KR101140032B1 - 연료전지용 시일 구조체 및 그 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 MEA를 구성하는 GDL의 둘레엣지부에 시일 립 라인을 구성하는 고무를 함침하는 구조의 시일 구조체에 관한 것으로서, GDL 둘레엣지부에 대한 고무 함침영역의 폭을 적절히 제어하며, 이로써 MEA 반응영역이 좁아져 발전용량이 저하되는 것을 억제하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 한 쌍의 세퍼레이터(5) 사이에 배치되는 MEA(2)와, MEA(2)의 외주측에 있어서 그 평면연장선상에 배치되는 고무시트(6)와, 고무시트(6)의 양면에 일체 성형되며 세퍼레이터(5)에 밀착접촉한 가스켓 형상의 립 라인(7)을 갖는다. MEA(2)의 둘레엣지부에는, 고무시트(6)를 구성하는 일부의 고무가 MEA(2)를 구성하는 GDL(4)에 함침됨으로써 고무시트(6)를 MEA(2)에 일체화하는 고무 함침부(8)가 형성되어 있다. 그리고, MEA(2)의 평면 내에서 고무 함침부(8)의 바로 내주측에는, 고무의 함침영역을 규정하기 위한 GDL 스로틀부(9)가 형성되어 있다.

Description

연료전지용 시일 구조체 및 그 제조방법{SEAL STRUCTURE FOR FUEL CELL AND METHOD FOR PRODUCING SAME}
본 발명은 연료전지 셀의 구성요소를 이루는 시일 구조체 및 그 제조방법에 관한 것이다.
연료전지 스택 내부 각 셀에서의 가스 또는 냉각유로용 시일 구조체로서는, 액상고무 등의 탄성체로 이루어진 가스켓을 세퍼레이터 위에 형성하는 구조가 가장 일반적이다(특허문헌 1, 2 참조).
한편, 한 쌍의 세퍼레이터 사이에 배치되는 MEA에 가스켓을 형성하는 구조로는,
(1) MEA의 외주부에 수지필름을 부착설치하고 상기 필름 위에 가스켓을 형성하는 구조(특허문헌 3 참조), 혹은
(2) MEA를 구성하는 GDL의 양면에 액상고무의 사출성형에 의해 가스켓을 성형하고, 일부 액상고무를 다공성(porous) 구조의 GDL에 함침시키는 구조(특허문헌 4, 5 참조)가 검토되고 있다.
이러한 종래기술은 모두 그 소기의 목적인 시일기능을 충분히 발휘할 수 있지만, 전자의 (1)에는 수지필름이 필요하기 때문에 부품수 및 제조공정수가 늘어난 다는 문제가 있고, 후자의 (2)에는 스택조립시의 가스켓 압축하중이 GDL에도 직접 작용하기 때문에 GDL에 과도한 부담이 가해진다는 문제가 있다.
상기 문제를 해소하려면, GDL, 즉, MEA의 평면 위가 아닌, MEA의 외주(外周)측으로서 MEA의 평면연장선상에 액상고무의 사출성형에 의해 고무시트를 성형하고, 이때 일부 액상고무를 GDL의 둘레엣지부에 함침(含浸)시킴으로써 고무시트를 MEA에 일체화시키는 동시에, 고무시트의 양면에 가스켓 형상의 립 라인(lip line)을 일체 성형하는 구조로 하는 것이 바람직하며, 이와 같이 MEA와 고무시트 및 립 라인을 가로로 나란한 형상으로 구조화하면, 수지필름을 생략할 수 있으며 또한 가스켓 압축하중이 GDL에 직접 작용하는 것을 방지할 수가 있다.
그러나, 상기 가로로 나란한 형상의 구조에 따르면, 그 제조시에 일부 액상고무를 GDL의 둘레엣지부에 함침시킬 때, 함침영역의 폭(안쪽까지의 길이)을 적절히 제어하기가 어렵기 때문에, 액상고무가 GDL의 평면방향으로 안쪽 깊숙이 함침되며, 그 결과, GDL의 평면 중앙에 넓게 설정되어야 할 MEA 반응영역이 좁아져 발전(發電)용량이 저하될 우려가 있다.
