KR20050039641A

KR20050039641A - 연료전지 세퍼레이터용 금형, 연료전지 세퍼레이터의제조방법, 연료전지 세퍼레이터, 연료전지 세퍼레이터의제조장치, 및 연료전지

Info

Publication number: KR20050039641A
Application number: KR1020040084756A
Authority: KR
Inventors: 오하라히데오; 무라카미히카루; 미요시마사아키; 하토가즈히토; 도미자와다케시
Original assignee: 마쯔시다덴기산교 가부시키가이샤
Priority date: 2003-10-24
Filing date: 2004-10-22
Publication date: 2005-04-29
Also published as: EP1526594A2; EP1526594A3; JP2005150104A; CA2485797A1; JP4237128B2; US20090068526A1; KR100649801B1; CN1624953A; US7501199B2; CA2485797C; US20050089598A1; US7704623B2

Abstract

사출성형에 의해서 작성되는 세퍼레이터판으로서는, 열전도성의 높이나 유동성이 낮기 때문에, 안정된 치수, 가스기밀성, 저항치의 저감, 기계적 강도의 확보가 곤란하였다. 연료전지 세퍼레이터를 성형하는 연료전지 세퍼레이터용 금형에 있어서, 전해질의 양면에 배치된 한 쌍의 전극의 한쪽에 산화제가스를 공급하기 위한 산화제가스 유로(13), 또는 한 쌍의 전극의 다른 쪽에 연료가스를 공급하기 위한 연료가스 유로(11), 또는 냉각을 하기 위한 냉각수 유로(4)를 성형하기 위한 제 1 유로성형부(22, 23)와, 제 1 유로성형부(22, 23) 또는 그 근방의 적어도 1개소에 설치되는 사출성형재 주입게이트(21)를 구비한, 연료전지 세퍼레이터용 금형이다.

Description

연료전지 세퍼레이터용 금형, 연료전지 세퍼레이터의 제조방법, 연료전지 세퍼레이터, 연료전지 세퍼레이터의 제조장치, 및 연료전지{MOLD FOR FUEL CELL SEPARATOR, METHOD OF PRODUCING FUEL CELL SEPARATOR, FUEL CELL SEPARATOR, APPARATUS OF PRODUCTING FUEL CELL SEPARATOR AND FUEL CELL}

본 발명은, 포터블전원, 전기자동차용 전원, 가정내 코제너레이션시스템 등에 사용하는 연료전지 세퍼레이터, 연료전지, 연료전지 세퍼레이터의 제조방법, 연료전지 세퍼레이터의 제조장치 및 그 제조에 사용하는 금형에 관한 것이다.

고체고분자 전해질을 사용한 연료전지는, 수소를 함유하는 연료가스와, 공기 등의 산소를 함유하는 연료가스를, 전기화학적으로 반응시킴으로써, 전력과 열을 동시에 발생시키는 것이다. 그 구조는, 이하와 같다.

우선, 수소이온을 선택적으로 수송하는 고분자 전해질막의 양면에, 백금계의 금속촉매를 담지한 카본분말을 주성분으로 하는 촉매반응층을 형성한다.

다음에, 이 촉매반응층의 바깥면에, 연료가스의 통기성과, 전자도전성을 함께 가진 확산층을 형성하여, 이 확산층과 촉매반응층을 합하여 전극으로 한다. 이 고분자전해질막과 전극을 합하여, MEA(전극전해질막 접합체)라고 한다.

다음에, 공급하는 연료가스가 MEA로부터 외부로 누출하거나, 2종류의 연료가스가 서로 혼합하지 않도록, 전극의 주위에는 고분자 전해질막을 끼워 가스시일재나 가스켓을 배치한다. 이 시일재나 가스켓은, 전극 및 고분자전해질막과 일체화하여 미리 조립한다. 이렇게 해서 일체화하여 조립된 것을, MESA(전극전해질막 시일재 접합체)라고 한다.

이 MESA의 바깥쪽에는, 세퍼레이터판이 배치된다. 이 세퍼레이터판은, MESA를 기계적으로 고정함과 동시에, 인접한 MEA를 서로 전기적으로 직렬로 접속하기 위해서 사용된다. 세퍼레이터판의 MEA와 접촉하는 부분에는, 가스유로가 형성된다. 이 가스유로는, 전극면에 반응가스를 공급하고, 생성가스나 잉여가스나 반응에 의해서 발생한 생성된 물을 운반하기 위한 것이다. 가스유로는 세퍼레이터판과 별도로 설치할 수도 있지만, 세퍼레이터의 표면에 홈을 형성하여 가스유로로 하는 방식이 일반적이다.

이 세퍼레이터의 표면에 형성된 홈에 연료가스를 공급하기 위해서는, 배관기구가 필요하다. 즉, 이 배관기구는, 연료가스를 공급하는 배관을, 사용하는 세퍼레이터의 매수로 분기하여, 그 분기되는 끝을 직접 세퍼레이터상의 홈에 연결하여 넣은 것이다. 이 배관기구를 매니폴드라고 한다. 그리고, 상기와 같은 연료가스의 공급배관으로부터 직접 세퍼레이터상의 홈에 연결하여 넣는 타입을 외부 매니폴드라고 한다. 또한, 이 매니폴드에는, 구조를 보다 간단하게 한 내부 매니폴드라고 하는 형식의 것이 있다. 내부 매니폴드란, 가스유로가 형성된 세퍼레이터판에 관통한 구멍을 형성하여, 가스유로의 출입구를 이 구멍까지 통과시켜, 이 구멍으로부터 직접 연료가스를 공급하는 것이다.

연료전지는 운전 중에 발열하기 때문에, 연료전지를 양호한 온도상태로 유지하기 위해서는, 연료전지를 냉각수 등으로 냉각해야 한다. 통상, 연료전지의 1∼3셀마다 냉각수를 흐르게 하는 냉각부를 세퍼레이터와 세퍼레이터의 사이에 삽입한다. 이 때, 세퍼레이터의 배면에 냉각수 유로를 설치하여 냉각부로 하는 경우가 많다. 이들 MEA와 세퍼레이터 및 냉각부를 교대로 겹쳐 나가며, 10∼200셀 적층한다. 그 후, 집전판과 절연판을 통해 끝단판에서, MEA와 세퍼레이터 및 냉각부를 적층한 것을 끼우고, 체결볼트로 양 끝단으로부터 고정하는 것이 일반적인 적층전지의 구조이다.

