KR102021625B1 - 연료 전지 어셈블리 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 연료 전지 어셈블리, 특히 이러한 어셈블리의 시일링에 관련된 개선에 관한 것으로, 이의 실시 형태는 연료 전지 어셈블리(200)을 포함하며, 이 연료 전지 어셈블리는, 막 전극 어셈블리(104); 캐소드 분리 판의 제 1 및 2 상호 반대쪽 가장자리들 사이에서 연장되어 있고 공기 유동로를 제공하는 일련의 주름부를 갖는 캐소드 분리 판(208); 분리 판(208)과 막 전극 어셈블리(104) 사이에서 막 전극 어셈블리(104)의 주변 가장자리 주위에 유체 시일을 제공하는 가스켓(105); 및 막 전극 어셈블리(104)의 주변 가장자리에 걸쳐 가스켓(105)과 분리 판(208) 사이에 배치되는 금속 심(107; shim)을 포함한다.

Description

연료 전지 어셈블리{FUEL CELL ASSEMBLY}
본 발명은 연료 전지 어셈블리, 특히 그러한 어셈블리의 시일링에 관련된 개선에 관한 것이다.
개방형 캐소드 연료 전지 적층체에서, 공기 흐름은 각 연료 전지의 캐소드측을 가로지르게 되는데, 그래서 일반적으로 확산 층을 통해 산화제가 연료 전지의 막-전극 어셈블리(MEA)의 캐소드측에 이용될 수 있다. 전체 적층체를 가로지르는 균일한 공기 흐름을 얻기 위한 일반적인 방법은, 공기를 전지 적층체의 상호 반대쪽 면들 사이에서 그 전지 적층체를 가로질러 평행하게 흐르게 하는 것인데, 따라서 공기는 일 가장자리에서 다른 가장자리까지 각 전지를 가로질러 흐르게 된다.
적층체의 전체 중량을 낮게 유지하면서 적층체의 각 전지를 가로지르는 충분한 정도의 공기 흐름을 얻기 위한 일반적인 방법은 주름형 캐소드 분리 판을 사용하는 것이다. 이러한 분리 판은 연료 전지 전해질의 캐소드측과 전기적 연결을 이루고 또한 밑에 있는 확산 층을 가로지르는 공기 흐름을 위한 경로를 제공하는 작용을 한다.
종래의 주름형 캐소드 분리 판을 사용할 때의 문제점은, 각 전지의 개방 가장자리에서는 밑에 있는 전해질 층 및 중간 가스켓 재료와의 간헐적인 연결만 있다는 것이다. 이 결과, 예컨대 적층체의 열 사이클링 중에 밑의 층이 분리될 수 있는데, 이로 인해 결국에는 누설이 야기된다. 전지의 밑 층과의 접촉부들 사이의 틈은, 예컨대 주름 피치를 더 작게 만들면 더 작게 될 수 있는데, 하지만 이렇게 되면, 전지를 가로질러 이용가능한 공기 유동로의 용적이 감소되는 효과가 나타나게 된다. 누설의 가능성을 줄이는 다른 가능한 방법은 연료 전지의 작용 영역을 둘러싸는 가스켓 영역의 폭을 증가시키는 것이 될 것이다. 그러나, 이러한 경우에는, 전지의 작용 영역의 비율이 감소되며 그래서 전지의 효율도 감소된다. 이는 더 작은 형태의 연료 전지 적층체의 경우에 특히 문제가 되는데, 그러한 연료 전지 적층체에서 가장자리 가스켓 영역은 일반적으로 전체 전지 영역 중에서 더 높은 비율을 형성하게 될 것이다.
본 발명의 목적은 전술한 문제들 중의 하나 이상을 해결하는 것이다.
본 발명의 제 1 양태에 따르면, 연료 전지 어셈블리가 제공되는 바, 이 연료 전지 어셈블리는,
막 전극 어셈블리;
캐소드 분리 판의 제 1 및 2 상호 반대쪽 가장자리들 사이에서 연장되어 있고 공기 유동로를 제공하는 일련의 주름부를 갖는 상기 캐소드 분리 판;
상기 분리 판과 막 전극 어셈블리 사이에서 막 전극 어셈블리의 주변 가장자리 주위에 유체 시일을 제공하는 가스켓; 및
상기 막 전극 어셈블리의 주변 가장자리에 걸쳐 상기 가스켓과 분리 판 사이에 배치되는 금속 심(shim)을 포함하며,
상기 금속 심은 상기 분리 판의 일체적인 일 부분으로서 제공되며, 또한 상기 금속 심은, 상기 분리 판의 주름부에 대해 횡으로 길이 방향으로 연장되어 있고 또한 그 분리 판의 제 1 및 2 상호 반대쪽 가장자리를 따라 각각 연장되어 있는 제 1 및 2 스트립을 포함한다.
