KR101173058B1

KR101173058B1 - 가스켓을 갖는 연료전지용 분리판 및 이의 제조 방법

Info

Publication number: KR101173058B1
Application number: KR1020100094053A
Authority: KR
Inventors: 김세훈; 진상문; 허성일; 백석민; 양유창
Original assignee: 기아자동차주식회사; 현대자동차주식회사
Priority date: 2010-09-29
Filing date: 2010-09-29
Publication date: 2012-08-13
Also published as: KR20120032628A; CN102437346A; US8921008B2; US20120077110A1

Abstract

본 발명은 가스켓을 갖는 연료전지용 분리판 및 이의 제조 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 분리판의 부식 방지 및 내식성 향상을 도모할 수 있는 가스켓을 갖는 연료전지용 분리판 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.
즉, 본 발명은 분리판의 전체 또는 원하는 부위의 표면에 걸쳐 수지계 접착제를 스크린 방식으로 도포한 후, 가스켓을 분리판에 일체로 사출하는 공정을 진행하여, 사출 공정후에도 분리판의 에지 부분이 외부로 노출되지 않고 수지계 접착제로 도포된 상태가 되도록 함으로서, 분리판의 부식 방지 및 내식성 향상을 도모할 수 있고, 사출 공정중 버어 발생을 방지할 수 있는 가스켓을 갖는 연료전지용 분리판 및 이의 제조 방법을 제공하고자 한 것이다.

Description

가스켓을 갖는 연료전지용 분리판 및 이의 제조 방법{Separation plate having injection molding gasket and method for manufacturing the same}

본 발명은 가스켓을 갖는 연료전지용 분리판 및 이의 제조 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 분리판의 부식 방지 및 내식성 향상을 도모할 수 있는 가스켓을 갖는 연료전지용 분리판 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.

연료전지 스택의 구성을 하나의 유니트 셀 기준으로 살펴보면, 도 5에서 보는 바와 같이 가장 안쪽에 전극막 접합체(MEA: Membrane-Electrode Assembly)가 배열되고, 이 전극막 접합체는 수소 양이온(Proton)을 이동시켜 줄 수 있는 고분자 전해질막(10)과, 이 전해질막 양면에 수소와 산소가 반응할 수 있도록 도포된 촉매층, 즉 공기극(12: cathode) 및 연료극(14: anode)으로 구성된다.

또한, 공기극(12) 및 연료극(14)이 위치한 바깥 부분에는 가스확산층(GDL: Gas Diffusion Layer)(16) 및 가스켓(Gasket)(18)이 차례로 적층되고, 가스확산층(16)의 바깥쪽에는 연료를 공급하고 반응에 의해 발생된 물을 배출하도록 유로(Flow Field)가 형성된 분리판(20)이 적층된다.

이러한 하나의 유니트 셀들을 다수 적층한 후, 이들을 고정시키기 위하여 가장 바깥쪽에 엔드 플레이트(End plate)(30)가 결합됨으로써, 비로소 연료전지 스택으로 제작된다.

따라서, 상기 연료전지 스택의 연료극(14)에서는 수소의 산화반응이 진행되어 수소이온(Proton)과 전자(Electron)가 발생하게 되고, 이때 생성된 수소이온과 전자는 각각 전해질막(10)과 분리판(20)을 통하여 공기극(12)으로 이동하게 되며, 상기 공기극(12)에서는 연료극(14)으로부터 이동한 수소이온과 전자, 공기중의 산소가 참여하는 전기화학반응을 통하여 물을 생성하는 동시에 전자의 흐름으로부터 전기에너지를 생성하게 된다.

상기한 연료전지 스택의 구성요소 중 분리판(특히, 금속 분리판)은 다음과 같은 기능이 요구된다.

연료전지 스택 내에서 환원가스와 산화가스를 셀에 공급하는 통로 역할을 하고, 스택을 냉각하기 위한 냉각수의 공급 통로 역할을 하며, 발전된 전류를 이동시키는 통로 역할을 하게 되므로, 환원가스와 산화가스 및 냉각수가 서로 섞이지 않도록 기밀성이나 액밀성이 요구되고, 이에 분리판 표면에는 고무 실재가 적용되어 유체 및 기체의 기밀을 유지하는 동시에 하중 유지 역할도 수행하게 된다.

