KR100777124B1 - 사출압력분산용 돌기부가 형성된 연료전지용세퍼레이터-가스켓 어셈블리 및 그 제조방법 - Google Patents

사출압력분산용 돌기부가 형성된 연료전지용세퍼레이터-가스켓 어셈블리 및 그 제조방법 Download PDF

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이종찬
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Abstract

사출성형에 의해 연료전지용 세퍼레이터 테두리부에 가스켓을 형성함에 있어서 사출성형시 액체 고분자의 사출압력을 효과적으로 분산시켜줌으로써 응력집중에 의한 세퍼레이터의 변형을 방지할 수 있으며, 최종적으로 형성되는 가스켓의 두께의 정밀제어가 가능한 세퍼레이터-가스켓 어셈블리가 제공된다. 본 발명에 따른 세퍼레이터-가스켓 어셈블리는 금속 판재의 제1면에 형성되며, 양각-음각 패턴이 교대로 배치되는 요철형상의 공기 또는 수소가스 유로; 판재의 제2면에 형성되며, 제1면의 요철형상에 대응되는 음각-양각 패턴이 교대로 배치되는 요철형상의 냉각수 유로; 제1면과 제2면을 관통하여 형성되는 공기, 냉각수, 및 수소 가스 매니폴더부; 유로들과 매니폴더부들 외곽의 판재 테두리부와 매니폴더부 사이의 공간에 양각의 형태로 제1면으로 또는 제2면으로 돌출되어 형성되고, 사출성형시 분사되는 액체고분자의 사출압력을 분산시키는 기능을 하는 사출압력분산용 돌기부를 포함하는 세퍼레이터부와; 사출압력분산용 돌기부를 따라 세퍼레이터의 제1면과 제2면에 부착되어 있는 가스켓부;를 포함한다. 또한, 세퍼레이터-가스켓 어셈블리의 제조방법도 제공된다.
연료전지, 세퍼레이터, 가스켓, 돌기부, 사출압력

Description

사출압력분산용 돌기부가 형성된 연료전지용 세퍼레이터-가스켓 어셈블리 및 그 제조방법{Separator-gasket assembly for fuel cell having protrusion for decentralizing injection molding pressure and manufacturing method for the same}
본 발명은 연료전지용 세퍼레이터-가스켓 어셈블리(separator-gasket assembly) 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 연료전지용 세퍼레이터에 고분자 재질의 가스켓을 사출성형을 이용하여 형성함에 있어서, 사출되는 액상 고분자의 사출압력을 적절히 분산시킬 수 있는 강성구조를 세퍼레이터 상에 형성 해줌으로서 세퍼레이터 외곽의 국부적인 변형을 방지하고, 사출에 의해 형성되는 가스켓 두께의 정밀제어가 가능하도록 하는 사출압력분산용 돌기부가 형성된 연료전지용 세퍼레이터-가스켓 어셈블리 및 그 제조방법에 관한 것이다.
연료 전지란, 일반적으로 수소와 산소의 산화, 환원반응을 이용하여 화학에너지를 전기에너지로 변환하는 발전 장치이다. 음극(anode)에서 수소가 산화되어 수소 이온과 전자로 분리된다.
(anode : H2 → 2H+ + e-)
이때, 수소 이온은 전해질을 통해 양극(cathode)으로 이동하고, 전자는 회로를 통해 양극으로 이동한다.
양극에서 수소 이온, 전자 및 산소가 반응하여 물이 되는 환원반응이 일어난다.
(cathode : O2 + 4H+ + 4e- → 2H2O)
연료전지의 단위셀은 전압이 낮아 실용성이 떨어지기 때문에, 일반적으로 수개에서 수백개의 단위셀을 적층하여 사용한다. 단위셀의 적층 시 단위셀 간 전기적 접속이 이루어지게 하고, 반응 가스를 분리시켜주는 역할을 하는 것이 세퍼레이터(separator)이다.
세퍼레이터는 막-전극 집합체(MEA)와 더불어 연료전지의 핵심부품으로 막-전극 집합체와 기체확산층(GDL)의 구조적 지지, 발생된 전류의 수집 및 전달, 반응가스의 수송 및 제거, 반응열제거를 위한 냉각수 수송 등의 다양한 역할을 담당한다.
상기와 같은 여러 부품들을 적층하여 연료전지 셀을 제조할 경우 각각의 반응가스와 냉각수의 누설과 혼합을 방지하기 위하여 세퍼레이터의 테두리부에 가스켓(gasket)을 설치한다.
