JP6621702B2 - 燃料電池の単位セル射出金型 - Google Patents
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Description
本発明は、燃料電池の単位セル射出金型に関し、より詳しくは、気体拡散層（Ｇａｓ Ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ Ｌａｙｅｒ、ＧＤＬ）と膜電極接合体（Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ、ＭＥＡ）とが一体化されたインサートの破損を最小化しながらフレームを射出することができる、燃料電池の単位セル射出金型に関する。
一般に、燃料電池は、水の電気分解反応の逆反応によって水素と酸素を用いて電力を生産するシステムであって、高効率の清浄エネルギー源として益々その使用領域が拡大しつつある。
特に、高分子電解質型燃料電池（Ｐｏｌｙｍｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ, ＰＥＭＦＣ）は、比較的低い温度で作動可能であり、速い始動および応答特性を持っているため、車両用移動電源として盛んに開発されている。
前述したような高分子電解質型燃料電池（ＰＥＭＦＣ）のスタックは、燃料極、空気極、およびこれらの間の高分子電解質膜からなる膜電極接合体（Ｍｅｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ, ＭＥＡ）と、気体拡散層（Ｇａｓ Ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ Ｌａｙｅｒ、ＧＤＬ）と、バイポラプレート（Ｂｉｐｏｌａｒ Ｐｌａｔｅ）と呼ばれる金属材質の分離板（Ｓｅｐａｒａｔｏｒ）およびガスケット（Ｇａｓｋｅｔ）からなる単位セル（Ｕｎｉｔ Ｃｅｌｌ）とが必要な数だけ積層されてなる。
この際、作動温度１００℃以下で一つの水素−酸素反応燃料電池の単位セルから発生できる最大電圧は略１．２Ｖであって、車両の駆動に必要な電力が生産できるように多数の単位セルを直列に積層して一つの燃料電池を構成する。
図１は従来の膜電極接合体（ＭＥＡ）と気体拡散層（ＧＤＬ）とを一体化して製造された燃料電池の単位セルを示す図、図２は従来の一般的な燃料電池の単位セル射出金型を示す図である。
図１および図２に示すように、従来の膜電極接合体（ＭＥＡ）と気体拡散層（ＧＤＬ）を高分子樹脂３０を用いて射出成形方式で一体化することにより、高分子フレーム２０を有する単位セルを製造する工法などが開発された。
この際、従来の単位セル射出金型は、上部モールド１０１および下部モールド２０１に、互いに対向して突出した突起３０１を構成することにより、膜電極接合体（ＭＥＡ）と気体拡散層（ＧＤＬ）とが一体化されたインサート１０の内部に高分子樹脂３０が浸透することを防止した。
ところが、前述した突起３０１は、上部モールド１０１および下部モールド２０１と同様の金属材質で形成されることにより、射出圧力が過剰である条件においても、インサート１０の内部に高分子樹脂３０が浸透することを効果的に防止することができたが、金属材質に比べて相対的に脆くて柔らかいインサート１０が金属材質の突起３０１によって破損または切断されるなどの損傷が発生するため、製品の不良率を増加させるという問題点があった。
本発明は、上記の問題点を解決するためになされたもので、その目的は、膜電極接合体（ＭＥＡ）と気体拡散層（ＧＤＬ）とが一体化されたインサートの損傷を防止するとともに、インサート内への高分子樹脂の浸透を防止することができる、燃料電池の単位セル射出金型を提供することにある。
本発明の他の目的は、インサートの損傷を最小化することにより、生産された単位セルを積層させた燃料電池スタックの商品性および耐久性を向上させることができる、燃料電池の単位セル射出金型を提供することにある。
本発明の一実施例に係る燃料電池の単位セル射出金型は、膜電極接合体（ＭＥＡ）と気体拡散層（ＧＤＬ）とが一体化されたインサートに高分子樹脂およびフレームを射出して一体化してなる燃料電池の単位セルを射出する射出金型であって、上部モールド；前記上部モールドに結合し、内部に前記インサートが挿入されるインサート領域と、高分子樹脂およびフレームが射出される射出領域とを含む内部空間を形成する下部モールド；および弾性材質で形成され、前記上部モールドおよび前記下部モールドに互いに対向して配置され、前記インサートをクランピング（Clamping）して前記内部空間をインサート領域および射出領域に区画しながら、前記インサート領域への高分子樹脂の流入を防止する弾性突起部；を含む。