이러한 고체고분자전해질형의 연료전지에서는, 세퍼레이터는 이하의 (1)∼(5)와 같은 특성을 가진 것이 필요하다. 즉, (1) 세퍼레이터는 도전성이 높고, 또한, (2) 세퍼레이터는 기밀성이 높고, 더욱이 (3) 세퍼레이터는, 수소/산소를 산화·환원할 때의 반응에 대하여 높은 내식성을 가질 필요가 있다. 덧붙여, (4) 세퍼레이터는, 적어도 100℃까지의 내열성도 필요하다. 그 이유는, 전지운전온도가 일반적으로는 약 100℃ 이하의 영역에서 운전되기 때문이다. 더욱이 (5) 세퍼레이터는, 기계적 강도도 필요하다. 그 이유는, MEA와 세퍼레이터의 사이에는 접촉저항을 내리기 위해서, 적어도 수 kgf/cm²이상의 면압을 발생시켜 체결해야 하기 때문이다.

세퍼레이터는, 상기 (1)∼(5) 등의 특성을 가질 필요가 있으므로, 종래의 세퍼레이터는, 통상 그래쉬카본이나 팽창흑연 등의 카본재료로 구성되어 있었다. 또한, 종래의 세퍼레이터의 가스유로도, 세퍼레이터의 표면을 절삭함으로써 제작하거나, 또한 세퍼레이터가 팽창흑연에 의해 구성되어 있는 경우에는, 가스유로를 형틀에 의한 성형으로 제작하고 있었다.

또한, 최근에는 세퍼레이터의 저비용화를 위해 흑연에 수지를 혼합한 것을 형틀에 넣어 압축성형에 의해서 제작한 세퍼레이터도 사용되고 있다.

또한, 근래에는, 흑연과 수지가 혼합된 것을 사출성형에 의해 제작하는 시도가 이루어지고 있다(예를 들면, 일본 특허공개공보 평11-339823호 참조). 이러한 수법에 의해, 제조 택트 타임을 내려 한층 더 저비용화가 가능해지기 때문이다. 이 수법이 가능하게 되면, 세퍼레이터 제작을 위한 제조설비가 압축성형에 비교하여 간편한 접속설비가 된다.

또한, 일본 특허공개공보 평11-339823호의 문헌의 모든 내용은, 그대로 인용(참조)함으로써, 여기에 일체화한다.

세퍼레이터를 사출성형에 의해서 제작하는 방법은, 우선, 세퍼레이터의 재료로서 흑연과 열가소성 수지를 혼합한 혼합물을 사용한다. 다음에, 이 혼합물을 사출성형기에서 용융·혼련한다. 그리고, 사출성형기로부터 금형내로 용융·혼련한 것을 사출하여, 세퍼레이터를 성형한다. 이러한 방법이 제안되어 있다.

여기서, 세퍼레이터에는 높은 전자도전성이 필요하기 때문에, 혼합물내의 도전성 필러 비율을 높여 나가는 수법이 취해지고 있다. 그리고, 혼합물내의 도전성 필러의 비율을 높여 나가면, 혼합물의 열전도율이 높아지고, 또한 사출성형기로 사출할 때의 용융한 혼합물의 유동성도 낮아진다. 이 때문에, 성형성이 극단적으로 악화한다. 따라서, 충전불량, 웰드부의 강도부족 등의 과제가 생기게 된다.

또, 종래 절삭이나 압축성형에 의해 제작되어 있던 세퍼레이터를 사출성형으로 성형할 때에는, 이하의 수법 및 대진에 의해서 이루어지고 있었다. 즉, 수법이란, 세퍼레이터를 성형할 때, 사출용 재료를 세퍼레이터용 금형의 주변으로부터 필름 게이트 등으로 충전하는 수법이 행하여지고 있었다. 또한, 그 대진이란, 특히 세퍼레이터의 MEA와 접하는 유로부분의 형상은, 세퍼레이터를 절삭 등으로 제작한 경우의 형상과 거의 동일한 형상을 만드는 대진이 이루어지고 있었다.

그 때문에, 세퍼레이터를 사출성형으로 제작할 때에는, 특히 세퍼레이터가 복잡한 유로부위 등에서는, 세퍼레이터용 금형에 재료의 충전이 나쁘고, 세퍼레이터용 금형에 충전된 재료의 균일성이 결여되어 있었다. 또한, 세퍼레이터의 재료는, 열전도율이 높고 경화가 빠르기 때문에, 세퍼레이터용 금형 내에서 웰드부가 생기기 쉽다. 따라서, 세퍼레이터의 유로주변부에 배치되는 매니폴드부는, 그 강도가 저하하고, 또한 기밀성도 저하하는 등의 문제도 있었다. 이와 같이, 세퍼레이터를 사출성형으로 제작한 경우에는, 연료전지의 성능이 희생된다고 하는 과제가 있었다. 또한, 세퍼레이터용 금형에 충전된 재료의 유동성을 개선하기 위해서는, 세퍼레이터 유로형상을 제약하거나, 사출성형시의 성형성이 낮은 것을 보충하기 위해서 세퍼레이터의 두께를 두껍게 해야만 한다. 그러나, 이러한 개선으로는, 전지성능의 저하나, 스택치수의 대형화를 초래하는 현안이 있었다.

본 발명의 목적은, 안정된 치수, 가스 기밀성, 저항치의 저감, 또는 기계적 강도의 확보를 확실하게 할 수 있는 연료전지 세퍼레이터용 금형, 연료전지 세퍼레이터, 그 제조방법, 그 제조장치 및 고분자 전해질형 연료전지를 제공하는 것이다.

또한, 본 발명의 목적은, 신뢰성의 향상, 전지성능의 향상, 또는 대량생산시의 대폭적인 비용저감을 도모하는 것이 가능한 연료전지 세퍼레이터용 금형, 연료전지 세퍼레이터, 그 제조방법, 그 제조방법 및 고분자 전해질형 연료전지를 제공하는 것이다.