가스켓을 세퍼레이터에 설치하기 위하여 기존에는 고체상태의 가스켓을 사람 이 직접 세퍼레이터에 접착하는 방식을 사용해 왔으나, 이러한 방법은 가스켓의 부착 위치에 오차가 발생하기 쉽고 이로 인하여 가스켓의 기밀성에 문제가 생길 우려가 있다.
최근 들어 이러한 문제를 해결하고자 가스켓을 고체상태로 세퍼레이터에 부착시키는 방식이 아닌 액체상태의 고분자를 사출성형(injection molding) 방식을 이용해 직접 세퍼레이터에 사출하여 가스켓을 형성하는 기술이 개발되었다.
이와 같은 사출성형에 의해 가스켓을 세퍼레이터에 형성할 경우 기존의 방식에 비해 빠른 시간 내에 정확한 위치에 가스켓을 형성하는 것이 가능하다.
그러나, 이와 같은 사출방식에 의하더라도 분리판의 양쪽면에 균일한 두께의 가스켓을 형성하는 것이 어렵다는 문제가 있다.
특히, 금속재질의 세퍼레이터의 경우 0.2t 정도의 얇은 판재를 사용하게 되므로 세퍼레이터 판재를 사출성형용 몰드에 고정시키고 높은 압력으로 액체 상태의 고분자가 사출될 때 세퍼레이터의 국부적인 변형을 유발하여 최종적으로 형성되는 가스켓의 두께가 위치별로 다르게 되어 기밀성이라는 가스켓 본래의 기능을 상실하게 될 우려가 있다.
또한, 사출성형에 의해 세퍼레이터 양쪽면에 액체 상태의 고분자가 사출될 때에 양쪽면에 사출되는 액체 고분자의 양이 서로 다르게 되면 사출시 양쪽면에 압력차가 발생하게 되는데, 이는 사출 금형에서 발생되는 열과 함께 상승작용을 일으켜 세퍼레이터의 국부적 변형을 일으키는 요인으로 작용할 수 있게 된다.
이러한 변형은 최종적으로 형성되는 가스켓의 두께에 대한 제어를 어렵게 하 여 가스켓의 기밀성을 저하시키는 요인으로 작용하게 된다.
도 1은 사출성형 방법을 이용하여 가스켓을 형성함에 있어서 세퍼레이터 상판과 하판에 걸리는 사출압력을 조절하기 위한 종래의 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 1을 참조하면, 종래에는 사출성형에 의해 가스켓이 형성될 부위(103)에 세퍼레이터(10)의 상부면과 하부면을 관통하는 홀(hall; 105)을 뚫어 사출성형시 세퍼레이터(10)의 상부면과 하부면에 걸리는 압력차를 줄이고자 하였다.
또한, 세퍼레이터(10)의 상부면에 형성된 가스켓과 하부면에 형성된 가스켓을 홀(105)을 통하여 서로 연결해 줌으로써 세퍼레이터(10)로부터 가스켓이 이탈(detaching)되는 것을 방지할 수 있었다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 사출성형을 이용하여 연료전지용 세퍼레이터에 가스켓을 형성함에 있어서 사출성형시 액체 고분자의 사출압력을 효과적으로 분산시켜줌으로써 응력집중에 의한 세퍼레이터의 변형을 방지할 수 있으며, 최종적으로 형성되는 가스켓의 두께의 정밀제어가 가능하게 되어 기밀성을 향상시키고, 또한, 가스켓이 세퍼레이터에 단단히 고정될 수 있어 가스켓의 이탈을 방지할 수 있는 세퍼레이터-가스켓 어셈블리 구조를 제공하는데에 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 다른 과제는 상기 세퍼레이터-가스켓 어셈블리의 제조방법을 제공하는데에 있다.
본 발명이 이루고자 하는 과제들은 이상에서 언급한 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 세퍼레이터-가스켓 어셈블리는 금속 판재의 제1면에 형성되며, 양각-음각 패턴이 교대로 배치되는 요철형상의 공기 또는 수소가스 유로; 판재의 제2면에 형성되며, 제1면의 요철형상에 대응되는 음각-양각 패턴이 교대로 배치되는 요철형상의 냉각수 유로; 제1면과 제2면을 관통하여 형성되는 공기, 냉각수, 및 수소 가스 매니폴더부; 유로들과 매니폴 더부들 외곽의 판재 테두리부와 매니폴더부 사이의 공간에 양각의 형태로 제1면으로 또는 제2면으로 돌출되어 형성되고, 사출성형시 분사되는 액체고분자의 사출압력을 분산시키는 기능을 하는 사출압력분산용 돌기부를 포함하는 세퍼레이터부와; 사출압력분산용 돌기부를 따라 세퍼레이터의 제1면과 제2면에 부착되어 있는 가스켓부;를 포함한다.
