 본체(21)가 단면이 산형인 립형상의 접촉부(23)를 구비하는 동시에 제2 개스킷 본체(31)가 평면형상의 접촉부(33)를 구비하며, 제1 개스킷 본체(21)에 있어서의 립형상 접촉부(23)와 규정 치수 고정용 제방부(24)의 사이에 오목부(25)가 형성되는 동시에 제2 개스킷 본체(31)에 있어서의 평면형상 접촉부(33)와 규정 치수 고정용 제방부(34)의 사이에도 오목부(35)가 형성되어 있기 때문에, 규정 치수 고정용 제방부(24, 34)가 압축되어도 그 영향이 접촉부(23, 33)에 미치기 어렵다. 따라서, 접촉부(23, 33)에 있어서의 시일 면압을 적정하게 유지할 수 있게 되어 있다.
[0026] 제2 실시예
다음으로, 해당 제 2 실시예에 관한 연료 전지용 개스킷(11)에 있어서는, 상기 제1 실시예와 동일한 구성에 추가하여, 각 세퍼레이터(52, 53)에 볼록부(57, 58)가 설치되고, 상기 볼록부(57, 58)에 의해 각 규정 치수 고정용의 제방부(24, 34)가 지지되는 구성으로 되어 있다. 볼록부(57, 58)는 예컨대 금속제의 세퍼레이터(52, 53)의 일부를 프레스 가공함으로써 중공(中空)의 입체 형상으로서 형성되며, 그 전부 또는 일부(도면에서는 전부)가 규정 치수 고정용의 제방부(24, 34)에 매설되어 있다.
[0027] 따라서 이러한 구성에 의하면, 비교적 경재질인 볼록부(57, 58)에 의해 비교적 연재질인 규정 치수 고정용 제방부(24, 34)가 지지되기 때문에, 규정 치수 고정용 제방부(24, 34)가 쓰러지거나 하는 것을 억제할 수 있게 되어 있다.
[0028] 볼록부(57)의 두께(높이) 치수(t7)는 그 기능 면에서, 개스킷 베이스부(22)의 두께 치수를 t1, 규정 치수 고정용 제방부(24)의 두께 치수를 t3이라 할 때,
t1＜t7＜t3
의 관계로 하는 것이 적합하고, 마찬가지로, 볼록부(58)의 두께(높이) 치수(t8)는 그 기능 면에서, 개스킷 베이스부(32)의 두께 치수를 t4, 평면형상 접촉부(33)의 두께 치수를 t5, 규정 치수 고정용 제방부(34)의 두께 치수를 t6이라 할 때,
t4＜t8＜t6
으로 하며, 또한
t8＜t5
의 관계로 하는 것이 적합하다.
[0029] 또한, 상기 제1 및 제2 실시예에 있어서는, 개스킷 본체(21, 31)의 폭 방향 양측에 각각 규정 치수 고정용 제방부(24, 34)를 설치하였으나, 개스킷 본체(21)의 폭 방향 한쪽에만 규정 치수 고정용 제방부(24, 34)를 설치하도록 해도 된다.
[0030] 11; 연료 전지용 개스킷
21; 제1 개스킷 본체
22, 32; 개스킷 베이스부
23; 립형상 접촉부
24, 34; 규정 치수 고정용 제방부
25, 35; 오목부
31; 제 2 개스킷 본체
33; 평면형상 접촉부
51; 연료 전지 셀
52, 53; 세퍼레이터
54; 중간 부품
55; MEA
56; GDL
57, 58; 볼록부

Claims (4)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 한 쌍의 세퍼레이터(separator) 사이에 MEA를 포함하는 중간 부품을 장착한 연료 전지 셀에 구비되는 개스킷(gasket)으로서, 상기 한 쌍의 세퍼레이터 중 일방(一方)의 세퍼레이터에 유지된 개스킷 본체 및 타방(他方)의 세퍼레이터에 유지된 개스킷 본체가 평면상 겹치는 위치에서 각각 상기 중간 부품에 접촉하는 구조의 연료 전지용 개스킷에 있어서,
    상기 개스킷 본체는 각각 평판형상의 개스킷 베이스부와, 상기 개스킷 베이스부의 평면상에 형성된 접촉부와, 상기 개스킷 본체의 폭 방향 양쪽 또는 한쪽에 위치하여 설치된 규정 치수 고정용의 제방부(sizing stop dike portion)를 일체로 갖고,
    상기 규정 치수 고정용의 제방부는 평면상 겹치는 위치에서 각각 상기 중간 부품에 접촉하며,
    상기 규정 치수 고정용의 제방부는, 상기 세퍼레이터에 설치되고, 상기 제방부에 매설(埋設)된 볼록부에 의해 지지되며,
    상기 볼록부는, 그 두께가 상기 개스킷 베이스부의 두께보다 크고, 상기 규정 치수 고정용의 제방부의 두께보다 작게 형성되어 있는 것을 특징으로 하는,
    연료 전지용 개스킷.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 양 개스킷 본체 중 일방의 개스킷 본체는, 단면(斷面)이 산형(山形)인 립(lip)형상의 접촉부를 구비하고, 타방의 개스킷 본체는, 평면형상의 접촉부를 구비하며,
    상기 일방의 개스킷 본체에 있어서의 상기 립형상의 접촉부와 상기 규정 치수 고정용의 제방부의 사이에 오목부가 형성되고, 상기 타방의 개스킷 본체에 있어서의 상기 평면형상의 접촉부와 상기 규정 치수 고정용의 제방부의 사이에도 오목부가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는,
    연료 전지용 개스킷.
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