KR101009382B1 - 연료 전지용 세퍼레이터 및 그 제조 방법 - Google Patents

연료 전지용 세퍼레이터 및 그 제조 방법 Download PDF

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혼다 기켄 고교 가부시키가이샤
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Abstract

중앙부(22)와 외주부(30)를 갖춘 연료 전지용 세퍼레이터(20)가 개시되어 있다. 상기 중앙부는 스테인레스강 등으로 제조된 금속 부재로 이루어진다. 상기 외주부에는 복수의 가스 통로(31, 32) 및 복수의 생성부 통로(33)가 형성된다. 가스 통로 및 생성수 통로의 내식성을 확보하기 위하여, 상기 외주부를 실리콘 고무로 이루어진 고무 부재로 한다. 중앙부를 둘러싸는 돌기형의 중앙 밀봉부(41)를 상기 외주부와 일체로 형성한다.

Description

연료 전지용 세퍼레이터 및 그 제조 방법{FUEL CELL SEPARATOR AND METHOD OF MANUFACTURING THE SEPARATOR}
본 발명은 세퍼레이터의 외주부에 복수의 통로를 마련하고, 이들 통로를 이용하여 반응 가스 및 반응 생성물을 유도하는 연료 전지용 세퍼레이터 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
도 6은 종래의 연료 전지를 도시하고 있다. 이 연료 전지(100)는, 전해질막(101)의 상면측과 하면측에 각각 음극(102)과 양극(103)을 배치하고, 음극(102)의 상측에 세퍼레이터(105)를 중첩시키고, 전해질막(101)의 외주 근방과 상측의 세퍼레이터(105)의 외주 근방에 상측의 가스켓(106)을 끼우고, 양극(103)의 하측에 세퍼레이터(105)를 중첩시키고, 전해질막(101)의 외주 근방과 하측의 세퍼레이터(105)의 외주 근방에 하측의 가스켓(106)을 끼워 제조되고 있다.
이 연료 전지(100)에 따르면, 수소 가스는 복수의 수소 가스 통로(107)를 통해 화살표 a에 의해 도시된 바와 같이 공급된다. 수소 가스 통로(107) 내의 수소 가스는 상측의 세퍼레이터(105)의 중앙부(105a)를 향해 화살표로 도시된 바와 같이 유도된다. 산소 가스는 복수의 산소 가스 통로(108)를 통해 화살표 b로 도시된 바와 같이 공급된다. 산소 가스 통로(108) 내의 산소 가스는 하측의 세퍼레이터 (105)의 중앙부(105a)를 향해 화살표로 도시된 바와 같이 유도된다.
수소 가스가 상측의 세퍼레이터(105)의 중앙부(105a)로 도입됨으로써 음극(102)에 포함되는 촉매에 수소 분자(H2)가 접촉하고, 산소 가스가 하측의 세퍼레이터(105)의 중앙부(105a)에 도입됨으로써 양극(103)에 포함되는 촉매에 산소 분자(O2)가 접촉하여, 전자 e-는 화살표로 도시된 바와 같이 흘러 전류가 발생한다.
이 때, 수소 분자(H2)와 산소 분자(O2)로부터 생성수(H2O)가 생성되고, 이 생성수는 복수의 생성수 통로(109)를 통해 화살표 c로 도시된 바와 같이 흐른다.
이 연료 전지(100)에서는, 가스 통로(107, 108)와 생성수 통로(109)의 내식성을 유지하기 위해서 상기 가스 통로(107, 108)와 생성수 통로(109)를 밀봉할 필요가 있다. 이것을 달성하기 위하여, 연료 전지(100)를 제조할 때, 전해질막(101)의 외주 근방과 상측의 세퍼레이터(105)의 외주 근방 사이의 간극에 상측의 가스켓(106)을 끼우고, 전해질막(101)의 외주 근방과 하측의 세퍼레이터(105)의 외주 근방 사이의 간극에 하측의 가스켓(106)을 끼운다.
여기서, 연료 전지(100)는 콤팩트한 것이 바람직하므로, 상하의 가스켓(106)을 얇게 제조할 필요가 있다. 따라서, 상하의 가스켓(106)의 취급이 어렵고, 상하의 가스켓(106)을 적당한 위치에 배치하는 데 시간이 걸려, 이것이 연료 전지의 생산성을 높이는 데에 있어서 방해가 되고 있었다.
이 문제를 해결하는 방법으로서, 예컨대 일본 특허 공개 평성 제11-309746호의 「실리콘 수지-금속 복합체의 제조 방법」이 제안되어 있다. 이 방법에 따르면, 실리콘 수지를 주입하고, 주입된 실리콘 수지로 세퍼레이터의 외주부에 밀봉부를 형성함으로써 가스켓을 제거할 수 있다.
이하, 종래의 연료 전지용 세퍼레이터를 제조하는 사출 성형용 금형을 도 7에 도시하고, 종래의 세퍼레이터 제조 방법에 관해서 설명한다.