이때 사출압력분산용 돌기부는 연속적(continuous) 또는 단속적(intermittent)으로 형성될 수 있으며, 연속적일 경우 그 단면형상과, 단속적일 경우 그 평면 형상이 다양한 형상을 가질 수 있다.
또한, 가스켓부는 사출압력분산용 돌기부를 사방에서 완전히 감싸도록 형성되며, 돌기부에 의해 고정될 수 있도록 하는 것을 특징으로 한다.
상기의 다른 과제를 해결하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 세퍼레이터-가스켓 어셈블리의 제조방법은 사출압력분산용 돌기부가 테두리부에 형성되어 있는 세퍼레이터부를 상기 사출압력분산용 돌기부 중심에 대응되는 위치에 사출원료 주입구가 형성되어 있는 사출용 금형에 배치하는 단계; 및 주입구를 통해 액체 고분자 수지를 금형 내부로 주입하는 단계를 포함한다.
본 발명에 따른 연료전지용 세퍼레이터-가스켓 어셈블리에 의하면 사출성형에 의해 세퍼레이터 테두리부에 가스켓을 형성함에 있어서 사출성형시 액체 고분자의 사출압력을 효과적으로 분산시켜줌으로써 응력집중에 의한 세퍼레이터의 변형을 방지할 수 있으며, 최종적으로 형성되는 가스켓의 두께의 정밀제어가 가능하게 되어 기밀성을 향상시키고, 이로 인하여 연료전지 셀의 스택 체결시 발생되는 불량을 크게 낮출 수 있게 된다.
또한, 가스켓이 세퍼레이터에 단단히 고정될 수 있어 가스켓의 이탈을 방지할 수 있는 효과도 있다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 연료전지용 세퍼레이터-가스켓 어셈블리에 대하여 설명하기로 한다.
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. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭한다.
또한, 도면에서 발명을 구성하는 구성요소들의 크기는 명세서의 명확성을 위하여 과장되어 기술된 것이며, 어떤 구성요소가 다른 구성요소의 "내부에 존재하거나, 연결되어 설치된다"고 기재된 경우, 상기 어떤 구성요소가 상기 다른 구성요소와 접하여 설치될 수도 있고, 그 소정의 이격거리를 두고 설치될 수도 있으며, 이 격거리를 두고 설치되는 경우엔 상기 어떤 구성요소를 상기 다른 구성요소에 고정 내지 연결시키기 위한 제3의 수단에 대한 설명이 생략될 수도 있다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 연료전지용 세퍼레이터-가스켓 어셈블리를 나타내는 평면도이다.
도 2에 도시된 바와 같이 본 발명의 연료전지용 세퍼레이터-가스켓 어셈블리(separator-gasket assembly; 20)는 세퍼레이터부(separator; 200)와 가스켓부(gasket; 250)를 포함한다.
세퍼레이터부(200)는 스테인리스 재질의 금속판재로 되어 있는데, 이때 판재의 상부면과 하부면을 각각 제1면과 제2면으로 정의하기로 하고, 상부면인 제1면을 기준으로 세퍼레이터-가스켓 어셈블리(20)의 구조에 대하여 설명하기로 한다.
세퍼레이터부(200)의 제1면에는 양각-음각 패턴이 교대로 배치되는 요철형상의 공기 또는 수소가스 유로(210)가 형성되어 있다. 그리고, 제2면에는 상기 양각-음각 패턴의 요철형상에 대응되도록 반대의 음각-양각 패턴이 교대로 배치되는 요철형상의 냉각수 유로(미도시)가 형성된다.
즉, 상기 공기 또는 수소가스 유로(210)는 금속 판재를 프레스 스탬핑(press stmaping)에 의해 가공하여 세퍼레이터(210)의 제2면에서 제1면으로 돌출되도록 형성하며, 이와 대응되는 위치의 제2면 상에는 반대의 상을 가지는 냉각수 유로(미도시)가 형성되게 된다.
도 2를 기준으로, 상기 공기 또는 수소가스 유로(210)의 상부와 하부 측면에 는 공기매니폴더(202, 202'), 수소매니폴더(203, 203'), 냉각수매니폴더(204, 204')가 제1면과 제2면을 관통하도록 형성되어 있다.