상술한 과제를 해결하기 위해서, 본원의 제 1 발명은, 연료전지 세퍼레이터를 성형하는 연료전지 세퍼레이터용 금형에 있어서,

전해질의 양면에 배치된 한 쌍의 전극의 한쪽에 산화제 가스를 공급하기 위한 산화제가스 유로, 또는 상기 한 쌍의 전극의 다른 쪽에 연료가스를 공급하기 위한 연료가스 유로, 또는 냉각을 하기 위한 냉각수 유로를 성형하기 위한 제 1 유로성형부(first flow path forming portion)와,

상기 제 1 유로성형부 또는 그 근방의 적어도 1개소에 설치되는 사출성형재 주입게이트(injection gate)를 구비한 연료전지 세퍼레이터용 금형이다.

그 결과, 게이트로부터 주입되는 소재의 점성이 낮고, 용융소재의 주입압력의 전달도 충분하기 때문에, 유로구성부의 성형성을 확보하는 것이 가능하게 되었다. 또한 유로구성부 이외의 부위에 대해서는, 유로구성부에 대하여 형상이 단순하고, 유로구성부를 통과한 소재의 용융상태에서도 충분한 성형성을 얻을 수 있었다.

또한, 본원의 제 2 발명은, 상기 제 1 유로성형부가 형성되어 있지 않은 부위에, 상기 산화제가스 유로, 또는 상기 연료가스 유로, 또는 상기 냉각수 유로 중, 상기 제 1 유로성형부에 의해서 성형되는 유로 이외의 유로를 성형하는 제 2 유로성형부를 적어도 구비한, 제 1의 본 발명의 연료전지 세퍼레이터용 금형이다.

그 결과, 상술한 성형성에 대한 효과를 얻기 위해서 구성한 금형을 사용하였을 때, 연료전지 세퍼레이터에 필요한 각 유로구성을 자유롭게 설계할 수 있고, 세퍼레이터에 필요한 다른 쪽 면에 구성되어야 하는 유로를 금형으로 구성함으로써, 생산성이 풍부한 효율적인 금형이 되었다.

또한, 본원의 제 3 발명은, 상기 제 1 유로성형부는, 복수 개의 평행한 유로홈 볼록부를 가지고 있으며,

상기 사출성형재 주입게이트는, 상기 복수 개의 유로홈 볼록부에 걸쳐 형성되어 있는, 본원 제 1 발명의 연료전지 세퍼레이터용 금형이다.

그 결과, 복수의 볼록부에 걸쳐 재료주입용의 게이트부를 설치함으로써 재료주입용의 개구 면적을 크게 확보할 수 있고, 세퍼레이터 형상에 좌우되지 않는 성형성을 얻는 것이 가능하였다.

또한, 본원 제 4 발명은, 상기 사출성형재 주입게이트는, 상기 복수 개의 유로홈 볼록부에 의해서 성형되는, 연료전지 세퍼레이터의 복수 개의 유로홈의 유통방향이 동일방향이 되는 상기 제 1 유로성형부상에 설치되는, 본원 제 3 발명의 연료전지 세퍼레이터용 금형이다.

그 결과, 유로에 따라서 세퍼레이터 면내를 되접어 흘러야 하는 유체의 흐름을 방해하는 일없이, 전지의 발전성능이나 소정의 압력손실을 확보할 수 있고, 이 세퍼레이터를 사용한 연료전지시스템의 효율을 유지하는 것이 가능하였다.

또한, 본원의 제 5 발명은, 상기 사출성형재 주입게이트는, 상기 제 1 유로성형부에 의해서 성형되는 유로의 입구로부터 출구에 이르는 상기 제 1 유로성형부의 중앙근방에 형성되어 있는, 본원 제 1 발명의 연료전지 세퍼레이터용 금형이다.

그 결과, 성형시에 게이트로부터 세퍼레이터 주변을 향하여 흐르는 재료가 받는 유로저항이 전체 방위에 걸쳐 균일화된다. 그 때문에 세퍼레이터 금형내로의 재료충전이 균질화하여, 성형시간의 단축도 이루어진다. 또한, 전체 방위에 걸쳐 재료가 흐르는 거리가 균질화되기 때문에 충전되는 재료에 대한 방열면적도 균질화된다. 또한, 게이트부가 유로구성부의 중앙근방에 있으므로, 가장 큰 유로저항이 되고 있는 유로구성부에, 가장 흐르기 쉬운 상태(점성이 낮은 상태)에서의 용융재료가 주입되어, 유로구성부 통과시의 유로저항을 내리는 것이 가능하게 된다. 그 결과, 금형내에서의 재료가 받는 성형성{면의 거칠기의 향상, 웰드부(weld portion )의 강도향상, 재료충전성}, 가스빠짐성(breathing properties), 치수정밀도를 향상시키는 것에 바람직하였다. 더욱이, 유로저항이 내려감으로써, 고압성형이 가능한 특수한 성형기가 불필요하게 되어, 설비투자가 내려가고 결과적으로 비용저감의 효과도 나온다. 또한, 고압성형이 가능한 설비가 있는 경우는, 재료압출압력이 동일하면, 유로저항이 내려가고 있기 때문에, 재료충전시간이 줄어들어 성형사이클이 단축되고, 생산성의 향상, 비용저감이 가능하게 된다.

또한, 본원의 제 6 발명은, 상기 사출성형재 주입게이트는, 상기 산화제가스 유로성형부, 또는 상기 냉각수유로 성형부에 설치되는 본원의 제 3 발명의 연료전지 세퍼레이터용 금형이다.

그 결과, 재료주입용 게이트의 구성에 필요한 공간을 확보하기 쉽고, 재료주입용 게이트를 설치하기에 적절하였다.

또한, 본원의 제 7 발명은, 본원의 제 1 발명의 연료전지 세퍼레이터용 금형내에 상기 사출성형재 주입게이트로부터 재료를 주입하여 사출성형을 하는 공정을 구비한, 연료전지 세퍼레이터의 제조방법이다.

그 결과, 금형정밀도를 정밀하게 전사할 수 있고, 치수정밀도를 얻는 것이 가능해진다. 더욱이 세퍼레이터 1장당의 생산시간을 축소할 수 있고, 생산성을 향상시키는 것이 가능해져, 비용삭감과 신뢰성향상과 안정된 전지성능의 유지가 가능해졌다.