본 발명의 이점은, 금속 심이 분리 판과 가스켓의 하측 시일링 영역 사이에 더욱 균일한 시일링 압력을 제공한다는 것이다. 이는, 금속 심의 재료가 가스켓 또는 MEA 보다 실질적으로 더 높은 강성을 가지며 그래서 주름형 분리 판에 의해 제공되는 간헐적인 압력 프로파일이 더욱 균일하게 가해질 수 있기 때문이다. 금속 심은 MEA와 대면하는 분리 판의 면을 따라 있는 주름부의 능부들에 걸치게 되며 그래서 능부에 가해지는 압력의 일부를 능부 사이의 영역에 전달하게 된다. 이리 하여, 분리 판의 주름부를 따르는 공기 흐름에 악영향을 줌이 없이, 밑에 있는 막 전극 어셈블리 주위에서 누설이 생길 가능성이 줄어든다. 금속 심이 전술한 형태로, 즉 분리 판과 일체적으로 되어 제공되는 것과 관련한 이점으로서, 분리 판과 금속 심은 공통적인 부품으로서 만들어질 수 있고, 그리하여, 연료 전지를 위한 조립 공정에서 사용되는 부품의 수가 감소되며 또한 일체적인 부품으로서 금속 심과 판 어셈블리를 단일 시트의 공급 재료로부터 형성할 때 폐재료를 줄일 수 있다.
금속 심은 분리 판과 동일한 재료로 이루어질 수 있다. 상기 금속 심을 위한 특히 바람직한 재료는 스테인레스 강, 즉 연료 전지 내부에서 나타나는 것과 같은 습식 산화성 분위기에서 사용되는데 적합한 크롬 합금강이다. 상기 금속 심은 바람직하게는 50 ∼ 150 마이크로미터의 두께를 갖는다 . 어떤 바람직한 실시 형태에서, 상기 금속 심은 약 100 마이크로미터의 공칭 두께를 갖는다.
본 발명의 제 2 양태에 따르면,
막 전극 어셈블리;
캐소드 분리 판의 제 1 및 2 상호 반대쪽 가장자리들 사이에서 연장되어 있고 공기 유동로를 제공하는 일련의 주름부를 갖는 상기 캐소드 분리 판;
상기 분리 판과 막 전극 어셈블리 사이에서 막 전극 어셈블리의 주변 가장자리 주위에 유체 시일을 제공하는 가스켓; 및
상기 막 전극 어셈블리의 주변 가장자리에 걸쳐 상기 가스켓과 분리 판 사이에 배치되는 금속 심(shim)을 포함하는 연료 전지 어셈블리가 제공되며,
상기 금속 심은, 이 금속 심에 대한 상기 분리 판의 횡방향 위치를 유지시키기 위해 그 분리 판의 대응 가장자리와 결합하도록 구성되어 있는 하나 이상의 결합 요소를 포함한다.
금속 심이 하나 이상의 상기 결합 요소를 포함하는 것과 관련한 이점은, 조립 중에 부품들이 서로에 대해 움직일 가능성이 줄어든다는 것이다.
상기 금속 심은 분리 판에 별도의 부품으로서 제공될 수 있는데, 이때 금속 심은 상기 막 전극 어셈블리의 확산 층 부분을 둘러싸도록 위치되는 프레임의 형태로 된 별도의 부품으로서 제공된다.
본 발명의 제 3 양태에 따르면, 연료 전지 어셈블리 형성 방법이 제공되는 바, 이 방법은,
막 전극 어셈블리를 제공하는 단계;
캐소드 분리 판의 제 1 및 2 상호 반대쪽 가장자리들 사이에서 연장되어 있고 공기 유동로를 제공하는 일련의 주름부를 갖는 상기 캐소드 분리 판을 제공하는 단계;
상기 막 전극 어셈블리의 확산 층을 둘러싸는 가스켓을 상기 분리 판과 막 전극 어셈블리 사이에 개재하는 단계;
상기 막 전극 어셈블리의 주변 가장자리에 걸쳐 상기 가스켓과 분리 판 사이에 개재되는 금속 심(shim)을 제공하는 단계; 및
상기 막 전극 어셈블리, 캐소드 분리 판, 가스켓 및 금속 심의 두께를 통해 기계적인 압축을 가하여, 막 전극 어셈블리의 주변 가장자리 주위에 유체 시일을 제공하는 단계를 포함하며,
상기 금속 심은 상기 분리 판의 일체적인 일 부분으로서 제공되며, 또한 상기 금속 심은, 상기 분리 판의 주름부에 대해 횡으로 길이 방향으로 연장되어 있고 또한 그 분리 판의 제 1 및 2 상호 반대쪽 가장자리를 따라 각각 연장되어 있는 제 1 및 2 스트립을 포함한다.