상부의 공기매니폴더(202) 또는 수소매니폴더(203)에서 공기(air) 또는 수소가스(H2)가 공급되면 제1면에 형성된 공기 또는 수소가스 유로(210)를 따라 흘러서 각각 하부의 공기매니폴더(202')와 수소매니폴더(203')으로 배출된다.(제2면을 통해 흐르는 냉각수도 동일함)
이하 도 3과 도 4를 참조하여 세퍼레이터에 형성된 사출압력분산용 돌기부와 가스켓부(250)에 대하여 설명하기로 한다.
도 3은 도 2에 "A" 부분에 대한 확대 단면사시도이고, 도 4는 도 2의 B-C를 따라 절개한 절개단면도이다.
도 3과 도 4를 참조하면, 세퍼레이터부(200)에는 제2면에서 제1면으로 돌출되어 있는 사출압력분산용 돌기부(220)가 형성되어 있다. 다만, 사출압력분산용 돌기부(220)는 제1면에서 제2면을 향하여 돌출되도록 형성하여도 무방하다.
사출압력분산용 돌기부(220)에 대해서는 가스켓부(230)를 먼저 설명한 후 자세히 설명하기로 한다.
사출압력분산용 돌기부(220)의 상부와 하부에는 일정한 폭과 높이를 가지고 사출압력분산용 돌기부(220)를 따라 연속적으로(continuous) 형성되는 가스켓부(230)가 형성된다.
가스켓부(230)는 사출성형에 의해 액체 상태의 고분자가 직접적으로 세퍼레 이터(200)의 사출압력분산용 돌기부(220) 상에 사출-냉각되어 고체상태로 형성되어 있으며, 그 폭과 높이는 사출압력분산용 돌기부(220)를 완전히 감싸고 있는 정도로 설계된다.
가스켓부(230)는 연료전지 셀과 셀을 스태킹(stacking)함에 있어서, 막-전극 접합체와 이웃하는 세퍼레이터를 밀봉결합 되도록 하는 부재로서 적정한 연신율(elongation)과 경도(hardness)가 요구되는 부재이다.
즉, 연신율이 너무 높을 경우 스태킹시 체결압력을 가하였을 때 수축량이 너무 크게 되고 체결을 해제하였을 때 원상복귀가 되지 않을 수 있으며, 연신율이 너무 낮을 경우 체결압력을 가하였을 때 상하면이 접촉하는 부분에서 높은 평탄도를 요구하게 되는 문제가 있다.
또한, 경도가 높은 고분자 수지의 경우에는 사출 후 접촉되는 면의 평탄도가 일정하지 못하게 되면(거칠기 또는 기울기가 있을 경우) 체결압력을 가해 적층하여도 완전한 접촉이 이루어지지 않아 접촉면의 기밀성이 떨어지게 되는 단점이 있을 수 있다.
따라서, 사출성형에 의해 세퍼레이터(20)의 사출압력분산용 돌기부(220)의 상하면을 따라 가스켓부(230)가 형성될 경우, 형성된 가스켓부(230)의 표면에 거칠기(roughness) 또는 미소한 높이의 단차가 발생하더라도 체결시 이러한 문제를 상쇄시킬 수 있을 정도의 경도를 가지는 수지의 선정이 요구된다.
본 발명에서는 이러한 수지로서 shore A 35의 경도를 가지는 열가소성 수지 또는 열경화성 수지를 사용하여 가스켓을 사출성형에 의해 형성하였다.
가스켓부(230)의 내부에는 세퍼레이터(도 2의 200참조)의 외곽 테두리부가 프레스 스탬핑되어 제2면에서 제1면으로(그 반대의 경우도 무방함) 돌출되는 사출압력분산용 돌기부(220)가 형성되어 있다.
사출압력분산용 돌기부(220)는 상기에서 설명한 공기 또는 수소유로(도 2의 210 참조)과 냉각수 유로(미도시)가 프레스 스탬핑 공정에 의해 형성될 때 동시에 형성되는 것으로 세퍼레이터(도 2의 200)의 외곽 테두리와 매니폴더부들(202, 203, 204, 202', 203', 204') 사이의 공간에 걸쳐서 형성되어 있다.
사출압력분산용 돌기부(220)는 상기에서 설명한 가스켓(230)을 사출성형을 이용한 액체 고분자의 직접 사출 방식에 의해 형성할 경우, 사출되는 액체 고분자의 사출 압력을 적절히 분산시키고, 사출압력분산용 돌기부(220) 상부면과 하부면의 세퍼레이터(200)에 걸리는 압력을 적절히 조절해주는 역할을 한다.