前記弾性突起部は、前記インサート領域と前記射出領域との間に位置するように前記上部モールドに固定された上部弾性突起；および前記上部弾性突起に対向するように前記下部モールドに固定された下部弾性突起；を含むことができる。
前記上部弾性突起および前記下部弾性突起は、前記射出領域から前記インサート領域へ行くほどそれらの間の間隔が減少するように設置できる。
前記上部弾性突起および前記下部弾性突起は、前記インサートに接触する表面に凹凸面を有することを特徴とする。
好ましくは、本発明の一実施例に係る燃料電池の単位セル射出金型は、前記上部弾性突起および前記下部弾性突起の前記インサートに接触する面にそれぞれ付着する一対の保護パッドをさらに含むことができる。
前記上部弾性突起および前記下部弾性突起は、前記保護パッドに比べて耐熱温度が高く熱伝導度が低い特性を有するゴム材質で形成されることを特徴とする。
前記上部弾性突起、前記下部弾性突起および前記保護パッドはゴム材質で形成されるが、前記上部弾性突起および前記下部弾性突起は前記保護パッドに比べて硬度の高い材質で形成されたことを特徴とする。
前記上部モールドおよび前記下部モールドは、前記インサート領域と前記射出領域との間に互いに対向して突設された上部突起および下部突起をさらに含み、前記上部弾性突起および前記下部弾性突起は前記上部突起および前記下部突起をくるむように設けられたことを特徴とする。
前記弾性突起部は、前記上部弾性突起と前記下部弾性突起が互いに異なる形状を有することを特徴とする。
前記上部モールドおよび前記下部モールドは、前記インサートに接触しないように前記インサート領域の厚さが前記インサートの厚さより厚く形成されることが好ましい。
本発明の実施例によれば、突起部を弾性のある材質で形成することにより、燃料電池の単位セル射出成形の際にインサートの損傷を最小化して、生産される単位セルの不良発生を最小化することができるという効果がある。
さらに、本発明の実施例によれば、インサートと上部モールドおよび下部モールドとの接触を最小化することにより、インサートが上部モールドおよび下部モールドの高温により損傷することを防止することができるという効果がある。
このため、本発明の実施例に係る燃料電池の単位セル射出金型を用いて製造された単位セルを積層させて製造される燃料電池スタックの商品性および耐久性を向上させることができるという効果がある。
本明細書で使用される専門用語は、単に特定の実施例を説明するためのもので、本発明を限定するものではない。ここで使用される単数の表現は、語句がこれと明白に反対の意味を示さない限り、複数の表現も含む。本明細書で使用される用語「含む」は、特定の特性、領域、整数、段階、動作、要素および／または成分を具体化し、他の特定の特性、領域、整数、段階、動作、要素、成分および／または群の存在や付加を除外させるものではない。
別に定義してはいないが、ここで使用される技術用語および科学用語を含むあらゆる用語は、本発明の属する技術分野における通常の知識を有する者が一般的に理解する意味と同一の意味を持つ。 一般に使用される辞典に定義されている用語は、関連技術文献と現在開示された内容に合致する意味を持つと追加解釈され、定義されない限りは、理想的または非常に公式的な意味で解釈されない。
以下、添付図面を参照して、本発明の一実施例に係る燃料電池の単位セル射出金型を説明する。
図３は本発明の第１実施例に係る燃料電池の単位セル射出金型を示す図、図４は本発明の第２実施例に係る燃料電池の単位セル射出金型を示す図、図５は本発明の第３実施例に係る燃料電池の単位セル射出金型を示す図、図６は本発明の第４実施例に係る燃料電池の単位セル射出金型を示す図である。
図３〜図６に示すように、本発明の一実施例に係る燃料電池の単位セル射出金型は、膜電極接合体（ＭＥＡ）と気体拡散層（ＧＤＬ）とが一体化されたインサート１０の周辺に、高分子樹脂３０を射出して形成されるフレーム２０が一体化された燃料電池の単位セルを製造する射出金型であって、上部モールド１００、下部モールド２００、並びにそれぞれの上部モールド１００および下部モールド２００に対向して設置される弾性突起部３００を含んでなる。
上部モールド１００および下部モールド２００は、金属材質で形成され、それらの間にはインサート１０が挿入するインサート領域と、高分子樹脂３０が射出されてフレーム２０が形成される射出領域とからなる内部空間を形成する。
この際、上部モールド１００および下部モールド２００によって形成された内部空間におけるインサート領域はインサート１０の厚さより厚く形成されることが好ましい。
このため、インサート１０が上部モールド１００および下部モールド２００の内壁から離隔するように位置させ、インサート１０が高温の上部モールド１００および下部モールド２００に接触することを防止することにより、インサート１０への伝熱を最小化して、インサート１０が上部モールド１００および下部モールド２００の高温により損傷するのを防止することができるという効果がある。
