KR101425561B1 - 가스켓 일체형 연료 전지용 분리판의 제조 방법 및 이에 의하여 제조된 가스켓 일체형 연료 전지용 분리판 - Google Patents

가스켓 일체형 연료 전지용 분리판의 제조 방법 및 이에 의하여 제조된 가스켓 일체형 연료 전지용 분리판 Download PDF

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Abstract

본 발명은 가스켓 일체형 연료 전지용 분리판의 제조 방법 및 이에 의하여 제조된 가스켓 일체형 연료 전지용 분리판에 관한 것으로서, 액상 실리콘과 희석제를 혼합하여 점도가 30,000 내지 50,000cps인 가스켓층 형성용 조성물을 제조하는 단계, 상기 가스켓층 형성용 조성물을 연료 전지용 분리판 위에 스크린 인쇄하여 가스켓층을 형성하는 단계, 그리고 상기 가스켓층을 경화시키는 경화 단계를 포함한다.
상기 가스켓 일체형 연료 전지용 분리판의 제조 방법은 제조 시간을 현저히 감소시킬 수 있으며, 적은 양의 가스켓층 형성용 조성물을 가지고 많은 가스켓층을 제조할 수 있고, 스택 조립 시간을 줄이는 효과가 있다.

Description

가스켓 일체형 연료 전지용 분리판의 제조 방법 및 이에 의하여 제조된 가스켓 일체형 연료 전지용 분리판{SEPARATOR AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME}
본 발명은 가스켓 일체형 연료 전지용 분리판의 제조 방법 및 이에 의하여 제조된 가스켓 일체형 연료 전지용 분리판에 관한 것이다.
연료 전지는 전기화학적 반응을 이용하여 연료(수소, 메탄올 등)가 가지고 있는 화학에너지가 전기 및 열에너지로 변환되는 원리를 이용하고 있다. 연료 전지는 연료 및 반응 촉매의 종류에 따라 고체산화물 연료 전지(SOFC), 알칼리형 연료 전지(AFC), 고분자전해질 연료 전지(PEMFC), 직접 메탄올 연료 전지(DMFC) 등으로 분류된다.
PEMFC와 DMFC는 사용되는 고분자 전해질 막의 사용 온도에 한계가 있어 주로 80℃ 이하의 온도에서 사용된다. 특히, DMFC의 경우에는 더욱 낮은 온도인 50℃에서 상온까지 사용되는 것으로 알려져 있다.
통상 2매의 백금 전극과 거기에 끼워진 전해질로 이루어진 연료 전지의 1단위를 단셀이라 부르며, 복수의 단셀을 직렬로 이은 것이 스택(stack)이라 부른다. 스택을 만들려면 단셀을 구성하는 부품 외에 단셀과 단셀 사이를 갈라 놓는 부품인 분리판(separator)이 필요하다. 분리판은 각 단셀 사이를 막고 가스의 혼합을 막으며, 각 단셀에 수소 가스나 공기를 공급하는 통로가 되고, 단셀 사이를 잇는 도선으로 작용한다.
분리판은 주로 금속 분리판, 흑연 분리판 등이 사용되고 있으며 분리판이 연료 전지에 적용되기 위해서는 전기전도도, 기체투과도, 강도, 부식 특성, 용출 특성 등이 고려되어야 한다. 금속 분리판이 연료 전지에 적용되기 위해서는 가장 취약한 특성인 부식 문제를 해결해야 하며, 흑연 분리판은 대부분 기계 가공하여 사용하기 때문에 제조 단가가 매우 높고, 부피가 큰 단점이 있다.
연료 전지 스택은 연료극, 막전극접합체(membrane-electrode assembly), 공기극, 냉각면, 연료극이 사양에 맞게 반복적으로 적층 된다. 이때 스택의 부피를 줄이기 위해 공기극 뒷면에 냉각 유로를 형성하거나, 반대로 연료극 뒷면에 냉각 유로가 형성될 수 있다. 추가적으로 공기극 뒷면과 연료극 뒷면에 동시에 냉각 유로를 형성하여 연료 전지 스택의 부피를 줄이기도 한다.
이상과 같이 제작된 분리판의 내부에 물이 흐르기 때문에 밀폐 성능을 유지하여야 한다. 분리판을 밀폐하기 위한 가스켓은 그 제작을 위한 금형이 독립적으로 제작되어야 하고, 가스켓의 정밀성을 부여하기 위해서는 많은 노력이 필요하다.