도 7을 참조하면, 사출 성형용 금형(110)을 결합함으로써, 고정형 다이(111)와 가동형 다이(112) 사이의 간극에 세퍼레이터(113)가 삽입되고, 고정형 다이(111)와 가동형 다이(112)에 의해 캐비티(114)를 형성되고, 이 캐비티(114)에 화살표로 도시된 바와 같이 실리콘 수지를 충전함으로써 세퍼레이터(113)의 외주부(113a)에 시일(115)이 형성된다.
이와 같이, 세퍼레이터(113)의 외주부(113a) 둘레에 시일(115)을 형성함으로써, 도 6에 도시된 상하의 가스켓(106, 106)을 필요로 하지 않을 수 있다. 따라서, 연료 전지를 제조할 때에, 상하의 가스켓(106, 106)을 조립하는 단계를 생략할 수 있다.
세퍼레이터(113)의 가스 통로 및 생성수 통로가 가스와 생성수에 의해 부식되는 것을 방지하기 위해서는, 가스 통로 및 생성수 통로의 전체 표면을 피복할 필요가 있다. 이 때문에, 세퍼레이터(113)의 외주부(113a)의 상면 및 하면을 시일(115)로 피복할 뿐만 아니라, 외주부(113a)의 가스 통로와 생성수 통로의 벽면도 시일(115)로 피복할 필요가 있다.
이와 같이, 외주부(113a)의 가스 통로 및 생성수 통로의 전체 표면을 시일(115)로 피복하여 내식성을 높이기 위해서는, 사출 성형용 금형(110) 등의 설비의 정밀도를 높일 필요가 있어, 이에 따라 설비 비용이 늘어나고, 이것이 비용을 억제하는 데 방해가 된다.
또한, 설비의 정밀도를 높였다고 해도 외주부(113a)의 가스 통로 및 생성수 통로의 전체 표면을 시일(115)로 확실하게 피복하는 것이 어려워서, 세퍼레이터의 제조시에 수율의 저하가 예상되고, 이것이 생산성을 높이는 데 방해가 되고 있었다.
따라서, 세퍼레이터의 내식성을 확보할 수 있으며, 또한 비용을 억제하는 동시에 생산성을 높일 수 있는 연료 전지용 세퍼레이터가 기대된다.
본 발명은, 외주부에 반응 가스를 유도하는 복수의 가스 통로를 설치하고 반응 생성물을 유도하는 복수의 반응 생성물 통로를 설치하여, 상기 가스 통로에서 중앙부로 반응 가스를 유도하여 중앙부에서 생성된 생성물을 상기 반응 생성물 통로로 유도하는 연료 전지용 세퍼레이터에 있어서, 상기 중앙부가 금속 부재로 이루어지고 상기 외주부는 고무 부재로 이루어지며, 상기 중앙부를 둘러싸는 돌출부가 상기 고무 부재와 일체로 형성된 것을 특징으로 하는 연료 전지용 세퍼레이터가 제공된다.
본 발명에 따른 세퍼레이터에 있어서, 이 세퍼레이터의 중앙부는 금속 부재로 이루어지고, 세퍼레이터의 외주부는 고무 부재로 이루어진다. 이와 같이, 세퍼레이터의 외주부를 고무 부재로 하고, 이 외주부에 가스 통로 및 생성수 통로를 형성함으로써, 가스 및 생성수에 대한 가스 통로 및 생성수 통로의 내식성을 확보할 수 있다.
또한, 세퍼레이터의 외주부를 고무 부재로 하고, 이 고무 부재에 가스 통로 및 반응 생성물 통로를 형성한 결과, 종래 기술과 같이 세퍼레이터의 가스 통로 및 생성수 통로의 벽면에 밀봉재를 피복할 필요가 없기 때문에, 통상적인 정밀도의 사출 성형용 금형으로 외주부를 성형할 수 있다. 이에 따라, 고정밀도의 사출 성형용 금형을 사용할 필요가 없기 때문에, 사출 성형용 금형 등의 설비 비용을 억제하여, 비용 상승을 억제할 수 있다.
더욱이, 본 발명의 세퍼레이터의 경우에, 세퍼레이터의 외주부를 고무 부재로 제조함으로써, 고무 부재가 비교적 간단히 제조될 수 있다. 따라서, 세퍼레이터를 생산할 때에 수율을 높일 수 있다.
또한, 본 발명의 세퍼레이터의 경우에, 중앙부를 둘러싸는 돌출부를 외주부와 일체로 형성함으로써, 외주부 및 돌출부를 단기간 내에 손쉽게 형성할 수 있기 때문에, 세퍼레이터의 생산성을 더 더욱 높일 수 있다.
본 발명에서 세퍼레이터의 외주부를 형성하는 고무 부재는 실리콘 고무로 이루어지는 것이 바람직하다. 실리콘 고무는 중앙부를 구성하는 금속 부재와 열팽창 계수가 다르지만, 비교적 탄성이 있어, 중앙부와의 열팽창 차이를 흡수할 수 있다. 이에 따라, 외주부와 중앙부 간의 열팽창 차이로 인해 중앙부가 변형하거나, 외주부가 피로 파괴되는 것이 방지된다.