또한, 본원의 제 8 발명은, 상기 재료는, 도전성 필러와 바인더 수지와의 혼합물을 포함하고 있는 본원의 제 7 발명의 연료전지 세퍼레이터의 제조방법이다.

그 결과, 높은 전기도전성을 발현시킬 수 있었다. 또한 기계적 강도도 향상시킬 수 있었다. 더욱이 바인더 수지로는, 내열성, 청결성의 관점에서 소재를 고르는 것이 가능하여, 사용온도영역, 연료전지의 용도에 따라서, 바인더 수지를 선정하여 혼합시킨 소재를 사용하는 것이 가능해져, 각각의 용도에 따른 재료를 선정할 수 있기 때문에, 대폭적인 비용저감이 가능하게 되었다.

또한, 본원의 제 9 발명은, 전해질의 양면에 배치된 한 쌍의 전극의 한쪽에 산화제 가스를 공급하기 위한 산화제가스 유로, 또는 상기 한 쌍의 전극의 다른 쪽에 연료가스를 공급하기 위한 연료가스 유로, 또는 냉각을 하기 위한 냉각수 유로가 형성된 유로면과,

상기 유로면상의 상기 유로 또는 그 근방에, 적어도 1개소의 사출성형재 주입게이트 흔적(molding material injection gate mark)이 형성되어 있는 연료전지 세퍼레이터이다.

또한, 본원의 제 10 발명은, 본원의 제 1∼6 발명 중 어느 하나의 연료전지 세퍼레이터용 금형을 사용하여 성형된, 연료전지 세퍼레이터이다.

또한, 본원의 제 11 발명은, 본원의 제 7 또는 8 발명의 연료전지 세퍼레이터의 제조방법에 의해 성형된 연료전지 세퍼레이터이다.

또한, 본원의 제 12 발명은, 전해질막과, 상기 전해질막의 양면에 배치된 한 쌍의 가스확산전극과, 상기 한 쌍의 가스확산전극을 바깥쪽에서 끼우도록 배치된 한 쌍의 세퍼레이터를 가진, 적층된 복수의 단전지를 구비하고,

상기 세퍼레이터는, 본원의 제 9 발명의 연료전지 세퍼레이터인, 연료전지이다.

또한, 본원의 제 13 발명은, 전해질막과, 상기 전해질막의 양면에 배치된 한 쌍의 가스확산전극과, 상기 한 쌍의 가스확산전극을 바깥쪽에서 끼우도록 배치된 한 쌍의 세퍼레이터를 가진, 적층된 복수의 단전지를 구비하고,

상기 세퍼레이터는, 본원의 제 10 발명의 연료전지 세퍼레이터인, 연료전지이다.

또한, 본원의 제 14 발명은, 전해질막과, 상기 전해질막의 양면에 배치된 한 쌍의 가스확산전극과, 상기 한 쌍의 가스확산전극을 바깥쪽에서 끼우도록 배치된 한 쌍의 세퍼레이터를 가진, 적층된 복수의 단전지를 구비하고,

상기 세퍼레이터는, 본원의 제 11 발명의 연료전지 세퍼레이터인 연료전지이다.

이들 세퍼레이터를 사용한 연료전지는, 전기도전성, 기계적 강도, 내열성, 청결성, 부품정밀도가 등방성 흑연을 사용한 절삭 세퍼레이터와 같은 성능을 가지고 있으며, 더구나 등방성 흑연을 사용한 절삭 세퍼레이터보다도 질김성이 있기 때문에 내충격성에 우수하다. 또한 성형에 의한 생산이 가능해지기 때문에, 기계가공이 불필요하여, 대폭적인 비용저감, 생산성의 향상을 얻는 것이 가능해진다.

또한, 본원의 제 15 발명은, 본원의 제 1 발명의 연료전지 세퍼레이터용 금형과,

상기 연료전지 세퍼레이터용 금형의 상기 사출성형재 주입게이트에 사출성형재를 주입하기 위한 노즐과,

상기 사출성형재 주입게이트에 주입되는 상기 사출성형재를 가열하는 가열부를 구비한 연료전지 세퍼레이터의 제조장치이다.

[발명의 실시형태]

이하에 본 발명의 실시형태를 도면을 참조하면서 설명한다.

(실시형태 1)

처음에, 본 발명의 본 실시형태 1에 있어서의 세퍼레이터의 구조에 대하여 설명한다. 도 1 ∼ 도 3은, 본 발명의 실시형태 1에 있어서의 3종류의 연료전지 세퍼레이터의 평면도이다. 도 1(a)는, 세퍼레이터(W/A)(1)의 냉각수 유로가 형성된 측(1a)의 평면도이다. 또한, 도 1(b)는, 세퍼레이터(W/A)(1)의 연료가스 유로가 형성된 측(1b)의 평면도이다.

도 1(a)에 나타낸 바와 같이, 본 실시형태 1에 나타내는 세퍼레이터(W/A)(1)는 냉각수유로(4)를 면(1a)에 가지고 있다. 이 냉각수유로(4)의 주위로서, 세퍼레이터(W/A)(1)의 끝단 주변을 따라, 냉각수를 냉각수유로(4)에 공급하는 냉각수입구 매니폴드(5)와, 냉각수를 배출하는 냉각수출구 매니폴드(6)가 형성되어 있다. 이들 냉각수입구 매니폴드(5)와 냉각수출구 매니폴드(6)는, 실질적으로 정방형상인 세퍼레이터(W/A)(1)의 중심에 대하여 실질적으로 점대칭이 되도록 배치되어 있다. 여기서, 냉각수입구 매니폴드(5)가 설치되는 세퍼레이터(W/A)(1)의 끝단주변부를 끝단부(1c)로 한다. 또한, 냉각수출구 매니폴드(6)가 설치되는 끝단 주변부를 끝단부(1d)로 한다. 또한, 끝단부(1c, 1d)를 포함하지 않은 세퍼레이터(W/A)(1)의 변을 1e로 한다.