또한, 연료전지 스택의 구성중 가스켓(Gasket)은 분리판에 접합되어 연료전지 스택의 각 유니트 셀(Unit Cell)을 나누는 기준이 되는 동시에 분리판의 표면에 형성된 수소, 냉각수, 공기 유로를 독립적으로 밀폐시키는 기능을 하는 바, 이에 가스켓의 원할한 기능을 위하여 분리판에 가스켓을 접합하는 방법 및 가스켓 재료의 선택은 연료전지 스택의 제작시 신중히 고려되어야 한다.

이러한 점을 고려한 분리판에 가스켓을 일체로 접합하는 종래의 방법을 첨부한 도 3 및 도 4를 참조로 설명하면 다음과 같다.

먼저, 도 3에서 보는 바와 같이 금속분리판(이하, 분리판으로 약칭함)의 전체 표면중 가스켓이 사출될 영역에 접착제를 도포한 후, 분리판(20)의 에지(edge) 부분을 사출 금형(40)이 압력으로 고정시킨 다음, 가스켓 재료를 주입하는 동시에 금형의 가압에 의해서 가스켓(18)이 분리판(20) 표면에 일체로 사출된다.

가스켓이 사출된 분리판의 구조를 살펴보면, 도 4에서 보는 바와 같이 분리판(20)의 에지 부분에는 가스켓(18)이 사출되지 않음을 볼 수 있고, 이에 가스켓이 사출되지 않은 분리판(20)의 에지 부분의 금속 표면은 항상 외부로 노출되는 상태가 된다.

이렇게 분리판의 에지 부분에 가스켓이 사출되지 않은 이유는 상기와 같이 분리판에 가스켓을 일체로 사출할 때, 분리판의 에지 부분은 사출 금형이 밀착되며 잡아주는 부분이 되기 때문이다.

물론, 분리판의 에지 부분에 가스켓이 사출되지 않더라도 기밀 성능에는 큰 영향이 없으나, 분리판의 에지 부분이 연료전지 스택 셀 내부의 부식 환경에 항상 노출됨에 따라 일정 시간이 지나게 되면 부식되는 현상이 초래될 수 밖에 없고, 결국 분리판이 부식되는 것은 분리판의 수명을 단축시키는 원인이 된다.

또한, 분리판의 에지 부분의 길이방향을 따라 두께 편차가 미세하게 존재하는 경우, 상형 및 하형으로 이루어진 사출 금형이 분리판의 에지 부분을 가압하며 잡아주는 힘이 고르게 작용하지 않게 됨에 따라, 가스켓 버어(burr)가 발생할 수 있고, 결국 버어를 제거하기 위한 사상 작업이 더 필요하게 되어, 가스켓 사출 작업 효율이 저하되는 단점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출한 것으로서, 분리판의 전체 또는 원하는 부위의 표면에 걸쳐 수지계 접착제를 스크린 방식으로 도포한 후, 가스켓을 분리판에 일체로 사출하는 공정을 진행하여, 사출 공정후에도 분리판의 에지 부분이 외부로 노출되지 않고 수지계 접착제로 도포된 상태가 되도록 함으로서, 분리판의 부식 방지 및 내식성 향상을 도모할 수 있고, 사출 공정중 버어 발생을 방지할 수 있는 가스켓을 갖는 연료전지용 분리판 및 이의 제조 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 구현예는 가스켓이 일체로 사출된 연료전지용 분리판에 있어서, 상기 분리판의 가스켓이 사출되는 표면과 에지 부분 표면에 스크린 접착제가 도포된 것을 특징으로 하는 가스켓을 갖는 연료전지용 분리판을 제공한다.

바람직하게는, 상기 스크린 접착제는 분리판의 에지 부분에서 그 상하면에 도포된 것을 특징으로 한다.

더욱 바람직하게는, 상기 스크린 접착제는 분리판의 에지 부분에서 상하면 및 측면에 도포된 것을 특징으로 한다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 구현예는 분리판의 가스켓이 사출되는 표면 및 에지 부분 표면에 스크린 접착제를 도포하는 단계와; 사출 금형이 분리판의 에지 부분을 가압 고정시킬 때, 사출 금형의 가압력을 에지 부분에 도포된 스크린 접착제가 댐핑시키는 단계와; 사출 금형의 캐비티내에 가스켓 재료를 주입하여, 분리판의 가스켓이 사출되는 부분에 가스켓이 일체로 사출되는 단계; 로 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판 제조 방법을 제공한다.