또한, 사출압력분산용 돌기부는(220) 사출 성형시에는 상기와 같은 기능을 하면서, 사출이 완료되고 가스켓부(230)의 형성이 완료된 후에는 가스켓부(230)가 세퍼레이터(200)에 단단히 고정되도록 잡아주는 기능도 수행한다.
일반적으로 연료전지의 셀과 셀의 스택을 체결시 세퍼레이터에 접합된 가스켓이 압축변형하면서 연료전지의 기밀성이 확보되도록 하는 구조를 가지고 있다.
따라서, 전면적에 걸쳐서 가스켓의 변형량이 일정하게 되도록 해주는 것이 중요한데, 이 경우엔 세퍼레이터의 평탄도가 매우 중요하게 된다.
종래의 흑연 세퍼레이터의 경우 제작시 정삭가공을 하여 세퍼레이터 자체의 평탄도를 확보하는 것이 가능하나, 금속재질의 세퍼레이터의 경우엔 프레스 스탬핑 공정에 의해 제조될 경우 뒤틀림 현상이 발생하게 될 가능성이 매우 크다.
이러한 경우 스택 체결시 가스켓부(230)에 가해지는 하중의 불균형을 초래할 수 있고, 이는 결국 스택의 기밀성 저하로 이어지게 된다.
또한, 스택 체결시 하중이 불균일하게 가해질 경우 국부적으로 막-전극접합체(MEA)나 가스확산층(GDL)에 과도한 하중에 가해지는 부위가 발생할 수 있고, 이러한 경우 막-전극 접합체나 가스확산층의 내구성을 떨어뜨리게 되고, 심할 경우엔 막-전극접합체나 가스확산층의 파손으로 이어져 연료전지의 운전에 심각한 영향을 미칠수 있게 된다.
하지만, 가스켓부(230)가 형성되는 세퍼레이터의 접촉면을 상기에서 설명한 사출압력분산용 돌기부(220)의 형상과 같이 돌출부 구조가 되도록 해주고, 이 부분의 상하부면에 걸쳐서 가스켓부(230)를 형성할 경우, 스택 체결시 가스켓부(230)가 하중에 의해 변형될 수 있는 높이가 돌출구조에 의하여 제한되는 효과를 발휘할 수 있게 된다.
즉, 도 4를 참조하면, 가스켓부(230)가 스택 체결시 일정한 압력으로 눌리게 되더라도 그 최대 변형 높이는 사출압력분산용 돌기부의 최대높이(D)로 제한 될 수 있다.
상기와 같이 가스켓부(230)가 형성되는 세퍼레이터(200)의 하부면을 돌출되도록 하여주면, 막-전극접합체와 가스확산층에 적정한 수준의 압축력이 가해질 수 있게 하여 안정적인 공간의 확보가 가능하게 된다는 장점을 가지게 된다.
이로 인하여, 막-전극 접합체나 가스확산층의 내구성이 향상되어 연료전지 스택의 수명을 연장시킬 수 있는 효과를 가져 올 수도 있다.
사출압력분산용 돌기부(220)는 세퍼레이터(도 2의 200)의 외곽 테두리와 매니폴더부들(202, 203, 204, 202', 203', 204') 사이의 공간에 걸쳐서 소정의 단면구조를 가지는 폐곡선(closed loop) 형상으로, 연속적으로(continuous) 형성될 수도 있고, 소정의 평면구조를 가지도록 돌출형상의 단속적인 패턴으로 형성될 수도 있다.
도 5a 내지 도 5d는 사출압력분산용 돌기부(220)가 연속적으로 형성될 경우 변형가능한 단면구조에 대한 다양한 실시예들을 나타내는 단면도이다.
사출압력분산용 돌기부(220)는 연속적으로 형성될 경우 도 5a와 같이 둥근반원형의 단면구조, 도 5b와 같이 삼각단면구조, 도 5c와 같이 정사각단면구조, 도 5d와 같이 직사각단면구조로 다양하게 단면구조가 변경될 수 있다
도 6a 내지 도 6d는 사출압력분산용 돌기부(220)가 단속적으로 형성될 경우 변형가능한 평면구조에 대한 다양한 실시예들을 나타내는 평면사시도이다.