이 냉각수유로(4)는, 서로 평행한 6개의 냉각수 유로홈(flow path groove)을 가지며, 지그재그형상이다. 냉각수유로(4)는, 냉각수입구 매니폴드(5)로부터 변(1e)과 평행하게 끝단부(1d)를 향하여 형성되어 있다. 그리고 냉각수유로(4)가 끝단부(1d)에 도달하기 전에, 끝단부(1c)를 향하여 방향을 바꾸고, 변(1e)과 평행하게 냉각수유로(4)가 형성되어 있다. 또한, 냉각수유로(4)가 끝단부(1c)에 도달하기 전에, 끝단부(1d)를 향하여 방향을 바꾸어, 지그재그하면서, 냉각수입구 매니폴드(5)로부터 냉각수출구 매니폴드(6)까지 냉각수유로(4)가 형성되어 있다.

또, 이 냉각수유로(4)는, 끝단부(1c)로부터 끝단부(1d)를 향하고, 거기에서 되접어 끝단부(1d)로부터 끝단부(1c)를 향한다. 이 때문에, 확대도 T에 나타낸 바와 같이, 6개의 냉각수 유로 홈 중, 되접는 측의 끝단에 있는 홈(4a)은, 되돌아온 후 냉각수유로(4) 자신의 홈과 인접하게 된다. 즉, 되돌리는 측의 끝단에 있는 홈(4a)은, 냉각수의 유통방향이 동일한 홈과 냉각수의 유통방향이 반대인 홈과 인접하게 된다. 또한, 냉각수유로(4)는, 상술한 되돌아온 부분을 4개소 가지고 있다.

또한, 세퍼레이터(W/A)(1)에는, 냉각수유로(4)의 주위에 연료가스입구 매니폴드(7)와 연료가스출구 매니폴드(8) 및 산화제가스입구 매니폴드(9)와 산화제가스출구 매니폴드(10)가 형성되어 있다. 이들 입구·출구 매니폴드는, 상기한 바와 같이, 정방형상의 중심에 대하여 점대칭의 위치에 있으며, 세퍼레이터(W/A)(1)의 끝단주변을 따라 설치된다.

또한, 도 1(b)에 나타낸 바와 같이, 세퍼레이터(W/A)(1)의 냉각수유로(4)가 형성되어 있는 반대면(1b)은, 연료가스 유로(11)를 가지고 있다. 이 연료가스 유로(11)는, 서로 평행한 2개의 연료가스 유로홈을 가지고 있으며, 상기 냉각수유로(4)와 같이 지그재그형상을 하고 있다. 또, 연료가스 유로(11)는 유로홈이 2개이기 때문에 반환은 14회 행하여지고 있다.

또한, 도 1(a)에 나타낸 바와 같이 냉각수유로(4)에는, 사출성형재 주입게이트 흔적(12)이 형성되어 있다. 즉, 사출성형재 주입게이트 흔적(12)은, 냉각수입구 매니폴드(5)로부터 냉각수출구 매니폴드(6)까지의 사이에 유로홈이 형성되어 있지 않은 개소의 것이다. 도 1(a)에서는, 사출성형재 주입게이트 흔적(12)이 3개소 형성되어 있다. 사출성형재 주입게이트 흔적(12)은, 세퍼레이터(W/A)(1)를 제조할 때에, 사출성형했을 때에 생긴 게이트 흔적이다. 이 사출성형재 주입게이트 흔적(12)은, 1개가 세퍼레이터(W/A)(1)의 정방형상의 중심에 위치하고 있다. 그리고, 나머지 2개는, 그 중심을 사이에 두고 대칭으로 위치하고 있다. 또, 이 사출성형재 주입게이트 흔적(12)은, 냉각수유로(4)상에 위치하고, 6개의 평행한 유로홈 중 3개의 유로홈에 걸쳐 있다. 그리고, 이 3개의 유로홈을 흐르는 냉각수의 유로방향은 동일방향이다. 확대도 T에 나타낸 바와 같이 사출성형재 주입게이트 흔적(12)은, 반환에 의해 냉각수의 유로방향이 반대가 되는 부분에는 형성되지 않고, 6개의 동일방향의 유로홈내에 형성되어 있다.

도 2(a)는, 세퍼레이터(C/W)(2)의 산화제가스 유로(13)가 형성된 측(2a)의 평면도이다. 또한, 도 2(b)는, 세퍼레이터(C/W)(2)의 냉각수 유로(4)가 형성된 측(2b)의 평면도이다. 도 2(a)에 나타낸 바와 같이, 세퍼레이터(C/W)(2)는, 면(2a)에 산화제가스 유로(13)를 가지고 있다. 이 산화제가스 유로(13)는, 6개의 경로홈을 가지고 있으며, 냉각수 유로(4)와 같은 지그재그형상을 하고 있다. 또, 세퍼레이터(C/W)(2)는, 산화제가스 유로(13)가 형성되어 있는 측(2a)의 반대면(2b)에, 냉각수 유로(4)를 가지고 있다.

또, 이 세퍼레이터(C/W)(2)에는 사출성형재 주입게이트 흔적(12)이, 상기와 같이 3개소 있고, 1개가 세퍼레이터(C/W)(2)의 정방형상의 실질적으로 중심에 위치하고 있다. 그리고, 나머지 2개는, 그 중심을 사이에 두고 대칭으로 위치하고 있다. 또, 이 사출성형재 주입게이트 흔적(12)은 산화제가스 유로(13)상에 위치하며, 6개의 평행한 유로홈 중 3개의 유로홈에 걸치고 있다. 그리고, 이 3개의 유로홈을 흐르는 산화제가스의 유로방향은 동일방향이다.

또한, 세퍼레이터(C/W)(2)에는, 세퍼레이터(W/A)(1)와 마찬가지로 각 출입구 매니폴드가 형성되어 있다.

도 3(a)는, 세퍼레이터(C/A)(3)의 산화제가스 유로(13)가 형성된 측(3a)의 평면도이다. 또한, 도 3(b)는, 세퍼레이터(C/A)(3)의 연료가스 유로(11)가 형성된 측(3b)의 평면도이다. 도 3(a)에 나타낸 바와 같이, 세퍼레이터(C/A)(3)는, 면(3a)에 산화제가스 유로(13)를 가지고 있다. 또한 세퍼레이터(C/A)(3)는, 면(3a)의 반대면(3b)에, 연료가스 유로(11)를 가지고 있다. 또, 이 세퍼레이터(C/A)(3)에는, 세퍼레이터(C/W)(2)와 마찬가지로, 산화제가스 유로(13)의 형성면(3a)에 사출성형재 주입게이트 흔적(12)이 3개소 위치하고 있다. 또한, 세퍼레이터(C/A)(3)에는, 세퍼레이터(W/A)(1)와 같이 각 출입구 매니폴드가 형성되어 있다.