本発明の一実施例に係る弾性突起部３００は、上部モールド１００と下部モールド２００とが結合して形成された内部空間をインサート領域と射出領域に区画しながらインサート１０をクランピングすることにより、高分子樹脂３０の射出の際に射出圧力によってインサート領域へ高分子樹脂３０が流入することを防止することができるという効果がある。
また、好ましくは、本発明の一実施例に係る弾性突起部３００は、弾性材質で形成され、インサート１０のクランピングの際に比較的脆くて柔らかい材質を有するインサート１０を安定的にクランピングしながら、インサート１０の破損または切断などといった損傷の発生を防止することにより、生産される燃料電池の単位セルの不良発生を最小化することができるという効果がある。
図３に示すように、本発明の第１実施例に係る弾性突起部３００は、インサート領域と射出領域との間に位置するように、上部モールド１００および下部モールド２００にそれぞれ結合される上部弾性突起３１０と下部弾性突起３２０を含み、上部弾性突起３１０および下部弾性突起３２０は、射出領域からインサート領域へ行くほどそれらの間の間隔が狭くなるように設置されることが好ましい。
このため、高分子樹脂３０の射出の際に、高分子樹脂３０がインサート領域に流入することをより効果的に防止することにより、生産された燃料電池の単位セルの品質を向上させることができるという効果があり、さらに、燃料電池の単位セルを積層して製造された燃料電池の品質を向上させることができるという効果がある。
好ましくは、本発明の一実施例に係る上部弾性突起３１０および下部弾性突起３２０は、インサート１０に接触する表面に複数の凹凸が形成された凹凸面を持つように設けられ、より好ましくは、前記凹凸面は、多数のクランピング突起が射出領域からインサート領域の方向へ傾くように突設されることが好ましい。
このため、インサート１０が押付けられたり片寄ったりすることなく効果的にクランピングしながら、射出の際にインサート領域の内部に高分子樹脂３０が流入することをより効果的に防止することができるという効果がある。
図４に示すように、本発明の第２実施例に係る燃料電池の単位セル射出金型は、上部弾性突起３１０および下部弾性突起３２０に付着する一対の保護パッド４００をさらに含むことができる。
この際、保護パッド４００、上部弾性突起３１０および下部弾性突起３２０は、インサート１０のクランピングの際にインサート１０の損傷を最小化するようにすべて弾性のあるゴム材質で形成される。
より好ましくは、本発明の第２実施例に係る保護パッド４００は、上部弾性突起３１００および下部弾性突起３２０に比べて硬度の低い材質で形成されることが好ましいが、その理由は、インサート１０に直接接触してインサート１０をクランピングする保護パッド４００を上部弾性突起３１０および下部弾性突起３２０より柔らかい材質で形成することにより、インサート１０の損傷を最小化することができるためである。
一方、本発明の第２実施例に係る上部弾性突起３１０および下部弾性突起３２０は、保護パッド４００に比べて耐熱温度が高く熱伝導度が低い材質を持つように形成されることが好ましいが、その理由は、上部弾性突起３１０および下部弾性突起３２０は高温に維持される上部モールド１００および下部モールド２００に直接接触するもので、上部モールド１００および下部モールド２００の高温により変形することを最小化しながら保護パッド４００への伝熱を最小化することにより、保護パッド４００の変形および損傷を最小化し、さらにインサート１０の高温による損傷を防止することができるという効果がある。
図５および図６に示すように、本発明の他の実施例に係る上部モールド１００および下部モールド２００は、インサート領域と射出領域との間に、互いに対向して突出した上部突起１１０と下部突起２１０を形成するか、或いは上部弾性突起３１０と下部弾性突起３２０が固定できる一対の弾性突起嵌合溝を形成するように構成できる。これにより、ゴム材質の上部弾性突起３１０および下部弾性突起３２０が、それぞれ上部突起１１０および下部突起２１０を包むように設けられるか、或いは弾性突起嵌合溝にそれぞれ挿入されるように設けられる。
このため、インサート１０の損傷を最小化しながらインサート１０をクランピングし、同時に射出の際にインサート領域への高分子樹脂３０の流入を効果的に防止することができるという効果がある。
前記弾性突起部は、前記上部弾性突起と前記下部弾性突起が互いに異なる形状を有することを特徴とする。
図７は本発明の第５実施例に係る燃料電池の単位セル射出金型を示す図、図８は本発明の第６実施例に係る燃料電池の単位セル射出金型を示す図である。
図７および図８に示すように、本発明の他の実施例に係る燃料電池の単位セル射出金型は、互いに異なる形状を有する上部弾性突起３１０と下部弾性突起３２０とを組み合わせて使用することができる。