그 외에 분리판의 냉각면을 밀폐하기 위한 방법으로는 접착제를 일정한 압력으로 토출시키고, 경화시켜 가스켓 형태로 만드는 방법이 있다. 이 방법은 접착제 토출 시작 부위와 끝 부위가 겹쳐지는 현상이 발생하여 가스켓을 부분적으로 불균일하게 만든다. 따라서 접착제가 겹치는 부위에서 밀폐성을 유지하지 못하는 경우가 종종 발생하며, 접착제를 토출하기 위한 장비가 부수적으로 필요하다.
또한, 연료 전지 스택의 밀폐를 위해서는 o-ring형 가스켓이 주로 사용되나, 스택의 조립성이 현저히 떨어지는 단점이 있다. o-ring형 가스켓을 MEA나 분리판 위에 접착제를 도포하여 접합하여 사용하는 경우도 있으나 접착제가 MEA 내부의 멤브레인에 심각한 영향을 주는 것으로 알려져 있어 장기내구성에는 좋지 않다. 또한, 분리판 위에 액상 가스켓 재료를 사출하여 가스켓을 접착하는 기술이 있으나, 사출압이 높을 경우 분리판을 파손하는 경우가 자주 발생하고, 불필요한 버(burr) 등이 많아 이를 제거하는데 많은 시간이 소요된다.
일본특허공개 제2005-123108호(출원일: 2005.5.12)
본 발명의 목적은 제조 시간이 현저히 감소되며, 적은 양의 가스켓층 형성용 조성물을 가지고 많은 가스켓층을 제조할 수 있고, 스택 조립 시간을 줄일 수 있는 의 가스켓 일체형 연료 전지용 분리판의 제조 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 제조 방법이 간편하고 밀폐 성능이 뛰어난 가스켓 일체형 연료 전지용 분리판을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지용 분리판의 제조 방법은 액상 실리콘과 희석제를 혼합하여 점도가 30,000 내지 50,000cps인 가스켓층 형성용 조성물을 제조하는 단계, 상기 가스켓층 형성용 조성물을 연료 전지용 분리판 위에 스크린 인쇄하여 가스켓층을 형성하는 단계, 그리고 상기 가스켓층을 경화시키는 경화 단계를 포함한다.
상기 액상 실리콘은 불소 변형 실리콘일 수 있다.
상기 액상 실리콘은 폴리디메틸실록산 비닐 엔디드(Polydimethylsiloxane vinyl ended) 51 내지 60 중량%, 폴리디메틸 메틸비닐실록산 디메틸비닐-터미네이티드(Polydimethyl methylvinylsiloxane dimethylvinyl-terminated) 10 내지 19 중량%, 퓸드 실리카(Fumed silica) 21 내지 30 중량%, 그리고 페닐 오일(Phenyl oil) 1 내지 10 중량%를 포함할 수 있다.
상기 가스켓층 형성용 조성물을 제조하는 단계는 550,000cps 초과 700,000cps 이하의 점도를 가지는 제1 액상 실리콘, 400,000 내지 550,000cps의 점도를 가지는 제2 액상 실리콘 및 희석제를 혼합하여 점도가 30,000 내지 50,000cps인 가스켓층 형성용 조성물을 제조할 수 있다.
상기 희석제는 크실렌일 수 있다.
상기 스크린 인쇄는 60 내지 80도 각도를 가지는 우레탄 고무 재질의 스퀴지를 통해 이루어질 수 있다.
상기 경화 단계는 상기 가스켓층을 100 내지 150℃의 온도에서 10 내지 30분 동안 경화시킬 수 있다.
상기 가스켓층의 두께 편차는 0.02mm 이내일 수 있다.
상기 가스켓 일체형 연료 전지용 분리판은 상기 가스켓층의 경도가 40 내지 60일 수 있다.
상기 가스켓 일체형 연료 전지용 분리판은 두께가 0.2 내지 0.5mm일 수 있다.
본 발명의 다른 일 실시예에 따른 가스켓 일체형 연료 전지용 분리판은 상기 가스켓 일체형 연료 전지용 분리판의 제조 방법을 이용하여 제조될 수 있다.
본 발명의 가스켓 일체형 연료 전지용 분리판의 제조 방법은 제조 시간을 현저히 감소시킬 수 있으며, 적은 양의 가스켓층 형성용 조성물을 가지고 많은 가스켓층을 제조할 수 있고, 스택 조립 시간을 줄이는 효과가 있다.