본 발명은 또한, 실리콘 고무제의 외주부에 반응 가스를 유도하는 복수의 가스 통로를 설치하고 반응 생성물을 유도하는 복수의 반응 생성물 통로를 설치하고, 상기 가스 통로에서 금속제의 중앙부로 반응 가스를 유도하여 중앙부에서 생성된 생성물을 상기 반응 생성물 통로로 유도하는 연료 전지용 세퍼레이터의 제조 방법으로서, 상기 금속제의 중앙부를 사출 성형용 금형의 캐비티 내에 배치하는 단계와, 상기 실리콘 고무가 반응 경화하지 않도록, 그리고 저점성을 유지하도록 이 캐비티의 내측을 저온으로 유지하는 단계와, 이 상태로 캐비티 내에 액상의 실리콘 고무를 주입하고 이 실리콘 고무를 상기 중앙부의 가장자리부로 유도하는 단계와, 상기 중앙부의 가장자리부로 유도된 실리콘 고무를 반응 경화시키도록 상기 캐비티의 내측을 가열하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지용 세퍼레이터의 제조 방법을 제공한다.
외주부용의 고무로서는, 특정 온도 이상에서 급격히 경화가 촉진되고, 그것에 따라 점도도 상승하는 특성을 갖는 실리콘 고무가 사용된다. 따라서, 급격한 경화가 발생하기 이전의 온도(저점도 상태)에서 실리콘 고무를 중앙부의 가장자리부로 유도한 후, 급속히 온도를 상승시켜 실리콘 고무를 반응 경화할 수 있다. 이에 따라, 실리콘 고무가 저점도 상태에서 성형됨으로써, 사출 압력을 저압으로 억제할 수 있기 때문에, 버어(burr)의 발생을 방지할 수 있다. 또한, 사출 압력을 억제함으로써, (세퍼레이터의) 금속제인 중앙부 상의 국부적인 응력 발생을 완화할 수 있고, 중앙부의 변형을 방지할 수 있다.
또한, 본 발명은 실리콘 고무제의 외주부로 반응 가스를 유도하는 복수의 가스 통로를 설치하고 반응 생성물을 유도하는 복수의 반응 생성물 통로를 설치하고, 상기 가스 통로에서 금속제의 중앙부로 반응 가스를 유도하여 중앙부에서 생성된 생성물을 상기 반응 생성물 통로로 유도하는 연료 전지용 세퍼레이터의 제조 방법으로서, 상기 금속제의 중앙부를 사출 성형용 금형의 캐비티 내에 배치하는 단계와, 상기 실리콘 고무가 반응 경화하지 않도록, 그리고 저점도를 유지하도록 이 캐비티의 내측을 저온으로 유지하는 단계와, 이 상태로 캐비티 내에 액상의 실리콘 고무를 주입하고 이 실리콘 고무를 상기 중앙부의 가장자리부로 유도하는 단계와, 상기 중앙부의 가장자리부로 유도된 실리콘 고무를 반응 경화시키도록 상기 중앙부를 가열하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지용 세퍼레이터의 제조 방법을 제공한다.
이 제조 방법의 경우에, 중앙부만을 급속 가열하여 액상 실리콘 고무를 경화시킴으로써, 사출 성형용 금형을 가열시키는 가열 기구를 필요로 하지 않을 수 있다. 또한, 사출 성형용 금형이 가열될 필요가 없기 때문에, 실리콘 고무의 가열에 필요한 전력을 억제할 수 있어, 고온으로 인해 사출 성형용 금형에 발생하는 왜곡을 완화할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 연료 전지용 세퍼레이터를 구비한 연료 전지의 분해 사시도이다.
도 2는 도 1의 2-2선에 따른 단면도이다.
도 3은 도 2의 3-3선에 따른 단면도이다.
도 4a 내지 도 4e는 본 발명에 따른 연료 전지용 세퍼레이터의 제조 방법을 나타낸 도면들로, 도 4a는 세퍼레이터의 중앙부의 가장자리부에 실시된 프라이머 처리를 보여주는 도면이며, 도 4b는 중앙부를 사출 성형용 금형의 고정형 다이에 셋트한 상태를 나타낸 도면이고, 도 4c는 가동형 다이를 하강시켜 금형을 폐쇄하고, 용융 실리콘을 캐비티 내에 주입하는 상태를 나타낸 도면이며, 도 4d는 도 4c의 4D 부분을 확대한 도면이며, 도 4e는 실리콘 고무가 반응 경화한 후, 가동형 다이를 상승시켜 세퍼레이터를 추출하는 상태를 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명에 따른 연료 전지용 세퍼레이터의 외주부를 성형하는 실리콘 고무의 특성을 나타내는 그래프이다.
도 6은 종래의 연료 전지를 나타내는 분해 사시도이다.
도 7은 종래의 연료 전지용 세퍼레이터의 제조를 보여주는 단면도이다.