[특허문헌 1] 일본 특허공개공보 제2001-332275호
[특허문헌 2] 일본 특허공개공보 제2004-63295호
[특허문헌 3] 일본 특허공개공보 제2003-7328호
[특허문헌 4] 일본 특허공개공보 제2003-68332호
[특허문헌 5] PCT공보 WO2002/043172호
본 발명은 이상의 사항을 감안하여, MEA(membrane electrode assembly)를 구성하는 GDL(gas diffusion layer)의 둘레엣지부에 시일 립 라인을 구성하는 고무를 함침하는 구조의 시일 구조체에 있어서, GDL의 둘레엣지부에 대한 고무의 함침영역의 폭을 적절히 제어할 수 있으며, 이에 따라 MEA 반응영역이 좁아져 발전용량이 저하되는 것을 억제할 수 있는 연료전지용 시일 구조체와 그 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 여기에 추가하여, 시일 구조체가 스스로 립 라인의 압축율을 제어하는 기능을 가지며, 이에 따라 립 라인을 세퍼레이터에 대해 적절한 자세로 밀착접촉시킬 수 있는 연료전지용 시일 구조체와 그 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 청구항 1에 따른 시일 구조체는, 한 쌍의 세퍼레이터 사이에 배치되는 MEA와, 상기 MEA의 외주측에 있어서 상기 MEA의 평면연장선상에 배치되는 고무시트와, 상기 고무시트의 양면에 일체 성형되며 상기 세퍼레이터에 밀착접촉한 가스켓 형상의 립 라인을 가지며, 상기 MEA의 둘레엣지부에는, 상기 고무시트를 구성하는 일부의 고무가 상기 MEA를 구성하는 GDL에 함침됨에 따라 상기 고무시트를 상기 MEA에 일체화하는 고무 함침부를 가지고, 상기 MEA의 평면 내에서 상기 고무 함침부의 바로 내주(內周)측에는, 상기 고무의 함침영역을 규정하는 GDL 스로틀부(narrowed portions)가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 것이다.
또한, 본 발명의 청구항 2에 따른 시일 구조체는, 상기 청구항 1의 연료전지용 시일 구조체에 있어서, 고무시트에서의 립 라인의 내주측 및 외주측 중 적어도 한쪽 또는 양쪽에는, 스택 조립시에 한 쌍의 세퍼레이터 사이에 끼워져 상기 세퍼레이터간의 간격을 규정하는 치수 한정부(distance-restricting portions)가 일체 성형되어 있는 것을 특징으로 하는 것이다.
또한, 청구항 3에 따른 시일 구조체의 제조방법은, 상기 청구항 1 또는 2의 연료전지용 시일 구조체를 제조하는 방법으로서, MEA를 삽입한 상태에서 고무시트를 사출성형하는 금형(金型)은, 몰드클램핑할 때 일부 GDL의 두께를 압축하여 GDL 스로틀부를 형성하기 위한 단차형상의 가압부를 분할몰드의 대향부에 가지며, 상기 금형에 형성된 가압부에 의해 일부 GDL의 두께를 압축한 상태에서 상기 사출성형을 실시하는 것을 특징으로 하는 것이다.
더욱이, 본 발명의 청구항 4에 따른 시일 구조체의 제조방법은, 상기 청구항 3의 연료전지용 시일 구조체의 제조방법에 있어서, 금형에 형성된 가압부 이외에 의한 GDL 압축량이 0 내지 20%, 가압부에 의한 GDL 압축량이 30 내지 50%가 되도록 하는 것을 특징으로 하는 것이다.
상기 구성을 구비한 본 발명의 청구항 1에 따른 시일 구조체에서는, MEA의 평면 내에 있어서 고무 함침부의 바로 내주측에, 고무의 함침영역을 규정하는 GDL 스로틀부가 형성되기 때문에, 상기 GDL 스로틀부에 의해 고무의 함침이 저지된다. 청구항 3의 제조방법에 기재된 바와 같이, 상기 GDL 스로틀부는, 사출성형용 금형의 분할몰드 대향부에 미리 형성된 단차형상의 가압부가 클램핑시에 일부 GDL의 두께를 압축함으로써 형성되며, 이에 따라 상기 부위에서 GDL 다공성 구조의 공동(空洞)의 용적이 감소하여 함침저항이 커지며, 이로써 고무가 다공성 내부를 통과하기가 어려워진다. 청구항 4에 기재된 바와 같이, 금형에 형성된 가압부 이외에 의한 GDL 압축량이 0 내지 20%인데 대하여, 가압부에 의한 GDL 압축량은 30 내지 50%로 비교적 크게 설정되며, 따라서 그만큼 고무는 다공성 내부를 통과하기가 어려워진다. 30%미만이면 충분한 스로틀효과를 발휘할 수 없고, 반대로 50%를 상회하면 GDL에 과도한 부담이 가해질 우려가 있다.