다음에, 상기 3종류의 세퍼레이터를 제조하기 위한 본 발명의 실시형태 1에 있어서의 연료전지 세퍼레이터용 금형에 대하여 설명한다.

도 4는, 본 실시형태 1에 있어서의 세퍼레이터(W/A)(1)와 그 제조에 사용하는 금형의 측면도이다.

도 4에 나타낸 바와 같이, 본 실시형태 1에 있어서의, 세퍼레이터(W/A)(1)용의 금형(20)은, 면(1a)의 성형부인, 본 발명의 금형의 일례인 금형부(20a)와, 면(1b)의 성형부인 본 발명의 금형의 일례인 금형부(20b)를 구비하고 있다. 또한, 금형부(20a)는 사출성형재료를 투입하기 위한 사출성형재 주입게이트(21)를 3개소 구비하고 있다.

도 5(a)는, 금형부(20a)의 평면도이다. 또한, 도 5(b)는 금형부(20b)의 평면도이다. 도 5(a)에 나타낸 바와 같이 금형부(20a)는, 냉각수유로 성형부(22)를 구비하고 있다. 이 냉각수유로 성형부(22)는, 면(1a)에 형성되어 있는 상술한 형상의 냉각수유로(4)의 6개의 평행한 홈에 대응하는 유로홈 볼록부(22a)를 가지고 있다. 또한, 세퍼레이터(W/A)(1)의 사출성형재 주입게이트 흔적(12)에 대응하는 위치에 사출성형재 주입게이트(21)가 형성되어 있다. 상술한 바와 같이, 사출성형재 주입게이트 흔적(12)이 냉각수유로(4)상에 형성되도록, 금형부(20a)의 냉각수유로 성형부(22)에 사출성형재 주입게이트(21)의 개구부가 위치하고 있다. 이 때문에 사출성형재 주입게이트(21)의 개구부에서는 냉각수유로 성형부(22)는 형성되어 있지 않다. 따라서, 세퍼레이터(W/A)(1)의 면(1a)상에 사출성형재 주입게이트 흔적(12)이 남게 된다. 또한, 사출성형재 주입게이트 흔적(12)은, 냉각수유로(4)의 홈과 같은 깊은 오목부이다. 한편, 도 4는, 도 5의 A-A'의 단면도에 해당한다.

또한, 도 5(b)에 나타낸 바와 같이 금형부(20b)는, 연료가스유로 성형부(23)를 구비하고 있다. 연료가스유로 성형부(23)는, 면(1b)에 형성되어 있는 상술한 형상의 연료가스유로(11)의 홈에 대응하는 유로홈 볼록부(23a)를 가지고 있다. 또, 금형부(20a, 20b)는, 세퍼레이터(W/A)(1)의 각 매니폴드에 대응하는 볼록형상의 매니폴드 성형부(24)가 형성되어 있지만, 이에 한정되지 않는다. 즉, 금형부(20a 및 20b)의 어느 한쪽에 성형부를 가지며 다른 쪽의 금형까지 도달하도록 형성되어 있더라도 좋다. 즉 세퍼레이터(W/A)(1)에 매니폴드용의 구멍이 성형되면 좋다.

또, 사출성형재 주입게이트(21)를 유로성형부 근방에 설치하더라도 좋다. 사출성형재 주입게이트(21)를 유로성형부 근방에 설치한 경우는, 사출성형재 주입게이트(21)를 사이드에 설치한 경우와 비교하면, 사출성형을 할 때에 유로부로의 충전이 좋아진다. 단, 본 실시형태 1과 같이 사출성형재 주입게이트(21)를 유로성형부상에 설치하는 편이, 사출성형을 할 때에 충전거리도 보다 줄어들고, 따라서 사출성형을 할 때는, 유로부로의 충전에 관해서는 보다 바람직하다.

또한, 세퍼레이터(C/W)(2)용의 성형 금형과 세퍼레이터(C/A)(3)용의 성형 금형에도 유로성형부가 형성되어 있다. 이 유로성형부는, 상기와 같이 각 유로의 홈에 대응하는 유로홈 볼록부를 가지고 있다. 또한, 각 사출성형재 주입게이트 흔적(12)에 대응하도록 금형에 사출성형재 주입게이트(21)가 개구하고 있다.

즉, 도 6은, 본 실시형태 1에 있어서의 세퍼레이터(C/W)(2)와 그 제조에 사용하는 금형의 측면도이다.

도 6에 나타낸 바와 같이, 본 실시형태 1에 있어서의, 세퍼레이터(C/W)(2)용의 금형(60)은, 면(2a)의 성형부인, 본 발명의 금형의 일례인 금형부(60a)와, 면(2b)의 성형부인 본 발명의 금형의 일례인 금형부(60b)를 구비하고 있다. 또한, 금형부(60a)는 사출성형재료를 투입하기 위한 사출성형재 주입게이트(21)를 3개소 구비하고 있다.

도 7(a)는, 금형부(60a)의 평면도이다. 또한, 도 7(b)은 금형부(60b)의 평면도이다. 도 7(a)에 나타낸 바와 같이 금형부(60a)는, 산화제가스유로 성형부(62)를 구비하고 있다. 그리고, 산화제가스유로 성형부(62)는, 면(2a)에 형성되어 있는 상술한 형상의 산화제가스 유로(13)의 6개의 평행한 홈에 대응하는 유로홈 볼록부(62a)를 가지고 있다. 또한, 세퍼레이터(C/W)(2)의 사출성형재 주입게이트 흔적(12)에 대응하는 위치에 사출성형재 주입게이트(21)가 형성되어 있다. 상술한 바와 같이, 사출성형재 주입게이트 흔적(12)이 산화제가스 유로(13)상에 형성되도록, 금형부(60a)의 산화제가스유로 성형부(62)에 사출성형재 주입게이트(21)의 개구부가 위치하고 있다. 이 때문에 사출성형재 주입게이트(21)의 개구부에서는 산화제가스유로 성형부(62)는 형성되어 있지 않다. 이 때문에, 세퍼레이터(C/W)(2)의 면(2a) 상에 사출성형재 주입게이트 흔적(12)이 남게 된다. 또한, 사출성형재 주입게이트 흔적(12)은, 산화제가스 유로(13)의 홈과 같은 깊이의 오목부이다. 한편, 도 6은 도 7의 B-B'의 단면도에 해당한다.