도 1에 도시된 연료 전지(10)는 전해질막(11)의 상면(11a)측과 하면(11b)(도 2 참조)측에 각각 음극(15)과 양극(16)을 배치하고, 음극(15)에 상측의 세퍼레이터(20)(연료 전지용 세퍼레이터)를 중첩시키고, 양극(16)에 하측의 세퍼레이터(20)를 중첩시킨 구조를 하고 있다.
여기서, 일반적으로는 전해질막(11), 음극(15), 양극(16), 상하의 세퍼레이터(20, 20)를 중첩시킨 연료 전지(10)를 셀이라 칭하고, 복수 개의 셀을 스택형으로 정렬시킨 것을 연료 전지라고 칭하지만, 본 명세서에서는 이해를 쉽게 하기 위하여 셀을 연료 전지라 부르기로 한다.
전해질막(11)은 그 외주부에 수소 가스(반응 가스)를 유도하는 복수의 수소 가스 통로(가스 통로)(12)와, 산소 가스(반응 가스)를 유도하는 복수의 산소 가스 통로(가스 통로)(13)와, 생성수(반응 생성물)을 유도하는 복수의 생성수 통로(반응 생성물 통로)(14)를 갖는다.
음극(15) 및 양극(16)은 각각 전해질막(11)보다 약간 작게 형성되어 있다. 음극(15) 및 양극(16)의 외주는 상기 수소 가스 통로(12), 산소 가스 통로(13), 및 생성수 통로(14)의 내측에 위치된다.
상하의 세퍼레이터(20)는 각각 스테인레스강제(금속제)의 중앙부(22)와, 그 주위에 실리콘 고무제(고무제)의 외주부(30)를 갖는다. 중앙부(22)를 둘러싸는 돌출부(돌기형의 중앙 밀봉부)(41)가 외주부(30)와 일체로 형성되어 있다.
상기 외주부(30)는 수소 가스를 유도하는 복수의 수소 가스 통로(가스 통로)(31)와, 산소 가스를 유도하는 복수의 산소 가스 통로(가스 통로)(32)와, 생성수를 유도하는 복수의 생성수 통로(반응 생성물 통로)(33)를 갖는다.
각 세퍼레이터(20)의 외주부(30)를 실리콘 고무 부재로 하고, 이 실리콘 고무의 외주부(30)에 상기 수소 가스 통로(31), 산소 가스 통로(32) 및 생성수 통로(33)를 설치하는 것에 의해 가스나 생성수에 대한 수소 가스 통로(31), 산소 가스 통로(32) 및 생성수 통로(33)의 내식성을 확보한다.
각 세퍼레이터(20)의 외주부(30)에 형성된 수소 가스 통로(31) 및 산소 가스 통로(32)는, 연료 전지(10)를 조립할 때에, 전해질막(11)의 외주 부분에 형성된 각각의 수소 가스 통로(12) 및 산소 가스 통로(13)와 정렬되는 지점에 형성된다.
또한, 각 세퍼레이터(20)에 형성된 복수의 생성수 통로(33)는, 연료 전지(10)를 조립할 때에, 전해질막(11)에 형성된 복수의 생성수 통로(14)와 정렬되는 지점에 형성된다.
이 연료 전지(10)의 경우에, 화살표 A로 나타낸 바와 같이 상기 수소 가스 통로(31, 12)를 통과하도록 수소 가스가 해당 수소 가스 통로(31, 12)에 공급되고, 화살표 B로 나타낸 바와 같이 음극(15)과 상측의 세퍼레이터(20) 사이의 중앙부(22)를 향해서 유도된다. 화살표 C로 나타낸 바와 같이 상기 산소 가스 통로(32, 13)를 통과하도록 산소 가스가 해당 산소 가스 통로(32, 13)에 공급되고, 화살표 D로 나타낸 바와 같이 양극(16)과 하측의 세퍼레이터(20) 사이의 중앙부(22)를 향해서 유도된다.
수소 가스를 중앙부(22)로 유도함으로써 음극(15)에 포함되는 촉매에 수소 분자(H2)가 접촉하게 되고, 산소 가스를 중앙부(22)로 유도함으로써 양극(16)에 포함되는 촉매에 산소 분자(O2)가 접촉하게 되며, 전자 e-가 화살표로 나타낸 바와 같이 흘러 전류가 발생된다.
이 때, 수소 분자(H2)와 산소 분자(O2)로부터 생성물(H2O)이 생성된다. 이 생성수는, 중앙부(22)로부터 화살표 E로 나타낸 바와 같이, 생성수 통로(14, 33)로 유도되어, 화살표 F로 나타낸 바와 같이 흐른다.
도 2는 스테인레스강제의 중앙부(22) 및 실리콘 고무제의 외주부(30)로 각각 이루어진 연료 전지용 세퍼레이터(20)를 도시하고 있다.
중앙부(22)는 상면(22a) 및 하면(22b)에 형성되고 수소 가스를 유도하는 복수의 유로(23) 및 산소 가스를 유도하는 복수의 유로(24)와, 생성수를 유도하는 복수의 유로(도시하지 않음)를 구비하고, 상면(22a) 및 하면(22b)에 내식용의 도금 처리를 실시한 스테인레스강제의 플레이트이다.