또, 본 발명의 시일 구조체에서는, 고무시트의 양면에 일체 성형된 립 라인이 한 쌍의 세퍼레이터 사이에 끼워져 세퍼레이터에 밀착접촉함에 따라 시일기능이 발휘되는데, 상기 립 라인만으로는 지나치게 유연하여 스택조립(assembling of a stack)시 한 쌍의 세퍼레이터에 의한 고무압축하중을 적절히 수용할 수가 없으며, 그 결과, 고무압축량이 과대해져 립 라인이 과도하게 망가질 우려가 있다. 이에, 본 발명의 청구항 2에 따른 시일 구조체에서는, 고무시트에서의 립 라인의 내주측 및 외주측 중 적어도 한쪽 또는 양쪽에, 스택조립시 한 쌍의 세퍼레이터 사이에 끼워져 세퍼레이터 간의 간격을 규정하는 치수 한정부를 일체 성형하여, 상기 치수 한정부에 의해 고무 압축량을 적절히 제어하도록 하였다.
본 발명은 이하의 효과를 거둔다.
즉, 상기 구성을 구비한 본 발명의 청구항 1, 3 또는 4에 따른 시일 구조체 또는 그 제조방법에서는, GDL에 형성되는 스로틀부에 의해 고무의 함침이 저지되므로, GDL에 대한 고무의 함침영역의 폭을 적절히 제어할 수 있게 되어 있다. 따라서, 본 발명의 소기의 목적대로 MEA의 반응영역이 좁아져 발전용량이 저하되는 것을 미연에 방지할 수가 있다.
또한, 여기에 추가하여, 본 발명의 청구항 2 또는 3에 따른 시일 구조체 또는 그 제조방법에서는, 립 라인에 나란히 형성되는 치수 한정부에 의해 스택조립시의 한 쌍의 세퍼레이터간 간격이 규정되기 때문에, 한 쌍의 세퍼레이터에 의한 고무 압축량을 적절히 제어할 수 있도록 되어 있다. 따라서 본 발명의 소기의 목적대로, 립 라인을 세퍼레이터에 대해 적절히 밀착접촉하게 할 수 있어 안정적인 시일성능을 발휘시킬 수가 있다.
도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 관한 연료전지용 시일 구조체의 평면도이다.
도 2는 상기 시일 구조체의 주요부에 대한 확대 단면도로서, 도 1의 A-A선 확대 단면도이다.
도 3은 상기 시일 구조체의 제조방법을 나타내는 주요부 단면도(몰드클램핑 이전)이다.
도 4는 상기 시일 구조체의 제조방법을 나타내는 주요부 단면도(몰드클램핑 이후)이다.
도 5는 본 발명의 제 2 실시예에 관한 연료전지용 시일 구조체의 주요부 단면도이다.
도 6은 상기 시일 구조체의 조립상태를 나타내는 주요부 단면도이다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
1 : 시일 구조체 2 : MEA
3 : 전해질 막 4 : GDL
5 : 세퍼레이터 6 : 고무시트
7 : 립 라인 8 : 고무 함침부
9 : GDL 스로틀부 10 : MEA 반응영역
11,12 : 치수 한정부 13,14 : 홈형상 공간부
21 : 사출성형용 금형 22 : 상부 몰드(분할몰드)
23 : 하부 몰드(분할몰드) 24 : 캐비티 공간
25 : 가압부 26 : 주입 게이트
27 : 성형공간
또한, 본 발명에는 이하의 실시형태가 포함된다.