본 발명의 제 4 양태에 따르면,
막 전극 어셈블리를 제공하는 단계;
캐소드 분리 판의 제 1 및 2 상호 반대쪽 가장자리들 사이에서 연장되어 있고 공기 유동로를 제공하는 일련의 주름부를 갖는 상기 캐소드 분리 판을 제공하는 단계;
상기 막 전극 어셈블리의 확산 층을 둘러싸는 가스켓을 상기 분리 판과 막 전극 어셈블리 사이에 개재하는 단계;
금속 심을 상기 막 전극 어셈블리의 주변 가장자리에 걸쳐 상기 가스켓과 분리 판 사이에 개재하는 단계 - 상기 금속 심은 이 금속 심에 대한 상기 분리 판의 횡방향 위치를 유지시키기 위해 그 분리 판의 대응 가장자리와 결합하도록 구성되어 있는 하나 이상의 결합 요소를 포함함 -; 및
상기 막 전극 어셈블리, 캐소드 분리 판, 가스켓 및 금속 심의 두께를 통해 기계적인 압축을 가하여, 막 전극 어셈블리의 주변 가장자리 주위에 유체 시일을 제공하는 단계를 포함하는, 연료 전지 어셈블리 형성 방법이 제공된다.
본 발명의 제 5 양태에 따르면, 제 1 및 2 상호 반대쪽 면과 제 1 및 2 상호 반대쪽 가장자리를 갖는 연료 전지 분리 판이 제공되는데, 이 분리 판은, 상기 제 1 및 2 상호 반대쪽 가장자리들 사이에서 연장되어 있고 공기 유동로를 제공하는 일련의 주름부를 가지며, 또한 상기 분리 판은 상기 일련의 주름부에 대해 횡으로 길이 방향으로 연장되어 있고 또한 그 분리 판의 제 1 및 2 상호 반대쪽 가장자리를 따라 각각 연장되어 있는 제 1 및 2 스트립을 포함한다.
본 발명의 제 5 양태에 따른 분리 판은, 캐소드 공기 유동로 및 연료 전지를 가로지르는 개선된 지지를 제공하기 위한 심 부품을 하나의 부품으로 제공하여 조립 단계의 수를 줄일 수 있다는 이점을 갖는다.
본 발명의 제 6 양태에 따르면,
제 1 및 2 상호 반대쪽 가장자리와 제 3 및 4 상호 반대쪽 가장자리를 갖는 금속 판을 제공하는 단계;
상기 금속 판을 절단하여, 상기 제 1 및 2 상호 반대쪽 가장자리를 따라 길이 방향으로 연장되는 제 1 및 2 스트립을 형성하는 단계;
상기 금속 판에 일련의 주름을 가하여, 상기 판의 제 1 및 2 상호 반대쪽 가장자리 사이에서 공기 유동로를 제공하는 주름 영역을 형성하는 단계; 및
상기 제 1 및 2 스트립을 접어, 상기 각각의 제 1 및 2 상호 반대쪽 가장자리를 따라 상기 제 2 면에 있는 주름 영역의 가장자리 부분을 덮는 단계를 포함하는 연료 전지 분리판 형성 방법이 제공된다.
상기 연료 전지 분리 판 형성 방법의 이점은, 그렇지 않으면 별도의 심에 의해 제공되는 하중 분산 요소가 판의 제작 공정 중에 형성되는 주름형 판의 일체적인 부분으로서 제공될 수 있다는 것이다.
바람직하게는 상기 제 1 및 2 스트립은 상기 판의 각각의 제 1 및 2 가장자리를 따라 그 판의 제 3 가장자리 쪽으로 상기 판에 부착되어 유지된다. 상기 판을 절단하는 단계는, 바람직하게는 그 판의 제 1 및 2 가장자리와 실질적으로 평행한 제 1 및 2 절단선을 따라 판의 제 4 가장자리로부터 판을 제 3 가장자리 쪽으로 절단하는 것을 포함한다. 바람직하게는 제 1 및 2 절단선은 완전히 상기 판의 제 3 가장자리까지 연장되어 있지는 않다. 상기 제 1 및 2 스트립을 접는 단계는, 상기 제 1 및 2 절단선과 상기 판의 제 3 가장자리 사이에서 제 1 및 2 접음선을 형성하는 것을 포함하고, 그 제 1 및 2 접음선은 상기 판의 제 1 및 2 가장자리와 실질적으로 평행하다.