이 중앙부(22)는, 그 가장자리부(22c)를 따른 상면 및 하면에, 프라이머 처리를 실시한 프라이머 처리부(25a, 25b)를 갖고, 이 프라이머 처리부(25a, 25b)에 소정 간격을 두고 복수의 개구부(26)가 마련되어 있다.
상기 복수의 개구부(26)의 형상은 둥근 구멍, 슬롯 또는 장방형일 수 있지만, 이것으로 한정되지 않는다. 프라이머 처리부(25a, 25b) 및 개구부(26)를 마련한 이유에 관해서는 후술한다.
외주부(30)는, 중앙부(22)의 프라이머 처리부(25a, 25b)를 실리콘 고무로 덮고, 상기 개구부(26)에 실리콘 고무를 충전하며, 수소 가스 통로(31), 산소 가스 통로(32) 및 생성수 통로(33)[통로(32, 33)는 도 1에 도시됨]가 형성되어 있는 실리콘 고무제의 프레임이다.
외주부(30)의 상면(30a)에는 상기 수소 가스 통로(31), 산소 가스 통로(32) 및 생성수 통로(33)의 각각의 가장자리부를 따라서 수소 가스 통로(31), 산소 가스 통로(32) 및 생성수 통로(33)를 개별적으로 둘러싸도록 돌기형의 통로용 밀봉부(34)가 형성되어 있다. 중앙부(22)를 둘러싸는 돌기형의 중앙 밀봉부(41)는 중앙부(22)의 가장자리부(22c)를 따라 형성되어 있다.
외주부의 하면(30b)에는 상기 수소 가스 통로(31), 산소 가스 통로(32) 및 생성수 통로(33)의 각각의 가장자리부를 따라서 수소 가스 통로(31), 산소 가스 통로(32) 및 생성수 통로(33)를 둘러싸도록 통로용 오목부(35)가 형성되어 있다.
돌기형의 상기 복수의 통로용 밀봉부(34)는 연료 전지(10)를 조립할 때, 전해질막(11)에 형성된 복수의 통로(12, 13, 14)[통로(13, 14)는 도 1 참조]의 타측에서 상측에 배치된 세퍼레이터(20)의 통로용 오목부(35)에 압박되도록 형성된다.
외주부(30)에는 각각의 수소 가스 통로(31), 각각의 산소 가스 통로(32) 및 각각의 생성수 통로(33)를 둘러싸도록 돌기형의 통로용 밀봉부(34)가 마련되고, 중앙부(22)를 둘러싸는 돌기형의 중앙 밀봉부(41)가 마련되기 때문에, 세퍼레이터(20)를 연료 전지(10)에 조립할 때, 종래와 같이 세퍼레이터의 중앙부를 둘러싸기 위한 가스켓이나, 수소 가스 통로, 산소 가스 통로 및 생성수 통로를 둘러싸기 위한 가스켓을 구비할 필요가 없다. 그 결과, 연료 전지(10)를 조립할 때에 가스켓을 통합하는 시간과 수고를 절약할 수 있다.
또한, 외주부(30)에 돌기형의 중앙 밀봉부(41)가 마련되기 때문에, 연료 전지(10)를 조립했을 때 돌기형의 중앙 밀봉부(41)가 전해질막(11)에 대해 압박되어 중앙부(22)를 확실하게 밀봉할 수 있다.
이에 따라, 중앙부(22)로 유도된 수소 가스와 산소 가스를 적당한 위치로 확실하게 유도하는 동시에, 중앙부(22)에서 생성된 생성수를 적당한 위치로 확실하게 유도할 수 있다.
또한, 상기 수소 가스 통로(31), 산소 가스 통로(32) 및 생성수 통로(33)를 개별로 둘러싸도록 돌기형의 통로용 밀봉부(34)가 마련되기 때문에, 연료 전지(10)의 조립시 돌기형의 통로용 밀봉부(34)가 통로용 오목부(35)에 대해 압박되어 수소 가스 통로(31), 산소 가스 통로(32) 및 생성수 통로(33)를 확실하게 밀봉할 수 있 다.
외주부(30)에 돌기형의 통로용 밀봉부(34)와 중앙 밀봉부(41)가 실리콘 고무로 일체로 형성되기 때문에, 외주부(30)를 성형할 때에 통로용 밀봉부(34)와 중앙 밀봉부(41)를 동시에 성형할 수 있다. 이 때문에, 외주부(30), 통로용 밀봉부(34) 및 중앙 밀봉부(41)를 단시간에 손쉽게 형성할 수 있다.
여기서, 중앙부(22)의 상하의 프라이머 처리부(25a, 25b)를 실리콘 고무로 덮을 때에 복수의 개구부(26)에 실리콘 고무를 충전함으로써, 외주부(30)에는 도 3에 나타낸 바와 같이 복수의 개구부(26)에 앵커(42)가 마련될 수 있다. 이에 따라, 외주부(30)가 중앙부(22)로부터 분리되는 것을 방지하여, 중앙부(22)에 외주부(30)를 견고하게 결합할 수 있다.