(a) 액상고무의 사출성형에 의해 MEA 외주부 전체 둘레에 셀 조립시 세퍼레이터간 극간보다 얇은 고무시트를 MEA 단부에 함침시켜 접착함으로써 형성하고, 고무시트 양면에 가스켓 형상의 립 라인을 형성함으로써 시일기능을 부여하는 MEA 일체 가스켓 구조에서는, 고무시트와 GDL 단부의 함침접착부로서, 셀 조립시에 고무시트와 GDL의 박리를 방지하기 위하여 GDL쪽 함침영역을 충분히 확보할 필요가 있지만, 한편 함침영역이 MEA 반응영역에까지 도달함에 따라 반응면적이 감소하여 발전용량이 저하될 우려가 있다. 이에, 상기와 같은 우려에 대한 대책으로서, 몰드구조에 따라 성형시의 GDL 압축량을 함침부 영역에 대해서는 0 내지 20% 정도로 하여, 고무함침저항을 작게 함으로써 충분히 함침이 이루어지는 구조로 하는 동시에, 함침영역으로부터 반응영역의 사이에 GDL 압축량이 30 내지 50% 정도가 되는 영역 을 마련함으로써 고무함침저항을 크게 하여, 반응영역에까지 고무가 함침되는 것을 막는 구조로 한다.
(b) MEA 외주부에 고무시트를 형성하고, 시트 위에 가스켓 형상의 립 라인을 형성하는 MEA 일체 가스켓 구조에 있어서, 고무시트와 GDL의 함침접착부의 몰드구성을 함침영역에 대해서는 GDL 압축량을 0 내지 20% 정도로 함으로써 함침이 용이한 구조로 하고, 함침부로부터 반대면 외측에 대해서는 GDL 압축량이 30 내지 50%가 되는 영역을 마련함으로써 반응영역에까지 함침이 도달하지 않는 구조로 한다.
(c) GDL 단부로부터 3mm 정도까지를 함침영역으로 하고, 이 부분의 GDL 압축량을 0 내지 20% 정도로 한다. 함침영역으로부터 반응면의 사이에 2 내지 5mm 정도의 GDL 압축량이 30 내지 50% 정도인 영역을 마련하여, 함침이 반응면에 도달하지 않는 구조로 한다.
(d) 상기 (a), (b) 또는 (c)의 구성에 따르면, MEA 일체 가스켓 구조에 있어서, MEA 외주부 고무시트와 GDL의 함침접착강도를 충분히 확보하는 동시에, 반응영역에까지 고무가 함침하는 것을 방지함으로써 발전용량의 저하를 저지할 수가 있다.
다음으로, 본 발명의 실시예를 도면에 따라 설명하도록 한다.
(제 1 실시예)
도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 관한 연료전지용 시일 구조체(1)의 평면도를 나타내며, 그 A-A선 확대단면도가 도 2에 도시되어 있다. 본 실시예에 관한 시일 구조체(1)는 이하와 같이 구성되어 있다.
즉, 먼저 도 2에 도시된 바와 같이, 전해질 막(3)의 양측(양면측, 도 2의 상측 및 하측)에 GDL(가스 확산층 ; 4)이 겹쳐져 이들의 적층구조에 의해 이루어지는 MEA(막 전극 복합체 ; 2)가 형성되어 있으며, 상기 MEA(2)는 한 쌍의 세퍼레이터(5) 사이에 끼워지게 된다.
본 실시예에 관한 시일 구조체(1)는, 상기 한 쌍의 세퍼레이터(5) 사이에 끼워지는 MEA(2)와, MEA(2)의 외주측(도 2의 우측)에 있어서 MEA(2)의 평면연장선상(연장평면상)에 배치되는 고무시트(6)와, 고무시트(6)의 양면에 일체 성형되는 동시에 세퍼레이터(5)에 밀착접촉한 가스켓 형상의 립 라인(시일 립 라인 또는 가스켓이라고도 부름 ; 7)을 일체로 가지며, MEA(2)의 둘레엣지부에, 고무시트(6)를 구성하는 일부 액상고무가 그 성형시에 MEA(2)를 구성하는 다공성 구조의 GDL(4)에 함침됨에 따라, 고무시트(6)를 MEA(2)에 일체화하는 고무 함침부(함침영역이라고도 부름 ; 8)가 소정의 폭영역(a, 가령 a=3mm)에 걸쳐 전체 둘레에 형성되어 있다.