또한, 도 7(b)에 나타낸 바와 같이 금형부(60b)는, 냉각수유로 성형부(63)를 구비하고 있다. 그리고, 냉각수유로 성형부(63)는, 면(2b)에 형성되어 있는 상술한 형상의 냉각수유로(4)의 홈에 대응하는 유로홈 볼록부(63a)를 가지고 있다. 또, 금형부(60a, 60b)에는, 세퍼레이터(C/W)(2)의 각 매니폴드에 대응하는 볼록형상의 매니폴드 성형부(24)가 형성되어 있지만, 이에 한정되지 않는다. 금형부(60a, 60b)의 어느 한쪽에 성형부를 가지며 다른 쪽의 금형까지 도달하도록 형성되어 있더라도 좋다. 요컨대 세퍼레이터(C/W)(2)에 매니폴드용의 구멍이 성형되면 좋다.

또한, 도 8은, 본 실시형태 1에 있어서의 세퍼레이터(C/A)(3)와 그 제조에 사용하는 금형의 측면도이다.

도 8에 나타낸 바와 같이, 본 실시형태 1에 있어서의, 세퍼레이터(C/A)(3)용의 금형(70)은, 면(3a)의 성형부인, 본 발명의 금형의 일례인 금형부(70a)와, 면(3b)의 성형부인 본 발명의 금형의 일례인 금형부(70b)를 구비하고 있다. 또한, 금형부(70a)는 사출성형재료를 투입하기 위한 사출성형재 주입게이트(21)를 3개소 구비하고 있다.

도 9(a)는, 금형부(70a)의 평면도이다. 또한, 도 9(b)는 금형부(70b)의 평면도이다. 도 9(a)에 나타낸 바와 같이 금형부(70a)는, 산화제가스유로 성형부(72)를 구비하고 있다. 그리고, 이 산화제가스유로 성형부(72)는, 면(3a)에 형성되어 있는 상술한 형상의 산화제가스 유로(13)의 6개의 평행한 홈에 대응하는 유로홈 볼록부(72a)를 가지고 있다. 또한, 세퍼레이터(C/A)(3)의 사출성형재 주입게이트 흔적(12)에 대응하는 위치에 사출성형재 주입게이트(21)가 형성되어 있다. 상술한 바와 같이, 사출성형재 주입게이트 흔적(12)이 산화제가스 유로(13)상에 형성되도록, 금형부(70a)의 산화제가스유로 성형부(72)에 사출성형재 주입게이트(21)의 개구부가 위치하고 있다. 이 때문에 사출성형재 주입게이트(21)의 개구부에서는 산화제가스유로 성형부(72)는 형성되어 있지 않다. 이 때문에, 세퍼레이터(C/A) (3)의 면(3a) 상에 사출성형재 주입게이트 흔적(12)이 남게 된다. 또한, 사출성형재 주입게이트 흔적(12)은, 산화제가스유로(13)의 홈과 같은 깊이의 오목부이다. 한편, 도 8은 도 9(a)의 C-C'의 단면도에 해당한다.

또한, 도 9(b)에 나타낸 바와 같이 금형부(70b)는, 냉각수유로 성형부(23)를 구비하고 있다. 그리고, 이 냉각수유로 성형부(23)는, 면(3b)에 형성되어 있는 상술한 형상의 연료가스유로(11)의 홈에 대응하는 유로홈 볼록부(23a)를 가지고 있다. 또, 금형부(70a, 70b)에는, 세퍼레이터(C/A)(3)의 각 매니폴드에 대응하는 볼록형상의 매니폴드 성형부(24)가 형성되어 있지만, 이에 한정되지 않는다. 금형부(70a, 70b)의 어느 한쪽에 성형부를 가지며 다른 쪽의 금형까지 도달하도록 형성되어 있더라도 좋다. 요컨대 세퍼레이터(C/A)(3)에 매니폴드용의 구멍이 성형되면 좋다.

일반적으로 연료전지 세퍼레이터에는 전지성능을 좌우하는 중요한 구성요소로서 연료가스 혹은 산화제가스 혹은 냉각용의 냉각수 등을 흐르게 하기 위한 유로구성이 있다. MEA를 세퍼레이터로 끼워 발전을 행할 때, MEA 자체는 비교적 강성이 작다. 그 때문에 MEA의 주위에 안정적으로 연료가스 혹은 산화제가스를 흐르게 하기 위해서는 상기의 유로구성에 있어서 유로사이의 구성피치를 작게 하여 MEA가 유로내로 늘어지는 것 등을 방지해야 한다. 그 때문에 세퍼레이터상에 구성되는 유로의 구성피치는 보다 작아진다.

한편 세퍼레이터를 사출성형으로 제작하는 경우, 금형내에 재료를 어떻게 주입할 것인지가 과제가 된다. 사출성형에 사용되는 소재는, 열전도성이 크기 때문에 냉각이 빠르고 극히 성형성이 나쁜 재료이다. 그 때문에 통상적으로는 될 수 있는 한 크게 재료주입용의 게이트를 확보하는 것이 유리하다. 따라서, 재료주입용의 게이트를 크게 하기 위해서, 필름 게이트 등을 세퍼레이터의 유로에 대하여 연직 횡방향(가로방향)으로부터 구성한 금형이 사용된다.

그러나, 연료전지 세퍼레이터 특유의 유로구성이 세퍼레이터의 거의 중앙에 형성되어 있고, 용융재료가 세퍼레이터의 유로구성에 대응하는 금형의 부위를 통과할 때, 이 부위는, 큰 유로저항을 가지며, 또한 재료가 접하는 표면적이 커진다. 따라서, 이 부위에서, 큰 방열이 발생하여, 재료의 충전을 할 수 없는 상태가 되었다.