바람직하게는, 상기 스크린 접착제 도포 소재는 가스켓 사출 재료와 동종 재질로서, 불소고무 또는 고분자 수지인 것을 특징으로 한다.

더욱 바람직하게는, 상기 스크린 접착제 도포 두께는 10~100㎛인 것을 특징으로 한다.

상기한 과제 해결 수단을 통하여, 본 발명은 다음과 같은 효과를 제공한다.

본 발명에 따르면, 분리판의 가스켓이 사출될 표면과 그 에지 부분에 걸쳐 고무 또는 수지계 접착제를 스크린 방식으로 도포한 후, 가스켓을 분리판에 일체로 사출하는 공정을 진행함으로써, 사출 공정후에도 분리판의 에지 부분이 외부로 노출되지 않고 수지계 접착제로 도포된 상태가 됨에 따라 부식 환경에 노출되더라도 부식되는 현상을 방지할 수 있다.

또한, 가스켓 사출 공정시, 사출 금형이 에지 부분을 가압할 때, 에지 부분에 도포된 스크린 접착제에서 댐핑 역할을 하게 됨에 따라, 버어 발생을 방지할 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 연료전지용 분리판의 제조 방법을 설명하는 개략도,
도 2는 본 발명에 따른 가스켓을 갖는 연료전지용 분리판을 나타내는 평면도,
도 3은 종래의 연료전지용 분리판의 제조 방법을 설명하는 개략도,
도 4는 종래의 가스켓을 갖는 연료전지용 분리판을 나타내는 평면도,
도 5는 연료전지 스택을 구성을 설명하기 위한 개략도.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조로 상세하게 설명하기로 한다.

본 발명은 가스켓 접착을 위한 스크린 접착제 도포를 사출 공정 전에 적용하여, 분리판의 에지 부분을 포함한 원하는 부위가 스크린 접착제로 덮어지게 함으로써, 연료전지 스택 내부의 부식 환경에 노출되더라도 부식되는 현상을 차단할 수 있고, 일체형 가스켓 사출 공정에서 가스켓 버어(burr)가 발생됨을 방지할 수 있으며, 한 번의 사출을 통해서 제조가 가능하여 생산성을 개선시킬 수 있도록 한 점에 주안점이 있다.

이를 위해, 도 1에 도시된 바와 같이 분리판(20)의 원하는 부위 즉, 가스켓이 사출되는 표면 및 에지 부분 표면에 스크린 접착제(22)를 사출 공정 전에 미리 도포한다.

이때, 상기 분리판(20)의 가스켓이 사출되는 표면 및 에지 부분 표면에 도포되는 스크린 접착제는 가스켓 사출 소재와 동일한 재질, 바람직하게는 불소 고무 또는 고분자 수지계 접착제(Primer)를 사용하고, 그 도포 두께는 10~100㎛ 두께로 균일하게 도포되도록 한다.

또한, 상기 스크린 접착제(22)는 분리판(20)의 에지 부분에서 사출 금형(40)이 가압하게 되는 상하면에 도포된다.

바람직하게는, 상기 스크린 접착제(22)는 분리판(20)의 에지 부분에서 상하면 및 측면에 모두 도포되어, 에지 부분의 금속 표면이 외부로 노출되지 않도록 한다.

다음으로, 사출 금형(40)의 하형에 스크린 접착제(22)가 도포된 분리판(20)을 안착시킨 다음, 사출 금형(40)의 상형을 하강시킴으로써, 분리판(20)의 에지 부분이 사출 금형(40)에 의하여 조여지면서 가압된다.

이때, 사출 금형(40)이 분리판(20)의 에지 부분을 가압 고정시킬 때, 사출 금형(40)의 가압력을 에지 부분에 도포된 스크린 접착제(22)가 댐핑시키는 역할을 하게 된다.