예컨대 상기 제 1 및 2 스트립을 접는 단계 후에 상기 판의 제 2 면의 상호 반대쪽 부분들 사이에 결합을 형성하여 상기 제 1 및 2 스트립이 상기 판의 제 4 가장자리 쪽으로 그 판에 부착될 수 있다.
이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 양태 및 실시 형태를 예시적으로 더 자세히 설명하도록 한다.
도 1 은 일 예시적인 연료 전지 어셈블리의 분해 사시도이다.
도 2 는 주름형 캐소드 분리 판의 가장자리 부분의 상세 사시도이다.
도 3 은 조립 후에 있는 도 1 의 연료 전지의 가장자리 부분의 상세 단면 사시도이다.
도 4 는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 일 예시적인 연료 전지 어셈블리의 분해 사시도이다.
도 5 는 조립 후에 있는 도 4 의 연료 전지 어셈블리의 가장자리 부분의 상세 단면 사시도이다.
도 6 은 조립 후에 있는 도 4 의 연료 전지의 일 부분의 상세 사시도이다.
도 7 은 본 발명의 다른 실시 형태에 따른 일 예시적인 연료 전지 어셈블리의 분해 사시도이다.
도 8 은 도 7 의 연료 전지 어셈블리의 주름형 분리 판의 사시도이다.
도 9 는 주름 형성 공정 후 및 접기 및 결합 공정 전에 있는 도 8 의 주름형 분리 판의 사시도이다.
도 10 은 본 발명의 일 양태에 따른 일 예시적인 방법을 도시하는 흐름도이다.
도 1 에는 예시적인 연료 전지 어셈블리(100)가 도시되어 있디. 이 연료 전지 어셈블리(100)는, 애노드판(101), 애노드측 확산 층(102), 애노드 가스켓(103), 막 전극 어셈블리(MEA)(104), 캐소드 가스켓(105), 캐소드측 확산 층(106), 주름형 캐소드 분리 판(108) 및 전지의 애노드측에 연료를 공급하기 위한 한쌍의 매니폴드 가스켓(109a, 109b)을 순차적으로 포함한다.
도 2 는 도 1 의 연료 전지 어셈블리(100)에 사용되는 예시적인 주름형 캐소드 분리 판(108)의 일반적인 형태를 도시하는데, 상기 분리 판(108)은 서로 반대쪽에 있는 제 1 및 2 면(204, 205)을 갖는다. 상기 분리 판(108)은, 서로 반대쪽에 있는 그 분리 판의 제 1 및 2 가장자리(이들 중 제 1 가장자리(207)가 도 2 에 도시되어 있음) 사이에서 연장되어 있고 공기 유동로(202)를 제공하는 일련의 주름부(201)를 갖는다. 분리 판(108)에 있는 각각의 주름부(201)는 분리 판(108)의 제 1 면(204)에 있는 능부(213; crest) 및 분리 판(108)의 반대쪽 제 2 면(205)에 있는 능부(214)를 갖고 있다. 분리 판(108)의 제 2 반대쪽 가장자리는 일반적으로 동일하거나 유사한 형태를 갖는다. 제 1 면(204)과 제 2 면(205) 에서 능부(213) 사이에 형성되어 있는 공기 유동로(202)는 MEA(104)의 캐소드측에 산화제를 제공하기 위해 분리 판과 전지 어셈블리의 하측 확산 층(106) 사이에서 공기가 분리 판을 따라 지나가도록 해주는 통로를 제공한다. 제 2 면과 제 1 면(204)에 있는 능부(214) 사이에 형성되어 있는 다른 공기 유동로(206)에 의해, 공기가 분리 판(108)과 인접 전지 사이에서 그 분리 판(108)을 따라 지나가면서 냉각을 제공하게 된다.
상기 주름형 캐소드 분리 판(108)은 가스켓(105)과 밑의 MEA(104)에 대한 간헐적인 지지만 제공한다. 분리 판(108)이 하측 가스켓(105)과 접촉하지 않는 영역, 즉 분리 판(108)을 통과하는 공기 유동로(202)가 제공되어 있는 영역에서는, 분리 판(108)이 이 분리 판의 제 2 면에 있는 주름부의 능부를 따르는 직접적인 접촉을 제공하는 곳 만큼 많은 압축 압력을 가스켓(105)이 받지 않는다. 이렇게 압력이 감소되는 결과, 하측 가스켓(103, 105)은 인접 층으로부터 부분적으로 분리될 수 있다. 이 결과, 어떤 경우에는 누설이 생길 수 있다.