例えば、弾性突起部３００は、上部弾性突起３１０及び下部弾性突起３２０のうちのいずれか一つは接触する表面に複数の凹凸が形成された凹凸面を有する六角状に形成され、もう一つは円柱状に形成されたものを組み合わせて使用することができる。
また、弾性突起部３００は、上部弾性突起３１０及び下部弾性突起３２０のうちいずれか一つは傾くように形成され、もう一つは金型に平行して形成されたものを組み合わせて使用することもできる。
以上、添付図面を参照して本発明の実施例について説明したが、 本発明の属する技術分野における通常の知識を有する者は、本発明がその技術的思想または必須の特徴を変更することなく、他の具体的な形態で実施できることを理解することができるであろう。
よって、上述した実施例はあらゆる面で例示的なもので、限定的なものではないと理解すべきである。本発明の範囲は前記の詳細な説明よりは後記の特許請求の範囲によって定められるものであり、特許請求の範囲の意味および範囲、並びにその均等概念から導出されるすべての変更または変形形態も本発明の範囲に含まれるものと解釈すべきである。
１０ インサート
２０ フレーム
３０ 高分子樹脂
１００ 上部モールド
１１０ 上部突起
２００ 下部モールド
２１０ 下部突起
３００ 弾性突起部
３１０ 上部弾性突起
３２０ 下部弾性突起
４００ 保護パッド
２０ フレーム
３０ 高分子樹脂
１００ 上部モールド
１１０ 上部突起
２００ 下部モールド
２１０ 下部突起
３００ 弾性突起部
３１０ 上部弾性突起
３２０ 下部弾性突起
４００ 保護パッド
Claims (9)
- 膜電極接合体と気体拡散層とが一体化されたインサートに、高分子樹脂を射出して形成されるフレームが一体化されてなる燃料電池の単位セルを射出する射出金型であって、
上部モールド；
前記上部モールドに結合し、内部に前記インサートが挿入されるインサート領域と、高分子樹脂が射出されてフレームが形成される射出領域とを含むように内部空間を形成する下部モールド；および
弾性材質で形成され、前記上部モールドおよび前記下部モールドに互いに対向して配置され、前記インサートをクランピングして前記内部空間を前記インサート領域および前記射出領域に区画しながら、前記インサート領域への高分子樹脂の流入を防止する弾性突起部；を含んでなることを特徴とする、燃料電池の単位セル射出金型。 - 前記弾性突起部は、
前記インサート領域と前記射出領域との間に位置するように前記上部モールドに固定された上部弾性突起；および
前記上部弾性突起に対向するように前記下部モールドに固定された下部弾性突起；を含み、
前記上部弾性突起および前記下部弾性突起は、前記射出領域から前記インサート領域へ行くほどそれらの間の間隔が減少するように設置されたことを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池の単位セル射出金型。 - 前記上部弾性突起および前記下部弾性突起は、前記インサートに接触する表面に凹凸面を有することを特徴とする、請求項２に記載の燃料電池の単位セル射出金型。
- 前記上部弾性突起および前記下部弾性突起の前記インサートに接触する面にそれぞれ付着する一対の保護パッドをさらに含むことを特徴とする、請求項２に記載の燃料電池の単位セル射出金型。
- 前記上部弾性突起および前記下部弾性突起は、前記保護パッドに比べて耐熱温度が高く熱伝導度が低い特性を有するゴム材質で形成されたことを特徴とする、請求項４に記載の燃料電池の単位セル射出金型。
- 前記上部弾性突起、前記下部弾性突起および前記保護パッドはゴム材質で形成され、
前記上部弾性突起および前記下部弾性突起は前記保護パッドに比べて硬度の高い材質で形成されたことを特徴とする、請求項４に記載の燃料電池の単位セル射出金型。 - 前記上部モールドおよび前記下部モールドは、
前記インサート領域と前記射出領域との間に互いに対向して突設された上部突起および下部突起をさらに含み、
前記上部弾性突起および前記下部弾性突起は、前記上部突起および前記下部突起をくるむように設けられたことを特徴とする、請求項２に記載の燃料電池の単位セル射出金型。 - 前記弾性突起部は、前記上部弾性突起と前記下部弾性突起が互いに異なる形状を有することを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池の単位セル射出金型。
- 前記上部モールドおよび前記下部モールドは、
前記インサートに接触しないように、前記インサート領域が前記インサートの厚さより厚く形成されることを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池の単位セル射出金型。
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