여기서, 외주부(30)의 실리콘 고무와 중앙부(22)의 스테인레스강의 열 팽창율은 서로 다르기 때문에, 중앙부(22)에 외주부(30)를 직접 결합하면, 외주부(30)와 중앙부(22) 간의 열팽창 차이로 인해 중앙부(22)가 변형하고 외주부(30)가 피로 파괴할 가능성이 있다.
그러나, 외주부(30)를 실리콘 고무재로 성형함으로써, 외주부(30)를 어느 정도 탄성 변형시킬 수 있으므로, 외주부(30)와 중앙부(22) 간의 열팽창 차이를 상기 탄성 변형에 의해 흡수할 수 있다. 그 결과, 외주부(30)와 중앙부(22) 간의 열팽창 차이로 중앙부(22)가 변형하고, 외주부(30)가 피로 파괴되는 것을 방지할 수 있다.
다음에, 연료 전지용 세퍼레이터(20)의 제조 방법에 관해서 도 4a 내지 도 4e를 기초로 하여 설명한다.
도 4a에 있어서, 금속제 중앙부(22)의 가장자리부(22c)를 따라서 상면과 하면(22a, 22b)에 프라이머 처리를 실시한다. 즉, 상면과 하면(22a, 22b)에 150℃의 온도로 실리콘 고무를 소성 처리하여 프라이머 처리부(25a, 25b)를 형성한다.
도 4b에 있어서, 프라이머 처리부(25a, 25b)를 갖는 중앙부(22)를 사출 성형용 금형(50)의 고정형 다이(51) 위에 위치시킨다. 다음에, 가동형 다이(52)를 화살표(1)로 나타낸 바와 같이 하강시킴으로써 사출 성형용 금형(50)을 폐쇄한다.
도 4c에 있어서, 사출 장치(55)의 플런저(56)를 조작함으로써, 용융 상태의 실리콘 고무(57)를 화살표(2)로 나타낸 바와 같이 캐비티(58) 내에 주입한다. 이 때, 캐비티(58)의 내측[즉, 사출 성형용 금형(50)]을 저온으로 유지하면서, 캐비티(58) 내에 액상의 실리콘 고무(57)를 주입하여, 주입된 실리콘 고무(57)가 반응 경화되지 않게 하여 저점도로 유지한다.
도 4d는 캐비티 내에 주입되는 용융 상태의 실리콘 고무(57)를 도시하고 있다. 캐비티(58) 내의 고정형 다이(51) 상에 형성된 복수의 돌기(51a)를 가동형 다이(52)까지 돌출시키고, 복수의 융기부(51b)를 캐비티(58) 내에 융기시킨 상태로, 캐비티(58) 내에 용융 상태의 실리콘 고무(57)를 충전한다.
캐비티(58) 내에 용융 상태의 실리콘 고무(57)를 주입함으로써, 실리콘 고무가 중앙부(22)의 가장자리부(22c)로 유도되어, 중앙부(22)의 상하의 프라이머 처리부(25a, 25b)가 용융 상태의 실리콘 고무(57)로 덮인다.
여기서, 금속제의 중앙부(22)는 금속 부재이지만, 중앙부(22)의 외주 둘레에 상하의 프라이머 처리부(25a, 25b)가 형성되어 있기 때문에, 외주부(30)는 중앙부(22)의 가장자리부(22c)에 양호하게 고정될 수 있다.
이 액상의 실리콘 고무(57)는 캐비티(58)의 내측[즉, 사출 성형용 금형(50)]을 급속 가열함으로써 중앙부(22)의 가장자리부에서 반응 경화된다.
이에 따라, 외주부(30)를 성형할 때, 복수의 수소 가스 통로(31), 복수의 산소 가스 통로(32) 및 복수의 생성수 통로(33)[통로(32, 33)는 도 1에 도시됨]를 형성하고, 이들 통로(31, 32, 33)의 가장자리부 둘레에 통로용 오목부(35)(도 2 참조)를 성형할 수 있다.
또한, 가동형 다이(52)의 성형면에 통로용 밀봉홈(52a) 및 중앙 밀봉홈(52b)을 마련함으로써, 외주부(30)를 성형할 때에 통로용 밀봉부(34) 및 중앙 밀봉부(41)가 동시에 성형될 수 있다.
더욱이, 외주부(30)를 성형할 때, 복수의 개구부(26)에 실리콘 고무(57)를 충전함으로써, 해당 개구부(26)에 앵커(42)가 동시에 마련될 수 있다.
이와 같이, 외주부(30)를 성형할 때에, 복수의 통로용 밀봉부(34), 중앙 밀봉부(41) 및 앵커(42)를 동시에 성형할 수 있기 때문에, 연료 전지용 세퍼레이터(20)를 비교적 쉽게 제조할 수 있다.
캐비티(58) 내에 주입된 실리콘 고무(57)가 반응 경화된 후, 가동형 다이(52)을 화살표(3)로 나타낸 바와 같이 상승시킴으로써, 사출 성형용 금형(50)이 개방된다.