상기 가스켓 일체형 연료 전지용 분리판의 제조 방법을 이용하여 제조된 가스켓 일체형 연료 전지용 분리판은 제조 방법이 간편하고 밀폐 성능이 뛰어나다.
도 1은 본 발명의 실시예에서 사용한 스크린 인쇄 장비를 나타내는 사진이다.
도 2는 본 발명의 실시예 1에서 제조된 가스켓 일체형 연료 전지용 분리판을 나타내는 사진이다.
도 3은 본 발명의 실시예 2에서 제조된 가스켓 일체형 연료 전지용 분리판을 나타내는 사진이다.
이하, 본 발명에 대하여 더욱 상세하게 설명한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 가스켓 일체형 연료 전지용 분리판의 제조 방법은 액상 실리콘과 희석제를 혼합하여 점도가 30,000 내지 50,000cps인 가스켓층 형성용 조성물을 제조하는 단계, 상기 가스켓층 형성용 조성물을 연료 전지용 분리판 위에 스크린 인쇄하여 가스켓층을 형성하는 단계, 그리고 상기 가스켓층을 경화시키는 경화 단계를 포함한다.
상기 가스켓 일체형 연료 전지용 분리판의 제조 방법은 o-ring형 가스켓의 단점과 사출 가스켓의 단점을 개선하기 위해 스크린 인쇄 방식을 통해 연료 전지용 분리판 위에 가스켓을 접착하는 것이다.
상기 가스켓층 형성용 조성물을 제조하는 단계에서 상기 액상 실리콘은 일반적인 액상 실리콘일 수 있고, 불소 변형 실리콘일 수도 있다. 상기 액상 실리콘은 폴리디메틸실록산 비닐 엔디드(Polydimethylsiloxane vinyl ended) 51 내지 60 중량%, 폴리디메틸 메틸비닐실록산 디메틸비닐-터미네이티드(Polydimethyl methylvinylsiloxane dimethylvinyl-terminated) 10 내지 19 중량%, 퓸드 실리카(Fumed silica) 21 내지 30 중량%, 그리고 페닐 오일(Phenyl oil) 1 내지 10 중량%를 포함할 수 있다.
상기 가스켓층 형성용 조성물을 제조하는 단계는 550,000cps 초과 700,000cps 이하의 점도를 가지는 제1 액상 실리콘, 400,000 내지 550,000cps의 점도를 가지는 제2 액상 실리콘 및 희석제를 혼합하여 점도가 30,000 내지 50,000cps인 가스켓층 형성용 조성물을 제조하는 것일 수 있다.
상기 550,000cps 초과 700,000cps 이하의 점도를 가지는 제1 액상 실리콘, 400,000 내지 550,000cps의 점도를 가지는 제2 액상 실리콘 및 희석제를 혼합하여 가스켓층 형성용 조성물을 제조하는 경우 스크린 인쇄에 적합한 점도를 갖게할 수 있다.
또한, 상기 가스켓층 형성용 조성물의 점도는 30,000 내지 50,000cps일 수 있다. 상기 가스켓층 형성용 조성물의 점도가 30,000cps 미만인 경우 가스켓 형상을 유지하지 못할 수 있고, 50,000cps를 초과하는 경우 스크린 인쇄가 어려울 수 있다.
상기 희석제는 상기 액상 실리콘 또는 불소 변형 액상 실리콘을 희석시킬 수 있는 것이면 어느 것이나 사용할 수 있고, 특히 상기 희석제는 크실렌을 바람직하게 사용할 수 있다. 상기 희석제로 크실렌을 사용하는 경우 실리콘 내부에서 빨리 휘발할 수 있다는 점에서 바람직하다.
상기 스크린 인쇄는 60 내지 80도 각도를 가지는 우레탄 고무 재질의 스퀴지를 통해 이루어질 수 있다. 상기 60 내지 80도 각도를 가지는 우레탄 고무 재질의 스퀴지를 이용하여 스크린 인쇄를 진행하는 경우 가스켓 형상 제조에 유리하다.
상기 경화 단계는 상기 가스켓층을 100 내지 150℃의 온도에서 10 내지 30분 동안 경화시킬 수 있다. 상기 경화 온도가 100℃ 미만이거나 경화 시간이 10분 미만인 경우 가스켓이 미경화될 수 있고, 상기 경화 온도가 150℃를 초과하거나 경화 시간이 30분을 초과하는 경우 제조 시간이 길어질 수 있다.
본 발명의 다른 일 실시예에 따른 가스켓 일체형 연료 전지용 분리판은 상기 가스켓 일체형 연료 전지용 분리판의 제조 방법에 따라 제조될 수 있다. 이에 따라, 상기 연료 전지용 분리판은 가스켓층이 분리판에 일체형으로 부착되어 있다.