사출압력분산용 돌기부(220)가 단속적으로 형성될 경우 도 6a와 같이 원형의 도트형상이 단속적으로 되어 있는 평면구조, 도 6b와 같이 타원형의 도트형상이 단속적으로 되어 있는 평면구조, 도 6c와 같이 정사각형의 평면구조, 도 6d와 같은 직사각형의 평면구조로 다양하게 평면구조가 변경될 수 있다.
또한, 사출압력분산용 돌기부(220)가 단속적으로 형성될 경우 상기 원형, 타 원형, 정사각형, 직사각형 평면구조가 하나 이상 선택되어 조합되는 구조를 가질 수도 있다.
도 7은 본 발명에 따른 세퍼레이터-가스켓 어셈블리의 제조방법을 설명하기 위한 공정흐름도이고, 도 8과 도 9는 세퍼레이터-가스켓 어셈블리의 제조공정에 있어서 가스켓 사출성형 공정을 설명하기 위한 공정 단면도이다.
본 발명에 따른 세퍼레이터-가스켓 어셈블리를 제조하기 위해서는 먼저, 스테인리스 강판 모재를 마련하고, 프레스 스탬핑 공정을 통해 상기 스테인리스 강판 모재의 양면에 걸쳐서 가스유로와 냉각수 유로, 및 사출압력분산용 돌기부를 형성한다.(S710)
다음으로, 스탬핑 된 스테인리스 강판을 산성 또는 알칼리성 용액을 사용하여 탈지처리 해주어 표면의 유기물을 모두 제거해 준다(S720).
다음으로, 표면 탈지처리된 스테인리스 강판에 산세처리 등과 같은 표면처리 공정을 해준다. 이때, 표면처리는 대부분 접촉저항과 부식전류를 낮추기 위한 표면처리를 의미한다.
이하에서는 도 7 및 도 8, 도 9를 이용하여 스테인리스 강판의 양면에 가스켓을 형성하는 방법에 대하여 설명하기로 한다.
도 8은 표면처리된 스테인리스 강판에 사출성형용 금형이 장착되는 형상을 모식적으로 나타낸 단면도이고, 도 9는 장착된 금형 내부로 가스켓 원료가 되는 액체 고분자가 주입되는 공정을 설명하기 위한 단면도이다.
상기와 같이 표면처리된 스테인리스 강판의 양면에 가스켓을 형성하기 위해 서는 표면처리된 스테인리스 강판을 사출성형용 금형에 배치한다.(S730)
도 8을 참조하면, 사출성형용 금형(810)은 사출압력분산용 돌기부(805)가 형성된 스테인리스 강판(820) 영역 주위에 밀착되도록 형성되며, 그 상부와 하부에는 사출원료, 즉 가스켓 형성용 액체 상태의 고분자 수지 주입을 위한 주입구(807, 808)가 형성된다.
이때, 주입구(807,808)는 사출압력분산용 돌기부(805)의 중심선(F)에 대응되도록 위치하도록 하는 것이 바람직한데, 그 이유는 후에 사출원료가 소정의 사출압력을 가지고 금형(810) 내부로 주입될 경우, 스테인리스 강판(820)에 전달되는 사출압력을 효과적으로 분산시키고, 사출압력분산용 돌기부(805)이 상부면과 하부면에 걸쳐서 압력분포를 최대한 일정하게 조절해주기 위함이다.
도 9를 참조하면 본 발명의 세퍼레이터-가스켓 어셈블리를 제조하기 위해서금형(810)의 주입구(807, 808)를 통하여 가스켓 형성용 액체상태의 고분자 수지를 주입(injection) 해준다.(S740)
액체 상태의 고분자 수지는 금형(810) 내부로 주입되면서 가장 먼저 사출압력분산용 돌기부(805)와 충돌하면서 사출압력이 상하좌우로 효과적으로 분산되고, 이와 동시에 하부주입구(808)를 통해 액체 상태의 고분자 수지가 금형(810) 내부로 주입되면서 가스켓 사출이 이루어진다.
마지막으로, 스테인리스 강판(820)을 금형에서 탈착시키게 되면 사출성형에 의한 세퍼레이터-가스켓 어셈블리의 제조가 완성된다.
다만, 액체 상태의 고분자 수지 주입공정이 이루어진 후, 주입된 고분자 수 지를 냉각하는 공정을 거친 후에 스테인리스 강판(820)을 금형(810)에서 탈착시켜야만 주입된 고분자 수지가 흘러내리거나 변형되는 것을 방지할 수 있다.