주름형 분리 판(108)으로부터의 간헐적인 지지의 효과를 예시한 것이 도 3 에 나타나 있는데, 이는 두 강성 판(301, 302)의 상호 대향 면 사이에 결합되어 유지되는 단일 연료 전지 어셈블리의 유한 요소 분석으로 얻어진 출력 결과를 개략적으로 나타낸 것이다. 연료 전지 어셈블리의 가장자리 영역(310)의 확대도에서 보는 바와 같이, 가스켓(105)의 가요성으로 인해 MEA(104)의 부분 가스켓 영역(303)과 애노드측 가스켓(103) 사이에는 틈(305)이 형성된다. 부분 가스켓 영역(303)은 또한 캐소드측 확산 층(106)의 변형을 야기하는데, 이 변형은 캐소드 분리 판(108)에 의해 억제되지 못한다. 이 경우, 결과적으로 생긴 틈(305)은 거의 연료 전지 어셈블리의 가장자리(306)까지 이르게 되며, 그 결과 전지의 애노드측에서 연료 가스(즉, 수소)가 누설될 위험이 생기게 된다.
도 4 는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 연료 전지 어셈블리(200)를 도시한다. 이 어셈블리(200)의 구성품들은, 별도의 금속 심(shim)(107)이 추가된 것 외에는, 도 1 에 도시되어 있는 전술한 것들과 동일하다. 그 금속 심(107)은 MEA(104)의 둘레 가장자리에 걸쳐 캐소드측 가스켓(105)과 캐소드 분리 판(108) 사이에 개재되는데, 즉 도 3 에 도시되어 있는 MEA 부분 가스켓(303)의 외측 부분과 합치된다.
금속 심(107)은, 분리 판(108)에 있는 일련의 주름부를 가로질러 연장되어 있고 또한 길이 방향으로 연장되어 있는 제 1 및 2 스트립(401, 402)을 갖는 프레임의 형태로 되어 있다. 제 1 및 2 스트립(401, 402)은 분리 판(108)의 각각의 제 1 및 2 가장자리(207, 208)를 따라 연장되어 있는데, 그래서, 연료 전지가 조립될 때, 스트립(401, 402)은 분리 판(108)의 제 2 면을 가로질러 주름부의 능부(214)들에 걸치게 된다.
도 5 는, 도 3 에 나타나 있는 것과 유사하지만 애노드 가스켓(105)과 캐소드 분리 판(108) 사이에 있는 금속 심(107)을 포함하는 단일 연료 전지 어셈블리의 유한 요소 해석으로 얻어진 출력 결과를 개략적으로 도시한 것이다. 도 3 의 연료 전지와는 다르게, 금속 심(107)을 사용하면, MEA 부분 가스켓(303)과 애노드 가스케(103) 사이의 틈(305)이 상당히 감소되어 전지에서 애노드 가스가 누설될 가능성이 줄어든다. 이는, 상기 금속 심이 캐소드 가스켓 재료와 비교하여 증가된 인장 강도를 갖기 때문인데, 그 캐소드 가스켓 재료는 일반적으로 폴리에스테르와 같은 폴리머 재료로 만들어진다. 일 실례로서 스테인레스 강은 약 200 GPa의 인장 강도(영(Young) 계수))를 가질 수 있고, 반면 폴리에스테르는 약 3 GPa의 인장 강도를 가지질 수 있다. 이러한 재료 강도의 증가로 인해(두 크기 오더에 가까움), 분리 판(108)과의 직접적인 접촉이 없는 영역에서 금속 심(107)은 하측 가스켓 재료(103)의 어떠한 외향 움직임이라도 효과적으로 저지할 수 있다.
일부 실시 형태에서, 도 5 에 나타나 있는 캐소드 가스켓(105)은 생략될 수 있으며, 심(107)과 MEA 사이의 가스켓은 순전히 MEA의 부분 가스켓 영역(303)에 의해 제공된다. 대안적으로, MEA와 대면하는 심(107)의 면에 가스켓 재료가 제공될 수 있다. 상기 주름형 분리 판이 개방형 캐소드 연료 전지 어셈블리의 일 부분으로서 사용되기 때문에, 연료 전지의 캐소드측에 유체 시일은 필요 없다. 두께를 통해 기계적인 압축을 가할 때 형성되는 중요한 유체 시일은 대신에 애노드측에 있게 되는데, 이러한 유체 시일은 애노드 가스가 전지 밖으로 누설되는 것을 방지한다.