도 4e에 있어서, 사출 성형용 금형(50)을 개방한 후, 고정형 다이(51)로부터 연료 전지용 세퍼레이터(20)를 화살표(4)로 나타낸 바와 같이 제거하여, 연료 전지 용 세퍼레이터(20)의 제조 공정을 완료한다.
도 4a 내지 도 4e를 참조하여 전술한 바와 같이, 세퍼레이터의 외주부를 고무 부재로 제조함으로써, 고무 부재를 비교적 쉽게 제조할 수 있다. 따라서, 세퍼레이터의 제조 수율을 높일 수 있기 때문에, 세퍼레이터의 생산성을 증대시킬 수 있다.
외주부(30)에 수소 가스 통로(31), 산소 가스 통로(32) 및 생성수 통로(33)를 개별로 둘러싸도록 돌기형의 통로용 밀봉부(34)를 일체로 형성하고, 외주부(30)에 중앙부(22)를 둘러싸는 돌기형의 중앙 밀봉부(41)를 일체로 형성함으로써, 연료 전지용의 세퍼레이터(20)를 단시간에 간단히 형성할 수 있어, 생산성을 더 더욱 증대시킬 수 있다.
다음에, 도 4a 내지 도 4e를 참조하여 설명한 연료 전지용 세퍼레이터의 제조 방법의 구체예에 관해서 도 5의 실리콘 고무의 특성을 나타내는 그래프를 기초로 하여 설명한다. 종축은 실리콘 고무의 경화 시간을 나타내고, 횡축은 실리콘 고무의 온도를 나타낸다.
이 그래프는 실리콘 고무의 대표적인 특성을 나타낸다. 그래프에 나타낸 바와 같이, 실리콘 고무의 경화 시간은 100 내지 120℃의 저온에서 50 내지 330초로 길게 될 수 있다.
그리고, 실리콘 고무의 경화 시간은 120 내지 200℃의 고온에서 50초 미만으로 짧게 될 수 있다.
따라서, 도 4c에 나타낸 바와 같이 캐비티(58)의 내측[즉, 사출 성형용 금형(50)]을 예컨대 100 내지 120℃의 저온 영역으로 유지함으로써, 실리콘 고무(57)는 반응 경화되지 않고, 또한 저점도로 유지되어, 캐비티(58)의 내측을 액상의 실리콘 고무(57)로 충전할 수 있다.
용융 상태의 실리콘 고무(57)를 중앙부(22)의 가장자리부(22c)로 유도한 후, 캐비티(58)의 내측을 예컨대 120 내지 200℃의 고온 영역으로 급속 가열함으로써, 도입된 액상의 실리콘 고무(57)가 중앙부(22)의 가장자리부(22c)에서 반응 경화될 수 있다.
이와 같이, 실리콘 고무(57)를 저점도 상태로 성형함으로써, 사출 압력을 저압으로 억제할 수 있다. 따라서, 금속제 중앙부(22) 상의 국부적인 응력 발생을 완화할 수 있어 중앙부(22)의 변형 및 버어의 발생을 방지할 수 있다.
따라서, 중앙부(22)를 성형한 후, 버어를 제거하는 공정을 필요로 하지 않을 수 있으며, 또한 중앙부(22)의 변형을 수정하는 공정을 필요로 하지 않을 수 있기 때문에, 세퍼레이터의 생산 공정을 간소화하여 생산성을 증대시킬 수 있다.
상기 실시예의 연료 전지용 세퍼레이터의 제조 방법에 있어서는, 사출 성형용 금형(50)을 급속 가열하여 액상 실리콘 고무(57)를 경화시키는 예에 관해서 설명했지만, 본 발명에 있어서는 사출 성형용 금형(50)을 가열하지 않고 중앙부(22)만을 급속 가열하여 액상 실리콘 고무(57)를 경화시키는 다른 실시예를 채용하는 것도 가능하다.
상기 실시예에서는 사출 성형용 금형(50)을 가열하는 가열 기구가 필요하지만, 다른 실시예에서는 사출 성형용 금형(50)을 가열할 필요가 없기 때문에, 사출 성형용 금형(50)을 가열하는 가열 장치를 필요로 하지 않을 수 있다. 따라서, 설비 비용을 억제할 수 있고, 또한 정상 상태 가열에 사용되는 전력을 없앨 수 있다.
또한, 사출 성형용 금형(50)을 가열할 필요가 없기 때문에, 고온에 의해 야기되는 사출 성형용 금형(50)의 왜곡 영향을 완화할 수 있다. 이와 같이, 고온에 의한 사출 성형용 금형(50)의 왜곡 영향을 완화함으로써, 사출 성형용 금형(50)의 유지 보수 간격을 길게 할 수 있어, 사출 성형용 금형(50)의 가동률을 높여 생산성을 증대시킬 수 있다.