따라서, 종래에는 전술한 바와 같이 사출 금형의 상형 및 하형이 분리판의 에지 부분(금속 표면이 그대로 노출된 부분)에 직접 접촉되면서 잡아줄 때, 에지 부분의 길이방향을 따라 소재 두께 편차가 있는 경우, 사출 금형의 압력에 따른 마찰에 의하여 에지 부분으로부터 버어가 발생하였으나, 본 발명에서는 사출 금형(40)의 상형 및 하형이 분리판(20)을 잡아주는 부위 즉, 분리판(20)의 에지 부분이 스크린 접착제(22)로 도포된 상태이므로, 사출 금형(40)의 가압력을 에지 부분에 도포된 스크린 접착제(22)가 댐핑시키는 역할을 하게 되어, 버어 발생을 방지시킬 수 있다.

즉, 종래에는 가스켓 사출시 분리판 소재의 두께 편차에 의하여 가스켓 소재가 사출압에 의해 분리판과 사출금형 사이로 빠져나가는(둘출되는) 가스켓 버어가 발생하였는 바, 이 버어는 분리판의 반응면까지 들어와 유로를 막을 수 있고, 장시 간 운전시 박리되어 반응기체와 냉각수의 입출구를 막을 수 있기 때문에 반드시 제거되어야 하는 부분이 되므로, 이에 별도의 버어 제거를 위한 사상 작업이 더 필요하였으나, 본 발명에서는 분리판(20)의 에지 부분이 스크린 접착제(22)로 도포된 상태이므로, 사출 금형(40)의 가압력을 에지 부분에 도포된 스크린 접착제(22)가 댐핑시키는 역할을 하게 되어, 결국 버어 발생을 완전히 방지시킬 수 있다.

다음으로, 상기 사출 금형(40)의 캐비티내에 가스켓 사출 재료를 주입하여, 분리판(20)의 가스켓이 사출되는 부분에 가스켓(18)을 일체로 사출시킨 후, 사출 금형(40)으로부터 최종 제품을 탈형시킨다.

이렇게 최종 제품화된 본 발명의 분리판 구조를 살펴보면, 첨부한 도 2에 도시된 바와 같이 분리판의 가스켓 사출 부분에 가스켓(18)이 일체로 사출되는 동시에 에지 부분에는 스크린 접착제(22)가 도포된 상태가 되어, 결국 분리판(20)의 에지 부분의 금속 표면이 외부로 노출되지 않게 된다.

이에 따라, 분리판(20)의 에지 부위가 연료전지 구동 부식 환경에 노출되더라도, 에지 부분이 스크린 접착제(22)로 커버된 상태, 즉 연료전지 스택 내부의 부식 환경과 물리적으로 차단되는 상태이므로, 분리판의 에지 부분이 부식되는 현상을 완전히 방지할 수 있다.

10 : 고분자 전해질막
12 : 공기극
14 : 연료극
16 : 가스확산층
18 : 가스켓
20 : 분리판
22 : 스크린 접착제
30 : 엔드 플레이트
40 : 사출 금형

Claims

가스켓이 일체로 사출된 연료전지용 분리판에 있어서,
상기 분리판의 가스켓이 사출되는 표면과 에지 부분 표면에 스크린 접착제가 도포된 것을 특징으로 하는 가스켓을 갖는 연료전지용 분리판.
청구항 1에 있어서,
상기 스크린 접착제는 분리판의 에지 부분에서 그 상하면에 도포된 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판.
청구항 1에 있어서,
상기 스크린 접착제는 분리판의 에지 부분에서 상하면 및 측면에 도포된 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판.
분리판의 가스켓이 사출되는 표면 및 에지 부분 표면에 스크린 접착제를 도포하는 단계와;
사출 금형이 분리판의 에지 부분을 가압 고정시킬 때, 사출 금형의 가압력을 에지 부분에 도포된 스크린 접착제가 댐핑시키는 단계와;
사출 금형의 캐비티내에 가스켓 재료를 주입하여, 분리판의 가스켓이 사출되는 부분에 가스켓이 일체로 사출되는 단계;
로 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판 제조 방법.
청구항 4에 있어서,
상기 스크린 접착제 도포 소재는 가스켓 사출 재료와 동종 재질로서, 불소고무 또는 고분자 수지인 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판 제조 방법.
청구항 4에 있어서,
상기 스크린 접착제 도포 두께는 10~100㎛인 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판 제조 방법.