도 6 은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 조립된 연료 전지(200)의 일 부분에 대한 사시도를 나타낸다. 주름형 판(108)의 가장자리(602)와 결합되는 결합 요소(601)가 금속 심(107)에 제공된다. 결합 요소(601)는 판(108)의 가장자리(602)를 심(107)에 대해 유지시키고 또한 제 1 및 2 가장자리(207, 208)에 평행한 방향으로 판(108)이 심(107)에 대해 옆으로 움직이는 것을 방지한다. 심(107)의 반대측에는, 판(108)의 반대쪽 가장자리와 결합하는 대응 결합 요소(도 6 에는 미도시)가 제공될 수도 있다. 나타나 있는 실시 형태에서, 결합 요소(601)는, 판(108)의 제 1 및 2 상호 반대쪽 면들이 가장자리(602)를 따라 결합 요소(601)에 의해 유지되도록 심(107)의 면 밖으로 굽혀져 있는 심의 일 부분을 포함한다. 결합 요소(601)는 심의 내주를 따라 연장되어 있는 복수의 그러한 부분을 포함할 수 있으며, 굽혀진 부분은 판(108)의 가장자리(602)를 따라 제 1 또는 2 상호 반대쪽 표면과 결합하게 된다.
다른 실시 형태에서, 판(108)과 금속 심은 예컨대 점 용접 또는 접착제 결합에 의해 서로에 결합될 수 있다. 부분들을 결합하는 것과 관련한 이점은, 심과 판이 연료 전지 적층체의 조립 중에 단일품으로 취급될 수 있어 공정 단계의 수를 줄일 수 있다는 것이다.
도 7 은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 연료 전지 어셈블리(700)를 도시하는데, 이는 전술한 것과는 다른 형태의 분리 판(708)을 갖는다. 이 실시 형태에서, 금속 심은 분리 판의 일체적인 일 부분으로서 제공되며, 분리 판의 주름부에 대해 횡으로 길이 방향으로 연장되어 있고 또한 그 분리 판의 제 1 및 2 상호 반대쪽 가장자리를 따라 각각 연장되어 있는 제 1 및 2 스트립을 포함한다. 연료 전지의 다른 구성 요소는 다른 실시 형태와 관련하여 전술한 것과 같으며, 이를 나타내기 위해 도 7 에서 공통적인 참조 번호가 제공되어 있다.
도 7 의 실시 형태에서, 어셈블리(700)에는 애노드측 가스켓(103)만 제공되어 있다. 캐소드측 가스켓은 분리 판(708)과 MEA(104)의 부분 가스켓 영역의 조합으로 제공된다.
도 8 및 9 에는 분리 판(708)만 나타나 있다. 도 8 은 마무리된 형태의 판(708)을 도시하고, 도 9 는 부분적으로 형성된 상태에 있는 판(708)을 나타낸다. 판(708)은 전술한 실시 형태의 주름형 분리 판(108)의 모든 특징들을 포함하지만, 길이 방향으로 연장되어 있는 제 1 및 2 스트립(701, 702)의 추가적인 특징도 가지며, 이들 스트립은 판(708)의 제 1 및 2 상호 반대쪽 가장자리(703, 704)를 따라 연장되어 있다. 스트립(701, 702)은 평면형 공급 재료 판을 제 1 및 2 절단선(901, 902)(도 9)을 따라 절단하여 형성된다. 절단선(901, 902)은 판(708)의 기본 형상을 형성하기 위한 스탬핑 작업으로 형성될 수 있다. 판(708)을 형성하기 위한 일련의 작업들이 도 10 에 개략적으로 도시되어 있는데, 평면형 공급 재료 판을 제공하는 것(단계 1001)부터 시작된다.
절단 작업(단계 1002) 후에, 예컨대 판(708)을 한쌍의 기어 치형 롤러들에 통과시켜 그 판의 중심부를 주름진 형태로 만든다(단계 1003). 대안적으로, 판(708)은 주름을 형성하는 다른 스탬핑 작업을 받을 수도 있다. 어떤 실시 형태에서, 절단 및 스탬핑 작업은 단일 단계로 가능할 수 있는데, 이러한 경우에는, 판의 재료로서, 주름부의 능부 사이에서의 어느 정도의 인발 및 이에 따른 재료의 박화(thinning)를 견딜 수 있는 재료가 필요할 수 있다.