또한, MEA(2)의 평면 내에 있어서 고무 함침부(8)의 바로 내주측(도 2의 좌측)에는, 액상고무의 함침영역을 규정하기 위한 GDL 스로틀부(함침규제영역이라고도 부름 ; 9)가 소정의 폭영역(b, 가령 b=2 내지 5mm)에 걸쳐 전체 둘레에 형성되어 있다. 상기 스로틀부(9)는 상기 GDL(4) 일부를 강하게 압축함으로써 GDL(4)의 두께, 나아가 MEA(2)의 두께를 크게 축소시킨 것으로서, 두께의 축소에 대응하여 GDL(4)에서 다공성 구조의 공동(空洞)의 용적이 축소되기 때문에, 성형시에 액상고무가 통과하기 어려운 구조로 되어 있다.
또, MEA(2)의 평면 내에서 GDL 스로틀부(9)의 내주측은 MEA 반응영역(10)으 로 되어 있다.
상기한 구성의 시일 구조체(1)는 이하와 같이 제조된다.
즉, 먼저 그 제조시에는, 도 3에 나타낸 것과 같은 사출성형용 금형(21)을 사용한다. 상기 금형(21)은 도 3 내지 도 4에 나타낸 바와 같이, 그 내부에 MEA(2)를 삽입하는 동시에 액상고무를 성형재료로 하여 고무시트(6)를 사출성형하는 것으로서, 서로 조합되는 상부 몰드(22) 및 하부 몰드(23)를 가지며, 그 대향부에 캐비티 공간(24)이 형성되어 있다.
또, 상기 캐비티 공간(24)의 정해진 위치에 삽입되는 MEA(2)에서의 상기 스로틀부(9)에 대응되는 위치에는, MEA(2)에 스로틀부(9)를 형성하도록 단차형상의 가압부(25)가 형성되어 있다. 상기 가압부(25)는 서로 대향되는 상하 한 쌍의 돌기의 조합으로 이루어지며, 몰드클램핑시에 상기 가압부(25)에 끼워지는 GDL(4)을 강하게 압축함으로써 GDL(4)의 두께, 나아가 MEA(2)의 두께를 크게 축소시키고, 이로써 MEA(2)에 얇은 두께의 스로틀부(9)를 형성한다. 상기 가압부(25)에 의한 GDL 압축량(압축률)은 30 내지 50% 정도로 설정되며, 이는 가압부(25) 이외의 부위에 의한 GDL 압축량(압축률)이 0 내지 20% 정도인 것에 비해 비교적 크게 설정되어 있다.
또, 캐비티 공간(24)의 정해진 위치에 삽입되는 MEA(2)에서 고무 함침부(8)에 대응되는 위치에는, 캐비티 공간(24)에 액상고무를 주입하도록 주입 게이트(26)가 상부 몰드(22)에 형성되어 있다.
상기한 구성의 금형(21)에 MEA(2)를 삽입하여 몰드클램핑하면, 도 4에 나타 낸 바와 같이 가압부(25)에 의해 MEA(2)에 스로틀부(9)가 형성된다. 이어서 게이트(26)를 통해 액상고무를 주입하면, 고무 함침부(8)에 대응되는 부위에서의 GDL 압축량이 상기와 같이 작게 설정되어 있기 때문에, 액상고무는 GDL(4)에 대하여 원활하게 함침되어 고무 함침부(8)를 형성하고, 더욱이 그 외주측의 고무시트(6) 및 립 라인(7)을 성형하기 위한 성형공간(27)에 원활히 충전된다.
이에 대하여, 고무 함침부(8)의 내주측에 위치하는 스로틀부(9)에서의 GDL 압축량은 상기와 같이 크게 설정되어 있기 때문에, 상기 스로틀부(9)에 대하여 액상고무는 거의 함침되는 일이 없다. 따라서, 액상고무의 함침영역의 폭을 거의 예정치(본 실시예에서는 상기한 바와 같이 폭(a)=3mm)대로 설정할 수 있으며, 따라서 고무함침영역이 내주측으로 확대되는 것을 방지할 수가 있다.
또, 성형완료 후, 스로틀부(9)는 상기와 같이 다공성 구조의 공동(空洞)의 용적이 축소되어 있어 내부구조가 치밀하고 단단한 부위가 된다.
(제 2 실시예)
도 5는 본 발명의 제 2 실시예에 관한 연료전지용 시일 구조체(1)의 주요부 단면도로서, 본 실시예에 관한 시일 구조체(1)는 이하와 같이 구성되어 있다.