상기 가스켓층의 두께 편차는 0.02mm 이내일 수 있다. 상기 가스켓층의 두께 편차가 0.02mm를 초과하는 경우 분리판의 밀폐에 문제가 발생할 수 있다.
상기 가스켓층의 경도는 40 내지 60일 수 있다. 상기 가스켓층의 경도가 40 미만인 경우 막-전극 어셈블리(MEA)가 과도하게 압축되어 연료전지 성능이 저하될 수 있고, 60을 초과하는 경우 MEA가 제대로 압축되지 않아 연료전지 성능이 저하될 수 있고, 분리판을 파손시킬 수도 있다.
상기 가스켓의 두께는 스크린 인쇄의 횟수 및 제판 메쉬를 제어하여 조절할 수 있다. 바람직하게, 상기 가스켓 일체형 연료 전지용 분리판은 두께가 0.2 내지 0.5mm일 수 있다.
상기 본 발명의 가스켓 일체형 연료 전지용 분리판의 제조 방법을 통하여 연료 전지용 분리판을 제조하는 경우 o-ring 및 사출을 이용하여 제조된 가스켓을 포함하는 연료 전지에 비하여 제조 시간을 현저히 줄일 수 있다.
또한, 상기 본 발명의 가스켓 일체형 연료 전지용 분리판의 제조 방법을 통하여 연료 전지용 분리판을 제조하는 경우 4초에 하나의 가스켓층을 스크린 인쇄한 다음 오븐에서 건조하는 방법을 적용하기 때문에 가스켓을 제조하는데 4초의 시간이면 충분하다.
반면, O-ring형 가스켓을 이용하는 경우 별도의 시트(sheet)를 제작하여 펀칭하여야 하기 때문에 시간 및 추가 공정이 요구된다. 가스켓을 사출하는 경우에도 가스켓을 사출하는 시간은 짧으나 가스켓을 사출한 다음 사출 금형 안에서 가스켓을 경화시켜야 하기 때문에 경화 시간이 필요하고, 경화 후에도 버(burr)나 불필요한 부분을 제거하기 위한 공정이 추가된다.
또한, 본 발명의 가스켓 일체형 연료 전지용 분리판의 제조 방법은 스크린 인쇄를 통하여 적은 양의 가스켓층 형성용 조성물을 가지고 많은 가스켓을 제조할 수 있다. 예들들어, 상기 가스켓 일체형 연료 전지용 분리판의 제조 방법은 5g의 가스켓층 형성용 조성물로 0.24 내지 0.28mm 두께의 가스켓을 제조할 경우 약 8000개의 가스켓층 형성이 가능하다. o-ring 가스켓의 경우 0.24 내지 0.28mm의 두께를 갖는 시트(sheet)로 제조한 다음 o-ring 부분을 펀칭하여 제조되기 때문에 재료비의 소모가 매우 많다. 사출로 형성되는 가스켓 경우 원활한 사출을 위해 금형 내부에 복잡한 형상의 가스켓 통로가 필요하는 등 사출을 위해 가스켓에 불필요한 형상이 요구되고, 버(burr)가 많이 발생한다. 또한, 사출 노즐에도 가스켓 소재가 채워지게 되어 불필요한 소재량이 많아지게 된다.
본 발명의 가스켓 일체형 연료 전지용 분리판은 스택 조립 시간을 줄이는 효과가 있다.
이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예에 대하여 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
( 실시예 1)
600,000cps와 500,000cps의 점도를 갖는 제1 및 제2 액상 실리콘과 희석제(크실렌)를 1:1:1의 중량비로 배합하여 최종 점도가 50,000cps를 갖는 가스켓층 형성용 조성물을 제조하였다. 상기 액상 실리콘은 폴리디메틸실록산 비닐 엔디드 54 중량%, 폴리디메틸 메틸비닐실록산 디메틸비닐-터미네이티드 16 중량%, 퓸드 실리카 27 중량% 및 페닐 오일 3 중량%를 포함하는 것이었다.