전술한 실시예에서는 외주부(30), 복수의 통로용 밀봉부(34), 중앙 밀봉부(41)를 실리콘 고무로 일체로 성형하는 예에 관해서 설명했지만, 이것으로 제한되지 않고, 그 밖의 고무재나 수지재를 사용하는 것도 가능하다.
또한, 외주부(30), 복수의 통로용 밀봉부(34) 및 중앙 밀봉부(41)를 각각 개별로 형성하는 것도 가능하고, 더욱이 이들 부재(30, 34, 41)를 각각 다른 재질을 사용하여 형성하는 것도 가능하다.
또한, 전술한 실시예에서는 연료 전지용 세퍼레이터(20)의 중앙부(22)를 형성하는 금속 부재의 예로서 스테인레스강을 사용하였지만, 중앙부(22)를 형성하는 데 사용되는 금속 부재는 이것으로 한정되지 않는다.
상기 실시예에서는 세퍼레이터(20)의 외주부(30)에 가스 통로(31, 32) 및 생성수 통로(33)의 각각을 둘러싸는 돌기형의 통로용 밀봉부(34)를 설치한 예에 관해서 설명했지만, 통로용 밀봉부(34)는 설치되지 않더라도 좋다.
전술한 실시예에서는 반응 가스의 예로서 수소 가스 및 산소 가스를 사용고 반응 생성물의 예로서 생성수를 사용하였지만, 본 발명은 이것으로 제한되지 않고, 그 밖의 반응 가스 및 반응 생성물에도 적용될 수 있다.
전술한 바와 같이, 세퍼레이터의 외주부를 실리콘 고무 부재로 제조하고, 이 외주부에 가스 통로 및 생성수 통로를 형성함으로써, 가스 및 생성수에 대한 가스 통로 및 생성수 통로의 내식성이 확보되어, 본 발명은 연료 전지를 제조하는 데에 있어서 유용하다.

Claims (4)

  1. 외주부에 반응 가스를 유도하는 복수의 가스 통로 및 반응 생성물을 유도하는 복수의 반응 생성물 통로를 설치하고, 상기 가스 통로에서 중앙부로 반응 가스를 유도하여 중앙부에서 생성된 생성물을 상기 반응 생성물 통로로 유도하는 연료 전지용 세퍼레이터로서,
    상기 중앙부가 금속 부재로 이루어지고, 상기 외주부는 고무 부재로 이루어지며, 이 고무 부재로 이루어진 외주부에 상기 가스 통로 및 반응 생성물 통로가 형성되고, 상기 중앙부를 둘러싸는 돌출부가 상기 고무 부재와 일체로 형성된 것을 특징으로 하는 연료 전지용 세퍼레이터.
  2. 제1항에 있어서, 상기 고무 부재는 실리콘 고무로 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료 전지용 세퍼레이터.
  3. 실리콘 고무제의 외주부에 반응 가스를 유도하는 복수의 가스 통로와 반응 생성물을 유도하는 복수의 반응 생성물 통로를 설치하고, 상기 가스 통로에서 금속제의 중앙부로 반응 가스를 유도하여 중앙부에서 생성된 생성물을 상기 반응 생성물 통로로 유도하는 연료 전지용 세퍼레이터의 제조 방법으로서,
    상기 금속제의 중앙부를 사출 성형용 금형의 캐비티 내에 배치하는 단계와,
    상기 실리콘 고무가 반응 경화되지 않고 저점도로 유지되도록 상기 캐비티의 내측을 저온 영역으로 가열 및 유지하는 단계와,
    이 상태로 캐비티 내에 액상의 실리콘 고무를 주입하고 이 실리콘 고무를 상기 중앙부의 가장자리부로 유도하는 단계와,
    상기 캐비티의 내측을 고온 영역으로 재가열함으로써 상기 중앙부의 가장자리부로 유도된 실리콘 고무를 반응 경화시켜 상기 실리콘 고무제의 외주부를 형성하는 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지용 세퍼레이터의 제조 방법.
  4. 실리콘 고무제의 외주부에 반응 가스를 유도하는 복수의 가스 통로와 반응 생성물을 유도하는 복수의 반응 생성물 통로를 설치하고, 상기 가스 통로에서 금속제의 중앙부로 반응 가스를 유도하여 중앙부에서 생성된 생성물을 상기 반응 생성물 통로로 유도하는 연료 전지용 세퍼레이터의 제조 방법으로서,
    상기 금속제의 중앙부를 사출 성형용 금형의 캐비티 내에 배치하는 단계와,
    상기 실리콘 고무가 반응 경화되지 않고 저점도로 유지되도록 상기 캐비티의 내측을 저온 영역으로 가열 및 유지하는 단계와,
    이 상태로 캐비티 내에 액상의 실리콘 고무를 주입하고 이 실리콘 고무를 상기 중앙부의 가장자리부로 유도하는 단계와,
    상기 중앙부를 고온 영역으로 재가열함으로써 상기 중앙부의 가장자리부로 유도된 실리콘 고무를 반응 경화시켜 상기 실리콘 고무제의 외주부를 형성하는 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지용 세퍼레이터의 제조 방법.
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