이하에서는 본 발명의 실시예들에 따른 세퍼레이터-가스켓 어셈블리의 경우 응력집중에 의한 세퍼레이터의 변형을 방지할 수 있으고, 가스켓이 세퍼레이터에 단단히 고정될 수 있어 가스켓의 이탈을 방지할 수 있다는 것을 구체적인 실험예들을 들어 설명한다. 여기에 기재되지 않은 내용은 이 기술 분야에서 숙련된 자이면 충분히 기술적으로 유추할 수 있는 것이므로 그 설명을 생략한다.
1. 실험예 및 비교예
(1) 실험예 1
스테인리스 강판 모재로서 두께 0.2t의 316L을 사용하였고, 가스켓의 재질은 35 Shore 경도, 인장강도 16kgf/cm2, 연신열 377%, Tear 강도 12kN/m, 비중 0.9의 에스테르계 엘라스토머 재질을 사용하였다.
사출압력분산용 돌기부는 연속형으로 도 5a와 같은 단면형상이 반원형인 것을 스테인리스 강판의 테두리와 매니폴더부들 사이공간에 형성하였다.
가스켓을 형성하기 위하여 수지의 온도를 190℃, 금형의 온도는 상온, 70.7mm/s의 사출속도, 2.1초 정도의 사출시간으로 사출성형을 통해 사출압력분산용 돌기부 상에 가스켓을 형성하여 주었다.
(2) 실험예 2
상기 실험예 1에서 사출압력분산용 돌기부의 단면형상이 도 5d와 같은 사다리꼴형인 것을 제외하고는 실험예 1과 동일하게 세퍼레이터-가스켓 어셈블리를 제조하였다.
(3) 실험예 3
상기 실험예 1에서 사출압력분산용 돌기부는 단속적인 패턴으로, 평면형상은 도 6a와 같은 원형인 것을 제외하고는 실험예 1과 동일하게 세퍼레이터-가스켓 어셈블리를 제조하였다.
(4) 실험예 4
상기 실험예 1에서 사출압력분산용 돌기부는 단속적인 패턴으로, 평면형상은 도 6c와 같은 정사각형인 것을 제외하고는 실험예 1과 동일하게 세퍼레이터-가스켓 어셈블리를 제조하였다.
(5) 비교예 1
사출압력분산용 돌기부를 형성하지 않은 점을 제외하고는 실험예 1과 동일하게 세퍼레이터-가스켓 어셈블리를 제조하였다.
(6) 비교예 2
사출압력분산용 돌기부를 형성하지 않고, 가스켓의 상부와 하부를 연결하는 홀(hall)을 형성한 점을 제외하고는 실험예 1과 동일하게 세퍼레이터-가스켓 어셈블리를 제조하였다.
3. 물성측정 결과 및 분석
도 10은 상기 실험예 1에서 사용된 사출압력분산용 돌기부를 적용한 경우에 대한 가스켓부의 사출성형시 사출압력에 의한 세퍼레이터의 변형량을 측정한 결과를 나타내고, 도 11은 상기 비교예 1에서와 같이 사출압력분산용 돌기부를 적용하지 아니한 경우에 가스켓부의 사출성형시 사출압력에 의한 세퍼레이터의 변형량을 측정한 결과이다.
도 10을 참조하면, 실험예 1에서와 같이 세퍼레이터의 테두리부에 사출압력분산용 돌기부를 적용할 경우 약 0.229mm 정도의 평균변형량 값을 나타내고 있다.
도 11을 참조하면, 비교예1과 같이 세퍼레이터의 테두리부에 사출압력 분산용 돌기부를 형성하지 않고 가스켓부를 사출성형하게 되면, 약 0.400mm 정도의 평균변형량 값을 나타내고 있음을 알 수 있으며, 도 10과 비교할 때 변형량이 약 2배정도임을 알 수 있다.
하기 표 1은 상기의 실험예들과 비교에들에 의해 제조되는 세퍼레이터-가스켓 어셈블리를 이용하여 스택 체결시 기밀성, 체결성(가스켓 이탈여부), 변형성을 측정한 결과를 나타낸다.
Figure 112007060903795-pat00001
표 1을 참조하면, 상기 실험예에서와 같이 세퍼레이터에 사출압력분산용 돌기부를 형성한 경우 기밀성, 체결성, 변형성이 모두 우수한 값을 나타내고 있음을 알 수 있다.