절단 및 주름 형성 공정 후에, 스트립(701, 702)은 판(708)의 제 1 및 2 가장자리(703, 704)를 따라 주름부의 능부를 덮고 또한 판(708)의 제 3 및 4 상호 반대쪽 가장자리(705, 706) 사이에서 연장되어 있도록 위로 접히게 된다(단계 1004). 판(708)의 제 1 및 2 절단선(901, 902)과 제 3 가장자리(705) 사이에 연장되어 있는 제 1 및 2 접음선(903, 904)이 도 9 에서 판(708)에 나타나 있으며, 이 제 1 및 2 접음선(903, 904)은 판의 제 1 및 2 가장자리(703, 704)와 평행하다.
최종 작업(단계 1005)으로서, 판(708)의 제 4 가장자리(706) 쪽의 지점에서 스트립(701, 702)의 자유 단부를 판(708)에 결합시켜 결합 영역(711)(도 8)을 형성하는 최종 작업(단계 1005)가 포함될 수 있으며, 그 결합 영역은 스트립(701, 702)이 판(708)의 주름부에 대해 옆으로 움직이는 것을 방지한다.
다른 실시 형태도 첨부된 청구 범위에 규정되어 있는 바와 같은 본 발명의 범위에 속한다.

Claims (19)

  1. 연료 전지 어셈블리로서,
    막 전극 어셈블리;
    캐소드 분리 판의 제 1 및 2 상호 반대쪽 가장자리들 사이에서 연장되어 있고 공기 유동로를 제공하는 일련의 주름부를 갖는 상기 캐소드 분리 판;
    상기 분리 판과 막 전극 어셈블리 사이에서 막 전극 어셈블리의 주변 가장자리 주위에 유체 시일을 제공하는 가스켓; 및
    상기 막 전극 어셈블리의 주변 가장자리에 걸쳐 상기 가스켓과 분리 판 사이에 배치되는 금속 심(shim)을 포함하며,
    상기 금속 심은 상기 분리 판의 일체적인 일 부분으로서 제공되며, 또한 상기 금속 심은, 상기 분리 판의 주름부를 가로질러 연장되어 있고 또한 그 분리 판의 제 1 및 2 상호 반대쪽 가장자리를 따라 각각 길이 방향으로 연장되어 있는 제 1 및 2 스트립을 포함하는 연료 전지 어셈블리.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 금속 심은 스테인레스 강으로 되어 있는 연료 전지 어셈블리.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 금속 심은 50 ∼ 150 마이크로미터의 두께를 갖는 연료 전지 어셈블리.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 금속 심은 100 마이크로미터의 공칭 두께를 갖는 연료 전지 어셈블리.
  5. 연료 전지 어셈블리로서,
    막 전극 어셈블리;
    캐소드 분리 판의 제 1 및 2 상호 반대쪽 가장자리들 사이에서 연장되어 있고 공기 유동로를 제공하는 일련의 주름부를 갖는 상기 캐소드 분리 판;
    상기 분리 판과 막 전극 어셈블리 사이에서 막 전극 어셈블리의 주변 가장자리 주위에 유체 시일을 제공하는 가스켓; 및
    상기 막 전극 어셈블리의 주변 가장자리에 걸쳐 상기 가스켓과 분리 판 사이에 배치되는 금속 심(shim)을 포함하며,
    상기 금속 심은, 이 금속 심에 대한 상기 분리 판의 위치를 유지시키기 위해 그 분리 판의 대응 가장자리와 결합하도록 구성되어 있는 하나 이상의 결합 요소를 포함하는 연료 전지 어셈블리.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 금속 심은 상기 막 전극 어셈블리의 확산 층 부분을 둘러싸도록 위치되는 프레임의 형태로 된 별도의 부품으로서 제공되는 연료 전지 어셈블리.
  7. 연료 전지 어셈블리 형성 방법으로서,
    막 전극 어셈블리를 제공하는 단계;
    캐소드 분리 판의 제 1 및 2 상호 반대쪽 가장자리들 사이에서 연장되어 있고 공기 유동로를 제공하는 일련의 주름부를 갖는 상기 캐소드 분리 판을 제공하는 단계;
    상기 막 전극 어셈블리의 확산 층을 둘러싸는 가스켓을 상기 분리 판과 막 전극 어셈블리 사이에 개재하는 단계;
    상기 막 전극 어셈블리의 주변 가장자리에 걸쳐 상기 가스켓과 분리 판 사이에 개재되는 금속 심(shim)을 제공하는 단계; 및
    상기 막 전극 어셈블리, 캐소드 분리 판, 가스켓 및 금속 심의 두께를 통해 기계적인 압축을 가하여, 막 전극 어셈블리의 주변 가장자리 주위에 유체 시일을 제공하는 단계를 포함하며,
    상기 금속 심은 상기 분리 판의 일체적인 일 부분으로서 제공되며, 또한 상기 금속 심은, 상기 분리 판의 주름부를 가로질러 연장되어 있고 또한 그 분리 판의 제 1 및 2 상호 반대쪽 가장자리를 따라 각각 길이 방향으로 연장되어 있는 제 1 및 2 스트립을 포함하는, 연료 전지 어셈블리 형성 방법.