즉, 먼저 전해질 막(3)의 양측에 GDL(4)이 겹쳐져 이러한 적층구조에 의해 이루어지는 MEA(2)가 형성되어 있으며, 상기 MEA(2)는 한 쌍의 세퍼레이터(5) 사이에 끼워진다.
본 실시예에 관한 시일 구조체(1)는 상기 한 쌍의 세퍼레이터(5) 사이에 끼워지는 MEA(2)와, MEA(2)의 외주측에 있어서 MEA(2)의 평면연장선상에 배치되는 고무시트(6)와, 고무시트(6)의 양면에 일체 성형되는 동시에 세퍼레이터(5)에 밀착접촉한 가스켓 형상의 립 라인(7)을 일체로 가지며, MEA(2)의 둘레엣지부에, 고무시트(6)를 구성하는 일부 액상고무가 그 성형시에 MEA(2)를 구성하는 다공성 구조의 GDL(4)에 함침됨에 따라, 고무시트(6)를 MEA(2)에 일체화하는 고무 함침부(8)가 소정의 폭영역(a, 가령 a=3mm)에 걸쳐 전체 둘레에 형성되어 있다.
또, MEA(2)의 평면 내에 있어서 고무 함침부(8)의 바로 내주측(도 5의 좌측)에는 액상고무의 함침영역을 규정하기 위한 GDL 스로틀부(9)가 소정의 폭영역(b, 가령 b=2 내지 5mm)에 걸쳐 전체 둘레에 형성되어 있다. 상기 스로틀부(9)는 상기 GDL(4)을 강하게 압축함으로써 GDL(4)의 두께, 나아가 MEA(2)의 두께를 크게 축소시킨 것으로서, 두께의 축소에 대응하여 GDL(4)에서 다공성 구조의 공동의 용적이 축소되기 때문에, 성형시에 액상고무가 통과하기 어려운 구조로 되어 있다.
또, MEA(2)의 평면 내에서 GDL 스로틀부(9)의 내주측은 MEA 반응영역(10)으로 되어 있다.
더욱이, 고무시트(6)의 양면에서의 립 라인(7)의 내주측 및 외주측에는 각각 스택조립시에 한 쌍의 세퍼레이터(5) 사이에 끼워져 세퍼레이터(5) 사이의 간격을 규정하기 위한 치수 한정부(서브 립 또는 고무 스페이서 또는 하중 수용부라고도 부름 ; 11, 12)가 일체 성형되어 있다.
상기 립 라인(7)은 그 요구되는 시일기능에 대해 장기간에 걸친 내구성이 요구되기 때문에, 압축시에 높은 면압(面壓)을 발현하는 형상으로 되어 있으며, 구체적으로는 단면이 산형상 내지 삼각형상으로 형성되어 끝이 예리한 선단부를 가지 고, 그 높이 치수(h1)는 치수 한정부(11,12)의 높이 치수(h2)보다 높게 설정되어 있다(h1>h2).
한편, 치수 한정부(11,12)는 각각 립 라인(7)이 원하는 압축률이 되도록, 즉, 립 라인(7)이 압축하중에 대해 원하는 높이 치수가 되도록 제어할 것이 요구되며, 이를 위해 압축하중에 대해 거의 혹은 전혀 변형을 일으키지 않는 형상으로 되고, 구체적으로는 단면이 사다리꼴 내지는 사각형상으로 형성되어 평탄한 선단부를 가지며, 또 그 양면에 이르는 높이 치수(h2)가 립 라인(7)의 높이 치수(h1)보다 낮게 설정되어 있다(h2<h1). 또한, 양 치수 한정부(11,12)는 서로 동일한 높이 치수(h2)로 설정되어 있으며, 평탄한 선단부는 동일평면상에 배치되어 있다.
상기 액상고무의 경화물로 이루어진 고무 탄성체의 경도는 40 내지 50도 정도로 유연하게 설정되어 있으며, 립 라인(7)의 압축율은 30 내지 50% 정도로 설정되어 있다. 따라서, 립 라인(7)의 내주측 및 외주측으로서 치수 한정부(11,12)와의 사이에는 각각, 립 라인(7)의 압축변형을 허용하도록 고무 탄성체의 틈새 부분(clearance grooves)으로서의 홈형상 공간부(13,14)가 설정되어 있는데, 상기 홈형상 공간부(13,14)의 용적은 가급적 작은 것이 바람직하며, 치수 한정부(11,12)가 지지체로서 기능함으로써 립 붕괴를 억제하는 구조로 되어 있다. 립 라인(7)의 선단부와 각 치수 한정부(11,12)와의 거리(d)는 실제 치수로 2 내지 5mm 정도가 기준이 된다.