이에 비하여 비교예 1의 경우엔 기밀성, 체결성, 변형성에서 모두 불량을 나타내었고, 비교예 2의 경우엔 기밀성은 불량, 체결성은 우수, 변형성은 양호한 값을 나타내고 있음을 알 수 있다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 제조될 수 있으며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
도 1은 사출성형 방법을 이용하여 가스켓을 형성함에 있어서 세퍼레이터 상판과 하판에 걸리는 사출압력을 조절하기 위한 종래의 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 연료전지용 세퍼레이터-가스켓 어셈블리를 나타내는 평면도이다.
도 3은 도 2에 "A" 부분에 대한 확대 단면사시도이다.
도 4는 도 2의 B-C를 따라 절개한 절개단면도이다.
도 5a 내지 도 5d는 사출압력분산용 돌기부가 연속적으로 형성될 경우 변형가능한 단면구조에 대한 다양한 실시예들을 나타내는 단면도이다
도 6a 내지 도 6d는 사출압력분산용 돌기부가 단속적으로 형성될 경우 변형가능한 평면구조에 대한 다양한 실시예들을 나타내는 평면사시도이다.
도 7은 본 발명에 따른 세퍼레이터-가스켓 어셈블리의 제조방법을 설명하기 위한 공정흐름도이다.
도 8과 도 9는 세퍼레이터-가스켓 어셈블리의 제조공정에 있어서 가스켓 사출성형 공정을 설명하기 위한 공정 단면도이다.

Claims (11)

  1. 금속 판재의 제1면에 형성되며, 양각-음각 패턴이 교대로 배치되는 요철형상의 공기 또는 수소가스 유로; 상기 판재의 제2면에 형성되며, 상기 제1면의 요철형상에 대응되는 음각-양각 패턴이 교대로 배치되는 요철형상의 냉각수 유로; 상기 제1면과 제2면을 관통하여 형성되는 공기, 냉각수, 및 수소 가스 매니폴더부; 상기 유로들과 매니폴더부들 외곽인 상기 판재의 테두리부와 상기 매니폴더부 사이에 양각의 형태로 제1면으로 또는 제2면으로 돌출되어 형성되고, 사출성형시 분사되는 액체고분자의 사출압력을 분산시키는 기능을 하는 사출압력분산용 돌기부를 포함하는 세퍼레이터부;
    상기 사출압력분산용 돌기부에 대응되는 상기 세퍼레이터의 상기 제1면과 제2면의 위치에 부착되는 가스켓부;
    를 포함하는 연료전지용 세퍼레이터-가스켓 어셈블리.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 세퍼레이터부는 스테인리스 강판 소재로 된 것을 특징으로 하는 연료전지용 세퍼레이터-가스켓 어셈블리.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 공기, 냉각수, 수소 가스 매니폴더부는 상기 세퍼레이터부의 양측면에 각각 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 세퍼레이터-가스켓 어셈블리.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 사출압력분산용 돌기부는 폐곡선 형상으로 연속적으로 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 세퍼레이터-가스켓 어셈블리.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 사출압력분산용 돌기부의 단면 형상은 반원형, 삼각형, 사각형, 사다리꼴형 중 하나인 것을 특징으로 하는 연료전지용 세퍼레이터-가스켓 어셈블리.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 사출압력분산용 돌기부는 단속적으로 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 세퍼레이터-가스켓 어셈블리.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 단속적으로 형성되는 사출압력분산용 돌기부의 형상은 평면도를 기준으로 원형, 타원형, 정사각형, 직사각형의 형상 또는 이들의 조합으로 되어 있는 것을 특징으로 하는 연료전지용 세퍼레이터-가스켓 어셈블리.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 가스켓부는 상기 사출압력분산용 돌기부를 완전히 감싸도록 형성되어, 상기 돌기부에 의해 고정되어 있는 것을 특징으로 하는 연료전지용 세퍼레이터-가스켓 어셈블리.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 가스켓부는 Shore A 25 내지 Shore D 70의 경도를 가지는 열가소성 수지 또는 열경화성 수지인 것을 특징으로 하는 연료전지용 세퍼레이터-가스켓 어셈블리.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 가스켓부는 사출성형에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 세퍼레이터-가스켓 어셈블리.
  11. 제 1 항의 사출압력분산용 돌기부가 테두리부에 형성되어 있는 세퍼레이터부를 상기 사출압력분산용 돌기부 중심에 대응되는 위치에 사출원료 주입구가 형성되어 있는 사출용 금형에 배치하는 단계; 및
    상기 주입구를 통해 액체 고분자 수지를 금형 내부로 주입하는 단계를 포함하는 세퍼레이터-가스켓 어셈블리의 제조방법.
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