  8. 연료 전지 어셈블리 형성 방법으로서,
    막 전극 어셈블리를 제공하는 단계;
    캐소드 분리 판의 제 1 및 2 상호 반대쪽 가장자리들 사이에서 연장되어 있고 공기 유동로를 제공하는 일련의 주름부를 갖는 상기 캐소드 분리 판을 제공하는 단계;
    상기 막 전극 어셈블리의 확산 층을 둘러싸는 가스켓을 상기 분리 판과 막 전극 어셈블리 사이에 개재하는 단계;
    금속 심을 상기 막 전극 어셈블리의 주변 가장자리에 걸쳐 상기 가스켓과 분리 판 사이에 개재하는 단계 - 상기 금속 심은 이 금속 심에 대한 상기 분리 판의 위치를 유지시키기 위해 그 분리 판의 대응 가장자리와 결합하도록 구성되어 있는 하나 이상의 결합 요소를 포함함 -; 및
    상기 막 전극 어셈블리, 캐소드 분리 판, 가스켓 및 금속 심의 두께를 통해 기계적인 압축을 가하여, 막 전극 어셈블리의 주변 가장자리 주위에 유체 시일을 제공하는 단계를 포함하는, 연료 전지 어셈블리 형성 방법
  9. 제 1 및 2 상호 반대쪽 면과 제 1 및 2 상호 반대쪽 가장자리를 갖는 연료 전지 분리 판으로서, 이 분리 판은, 상기 제 1 및 2 상호 반대쪽 가장자리들 사이에서 연장되어 있고 공기 유동로를 제공하는 일련의 주름부를 가지며, 또한 상기 분리 판은 상기 일련의 주름부를 가로질러 연장되어 있고 또한 그 분리 판의 제 1 및 2 상호 반대쪽 가장자리를 따라 각각 길이 방향으로 연장되어 있는 제 1 및 2 스트립을 포함하는 연료 전지 분리판.
  10. 연료 전지 분리판 형성 방법으로서,
    제 1 및 2 상호 반대쪽 가장자리와 제 3 및 4 상호 반대쪽 가장자리를 갖는 금속 판을 제공하는 단계;
    상기 금속 판을 절단하여, 상기 제 1 및 2 상호 반대쪽 가장자리를 따라 길이 방향으로 연장되는 제 1 및 2 스트립을 형성하는 단계;
    상기 금속 판에 일련의 주름을 가하여, 상기 판의 제 1 및 2 상호 반대쪽 가장자리 사이에서 공기 유동로를 제공하는 주름 영역을 형성하는 단계; 및
    상기 제 1 및 2 스트립을 접어, 상기 각각의 제 1 및 2 상호 반대쪽 가장자리를 따라 제 2 면에 있는 주름 영역의 가장자리 부분을 덮는 단계를 포함하는 연료 전지 분리판 형성 방법.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 제 1 및 2 스트립은 상기 판의 각각의 제 1 및 2 가장자리를 따라 그 판의 제 3 가장자리 쪽으로 상기 판에 부착되어 유지되는 방법.
  12. 제 10 항 또는 제 11 항에 있어서,
    상기 판을 절단하는 단계는, 그 판의 제 1 및 2 가장자리와 평행한 제 1 및 2 절단선을 따라 판의 제 4 가장자리로부터 판을 제 3 가장자리 쪽으로 절단하는 것을 포함하는 방법.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 제 1 및 2 절단선은 부분적으로 상기 판의 제 3 가장자리 쪽으로 연장되어 있는 방법.
  14. 제 10 항에 있어서,
    상기 제 1 및 2 스트립을 접는 단계는, 제 1 및 2 절단선과 상기 판의 제 3 가장자리 사이에서 제 1 및 2 접음선을 형성하는 것을 포함하고, 그 제 1 및 2 접음선은 상기 판의 제 1 및 2 가장자리와 평행한 방법.
  15. 제 11 항에 있어서,
    상기 제 1 및 2 스트립을 접는 단계 후에 상기 판의 제 2 면의 상호 반대쪽 부분들 사이에 결합을 형성하여 상기 제 1 및 2 스트립이 상기 판의 제 4 가장자리 쪽으로 그 판에 부착되는 방법.
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