상기 제조된 가스켓층 형성용 조성물을 SUS 재질 80목을 갖는 제판 위에 올려놓고 70도의 각을 갖는 우레탄 고무 재질의 스퀴지를 통해 도 1에 도시된 스크린 인쇄 장비를 이용하여 스크린 인쇄하였다. 이때 스크린 인쇄는 4초/장 동안 실시하였으며, 분리판 위에 스크린 인쇄된 가스켓층은 120℃의 오븐에서 20분 동안 경화하였다. 경화 후 가스켓층의 경도가 50이 되도록 하였으며, 경화된 가스켓층은 0.24 내지 0.28mm의 두께를 가지고 있었다. 도 2는 상기에서 제조된 가스켓 일체형 연료 전지용 분리판의 사진이다.
상기 경화된 가스켓층이 스크린 인쇄된 분리판을 밀폐 시험하여 누출(leak)이 발생하지 않은 것을 확인하였다.
( 실시예 2)
불소 변형 실리콘을 희석제와 혼합하여 최종 점도가 50,000cps를 갖는 가스켓층 형성용 조성물을 제조하였다. 상기 제조된 가스켓층 형성용 조성물을 SUS재질 80목을 갖는 제판 위에 올려놓고 70도의 각을 갖는 우레탄 고무 재질의 스퀴지를 통해 도 1에 도시된 스크린 인쇄 장비를 이용하여 스크린 인쇄하였다. 이때 스크린 인쇄는 4초/장 동안 실시하였으며, 분리판 위에 스크린 인쇄된 가스켓층은 120도의 오븐에서 20분 동안 경화하였다. 경화 후 가스켓층의 경도가 50이 되도록 하였으며, 경화된 가스켓층은 0.20 내지 0.35mm의 두께를 가지고 있었다. 도 3은 상기에서 제조된 가스켓 일체형 연료 전지용 분리판의 사진이다.
상기 경화된 가스켓층이 스크린 인쇄된 분리판을 밀폐 시험하여 누출이 발생하지 않은 것을 확인하였다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.

Claims (11)

  1. 액상 실리콘과 희석제를 혼합하여 점도가 30,000 내지 50,000cps인 가스켓층 형성용 조성물을 제조하는 단계,
    상기 가스켓층 형성용 조성물을 SUS 재질의 연료 전지용 분리판 위에 스크린 인쇄하여 가스켓층을 형성하는 단계, 그리고
    상기 가스켓층을 경화시키는 경화 단계를 포함하는 가스켓 일체형 연료 전지용 분리판의 제조 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 액상 실리콘은 불소 변형 실리콘인 것인 가스켓 일체형 연료 전지용 분리판의 제조 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 액상 실리콘은 폴리디메틸실록산 비닐 엔디드(Polydimethylsiloxane vinyl ended) 51 내지 60 중량%, 폴리디메틸 메틸비닐실록산 디메틸비닐-터미네이티드(Polydimethyl methylvinylsiloxane dimethylvinyl-terminated) 10 내지 19 중량%, 퓸드 실리카(Fumed silica) 21 내지 30 중량%, 그리고 페닐 오일(Phenyl oil) 1 내지 10 중량%를 포함하는 것인 가스켓 일체형 연료 전지용 분리판의 제조 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 가스켓층 형성용 조성물을 제조하는 단계는 550,000cps 초과 700,000cps 이하의 점도를 가지는 제1 액상 실리콘, 400,000 내지 550,000cps의 점도를 가지는 제2 액상 실리콘 및 희석제를 혼합하여 점도가 30,000 내지 50,000cps인 가스켓층 형성용 조성물을 제조하는 것인 가스켓 일체형 연료 전지용 분리판의 제조 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 희석제는 크실렌인 것인 가스켓 일체형 연료 전지용 분리판의 제조 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 스크린 인쇄는 60 내지 80도 각도를 가지는 우레탄 고무 재질의 스퀴지를 통해 이루어지는 것인 가스켓 일체형 연료 전지용 분리판의 제조 방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 경화 단계는 상기 가스켓층을 100 내지 150℃의 온도에서 10 내지 30분 동안 경화시키는 것인 가스켓 일체형 연료 전지용 분리판의 제조 방법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 가스켓층의 두께 편차는 0.02mm 이내인 것인 가스켓 일체형 연료 전지용 분리판의 제조 방법.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 가스켓 일체형 연료 전지용 분리판은 상기 가스켓층의 경도가 40 내지 60인 것인 가스켓 일체형 연료 전지용 분리판의 제조 방법.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 가스켓 일체형 연료 전지용 분리판은 두께가 0.2 내지 0.5mm인 것인 가스켓 일체형 연료 전지용 분리판의 제조 방법.
  11. 제1항에 따른 가스켓 일체형 연료 전지용 분리판의 제조 방법을 이용하여 제조된 가스켓 일체형 연료 전지용 분리판.
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