도 5는 연료전지 스택을 조립하기 이전의 초기상태를 나타내며, 이 초기상태에서 스택을 조립하여 시일 구조체(1)에 두께방향의 압축하중이 가해지면, 도 6에 나타낸 바와 같이 립 라인(7)이 한 쌍의 세퍼레이터(5) 사이에 끼워져 압축변형되며, 그 반력(反力)에 의해 세퍼레이터(5)의 내면에 밀착접촉하게 된다. 계속해서 압축하중이 가해져 세퍼레이터(5)가 치수 한정부(11,12)에 접촉하면, 상기 치수 한정부(11,12)는 압축하중에 대해 변형하지 않는 형상이기 때문에, 세퍼레이터(5)간의 간격(c)이 규정되며, 그 결과, 립 라인(7)의 압축율이 시일기능을 발현하기에 충분한 정도로 제어된다. 이때 치수 한정부(11,12)는 간격(c)을 좁히는 방향으로 변위하는 한 쌍의 세퍼레이터(5) 사이에 끼워져 변위를 정지시키는 스페이서로서 기능한다. 따라서, 시일 구조체(1)는 치수 한정부(11,12)를 가짐으로써 스스로 립 라인(7)의 압축율을 제어할 수 있게 되어 있으며, 이에 따라 이하의 효과를 발휘할 수 있도록 되어 있다.
(1) 즉, 먼저 종래기술에서 보이는 바와 같이 세퍼레이터(5)의 단면형상을 복잡하게 하여 립 라인(7)의 압축율을 제어하는 것이 아니기 때문에, 세퍼레이터(5)의 단면형상을 단순하게 하여 그 두께의 슬림화(薄肉化)를 실현할 수 있다. 도 5에 도시한 바와 같이, 세퍼레이터(5)의 내면은 홈형상 유로(流路, 5a)의 형성부위 이외에는 완전히 평탄해도 된다.
(2) 또한, 한 쌍의 세퍼레이터(5) 사이에 전용 스페이서를 위치시킴으로써 세퍼레이터(5)간의 간격을 규제하는 것이 아니기 때문에, 상기 스페이서에 따른 부품수 및 조립공정수의 증대를 막을 수 있다.
아울러, 상기한 구성의 시일 구조체(1)는 이하의 효과를 발휘한다.
(3) 립 라인(7)의 바로 옆에 치수 한정부(11,12)가 형성되어 있기 때문에, 치수 한정부(11,12)가 지지체(supports)로서 기능하여 립 붕괴의 발생을 억제할 수가 있다.
(4) 치수 한정부(11,12)가 고무시트(6)에 일체 성형되며 고무 탄성체에 의해 성형되어 있기 때문에, 치수 한정부(11,12)가 경질수지 등의 단단한 재료에 의해 성형되는 경우에 비해, 치수 한정시의 응력의 상승정도를 완화시킬 수가 있다. 따라서, 그 완충효과에 따른 부품파손 방지효과를 기대할 수가 있다.
(5) 또한, 스택으로서 조립 후의 고무 탄성에 의한 방진(防振)효과를 기대할 수도 있다. 방진효과는 연료전지가 차량탑재용 등 가혹한 조건 하에서 사용될 때 매우 중요한 요소가 된다.
또, 상기 제 2 실시예에 관한 시일 구조체(1)는 상기 본 발명의 목적을 실현할 수 있는 범주에서 그 구성을 다양하게 변경할 수 있으며, 예컨대 이하와 같은 것이어도 무방하다.
(A) 상기 제 2 실시예에서는 립 라인(7)의 내주측 및 외주측의 양측에 각각 치수 한정부(11,12)를 형성하는 구성으로 하였으나, 내주측 또는 외주측의 어느 한쪽에만 치수 한정부(11,12)를 형성하도록 구성하여도 된다.
(B) 상기 제 2 실시예에서는, 치수 한정부(11,12)를 전체 둘레에 걸쳐 설치하도록 구성하였으나, 둘레상 분할배치(둘레 상에서 간격을 벌려 복수 배치)하는 구성이어도 된다.
(C) 상기 제 2 실시예에서는, MEA(2)의 두께에 대하여 고무시트(6)의 두께를 동일하게 설정하고, 상기 고무시트(6)의 두께를 늘리도록 하여 그 표리 양면에 립 라인(7) 및 치수 한정부(11,12)를 일체 성형하는 구성으로 하였으나, MEA(2)의 두께에 대해 치수 한정부(11,12)의 두께를 동일한 사이즈로 설정하고, 립 라인(7)의 두께를 이보다 크게 설정하여, 립 라인(7) 및 치수 한정부(11,12) 사이에 홈형상의 공간부(13,14)를 형성하도록 구성하여도 된다.
또, 상기 제 2 실시예에 관한 시일 구조체(1)의 제조방법은, 그 사용하는 금형(21)이 치수 한정부(11,12)를 성형하기 위한 성형공간을 갖는 것 이외에는 제 1 실시예와 동일하다. 따라서, 중복을 피하기 위해 상세한 설명을 생략한다.
본 발명에 의하면, MEA를 구성하는 GDL의 둘레엣지부에 시일 립 라인을 구성하는 고무를 함침하는 구조의 시일 구조체에 있어서, GDL의 둘레엣지부에 대한 고무의 함침영역의 폭을 적절히 제어할 수 있으며, 이에 따라 MEA 반응영역이 좁아져 발전용량이 저하되는 것을 억제할 수 있는 연료전지용 시일 구조체와 그 제조방법을 제공할 수 있다.
또한, 시일 구조체가 스스로 립 라인의 압축율을 제어하는 기능을 가지며, 이에 따라 립 라인을 세퍼레이터에 대해 적절한 자세로 밀착접촉시킬 수 있는 연료전지용 시일 구조체와 그 제조방법을 제공할 수 있다.

Claims (4)

  1. 한 쌍의 세퍼레이터(5) 사이에 배치되는 MEA(2; membrane electrode assembly)와, 상기 MEA(2)의 외주측에 있어서 상기 MEA(2)의 평면연장선상에 배치되는 고무시트(6)와, 상기 고무시트(6)의 양면에 일체 성형되며 상기 세퍼레이터(5)에 밀착접촉한 가스켓 형상의 립 라인(7)을 가지며,
    상기 MEA(2)의 둘레엣지부에는, 상기 고무시트(6)를 구성하는 일부의 고무가 상기 MEA(2)를 구성하는 GDL(4; gas diffusion layer)에 함침(含浸)됨으로써 상기 고무시트(6)를 상기 MEA(2)에 일체화하는 고무 함침부(8)를 가지고,
    상기 MEA(2)의 평면 내에서 상기 고무 함침부(8)의 바로 내주(內周)측에는, 상기 고무의 함침영역을 규정하는 GDL 스로틀부(9; narrowed portion)가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 연료전지용 시일 구조체.
  2. 제 1항에 있어서,
    고무시트(6)에서의 립 라인(7)의 내주측 및 외주(外周)측 중 적어도 한쪽 또는 양쪽에는, 스택 조립시에 한 쌍의 세퍼레이터(5) 사이에 끼워져 상기 세퍼레이터(5)간의 간격(c)을 규정하는 치수 한정부(11,12; distance-restricting portions)가 일체 성형되어 있는 것을 특징으로 하는 연료전지용 시일 구조체.
  3. 제 1항 또는 제 2항에 기재된 연료전지용 시일 구조체를 제조하는 방법으로 서,
    MEA(2)를 삽입한 상태에서 고무시트(6)를 사출성형하는 금형(21)은, 몰드클램핑할 때 일부의 GDL(4)의 두께를 압축하여 GDL 스로틀부(9)를 형성하기 위한 단차형상의 가압부(25)를 분할몰드(22,23)의 대향부에 가지며,
    상기 금형(21)에 형성된 가압부(25)에 의해 일부의 GDL(4)의 두께를 압축한 상태에서 상기 사출성형을 실시하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 시일 구조체의 제조방법.
  4. 제 3항에 있어서,
    금형(21)에 형성된 가압부(25) 이외에 의한 GDL 압축량은 0 내지 20%, 가압부(25)에 의한 GDL 압축량은 30 내지 50%로 하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 시일 구조체의 제조방법.
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