따라서 유로저항을 저감하기 위해서는 세퍼레이터의 판두께를 크게 하여 유로저항을 저감하는 것으로 대응을 하였지만, 판두께를 크게 하더라도 세퍼레이터의 유로구성에 대응하는 금형의 부위의 표면적은 변하지 않는다. 그 때문에 이 부위의 방열은 크고, 세퍼레이터의 유로부의 성형성은 불충분한 것이었다. 더욱이 완성된 세퍼레이터의 판두께도 커지기 때문에, 그 세퍼레이터를 사용한 연료전지도 크게 되었다. 그 결과 상품성이 없게 되어 버렸다.

또한, 사출성형시에, 세퍼레이터의 유로구성부위에 대응하는 금형의 부위를 통과하여 재료가 충전되어 나가는 충전유로와, 세퍼레이터의 유로구성부위에 대응하는 금형의 부위 이외의 부위를 통과하여 재료가 충전되어 나가는 충전유로가 생겨 버렸다. 이 때문에, 흐르기 어려운 충전유로에의 재료의 충전시간이 길어지기 때문에, 사출성형에 요하는 시간이 증가하였다. 또한 이러한 2개의 충전유로가 생김에 따라, 충전되어 나가는 재료가 받는 방열이 언밸런스하게 되기 때문에, 웰드부의 강도가 저하하여, 가스 맞물림에 의한 충전불량이 발생하였다. 그 결과, 면 거칠기의 악화 및 치수불량을 초래하고 있었다.

그래서 유로구성부위의 성형성을 확보하기 위해서, 용융소재의 온도가 높고 점성이 낮은 상태의 재료를 사용하여, 주입부를 유로구성부 혹은 그 근방에 설치하였다. 더욱이, 이 때, 주입하는 게이트 형상을 고안하여 작은 것으로 함으로써 유로구성부에 대한 변경도 최소로 억제하였다.

그 결과, 사출성형시에 게이트로부터 금형 주변을 향하여 흐르는 재료가 받는 유로저항이 전체 방위에 걸쳐 균일화되었다. 그 때문에 세퍼레이터 금형내로의 재료충전이 균질화하여, 성형시간의 단축도 행하여졌다. 또한, 전체 방위에 걸쳐 재료가 흐르는 거리가 균질화되기 때문에, 충전되는 재료에 대한 방열 면적도 균질화된다. 또한, 게이트부가 유로구성부의 중앙근방에 있으므로, 가장 큰 유로저항으로 되어 있는 유로구성부에, 가장 흐르기 쉬운 상태(점성이 낮은 상태)에서의 용융재료가 주입된다. 따라서, 유로구성부를 통과할 때의 용융소재로의 유로저항을 내리는 것이 가능하게 된다. 또한, 용융소재의 주입압력의 전달도 충분하다. 따라서, 금형내에서의 재료가 받는 성형성(면 거칠기의 향상, 웰드부의 강도향상, 재료충전성), 가스빠짐성, 치수정밀도를 향상시키는 데에 바람직하였다. 더욱이 유로구성부 이외의 부위에 대해서는, 유로구성부에 대하여 형상이 단순하고, 유로구성부를 통과한 소재의 용융상태라도 충분한 성형성을 얻을 수 있는 것을 알았다.

또한, 유로저항이 내려감으로써, 고압성형이 가능한 특수한 성형기가 불필요하게 되어, 설비투자가 내려간다. 그 결과적으로 비용저감의 효과도 얻을 수 있다. 또한, 고압성형이 가능한 설비가 있는 경우는, 재료압출압력이 동일하면, 유로저항이 내려가고 있기 때문에, 재료충전시간이 줄어들어 성형 사이클이 단축된다. 따라서, 생산성의 향상, 비용저감이 가능하게 된다.

또한, 연료전지는 소정의 출력을 얻기 위해서 통상 단전지를 적층하여 구성된다. 그 때문에 세퍼레이터가 MEA와 접하는 방향의 면에는 산화제가스 유로, 연료가스 유로, 냉각수 유로, 한 쪽에 유로가 구성되어 있지 않은 것과 같은 조합의 구성이 필요하다. 상술한 성형성에 대한 효과를 얻기 위해서 구성한 금형을 사용하였을 때, 세퍼레이터에 필요한 다른 쪽 면에 구성되어야 하는 유로를 금형으로 구성함으로써, 생산성이 풍부한 효율적인 금형이 되는 것을 알 수 있다.

또, 상기 재료주입용 게이트를 고안하여, 유로구성부에 주어지는 변경을 최소로 하기 위해서 유로구성부의 하나의 볼록부의 폭으로 수납되도록 하는 게이트로 연구하였지만, 재료주입용의 개구부가 작아져서 성형성을 얻을 수 있는 세퍼레이터 형상이 한정되었다. 그 때문에, 복수의 볼록부에 걸쳐 재료주입용의 게이트부를 설치하였다. 이와 같이 하면, 재료주입용의 개구면적을 크게 확보할 수 있고, 더구나 세퍼레이터 형상에 좌우되지 않은 양호한 성형성을 얻는 것을 알 수 있다.

또, 연료전지 세퍼레이터에 구성되는 유로는 통상 최적의 압력손실을 세퍼레이터에 주기 때문에 입구매니폴드로부터 출구매니폴드를 향하여 복수의 유로가 평행하게 연이어 통하도록 구성된다. 압력손실을 최적치로 유지하기 위해서, 복수의 평행유로가 세퍼레이터면내를 반환하여 유로가 구성되어 있는 경우가 있다. 그 때, 상기의 복수의 볼록부에 걸친 재료주입용 게이트부가 복수 개의 유로홈의 유통방향이 동일방향이 아닌 부위에 걸쳐 설치된 경우, 원래 유로를 따라서 세퍼레이터면내를 반환하여 흘러야 되는 유체가, 게이트부에서 되돌려져 버려 원래 흘러야 하는 부위로 흐르지 않은 구성이 되어 버린다. 이러한 구성은, 전지의 발전성능을 저하시키는 요인이 되거나, 효율의 저하를 초래하는 원인이 되어 버린다. 이러한 구성으로서는, 연료전지시스템의 흐름제어동작범위가 어긋나, 소정의 압력손실을 확보할 수 없게 되기 때문이다. 그 때문에 재료주입용 게이트는 복수 개의 유로홈의 흐름방향이 동일방향이 되는 상기 유로성형부상에 설치되는 것이 바람직하다는 것을 알 수 있다.

또, 설치된 재료주입용 게이트위치를, 상기 유로성형부에 의해서 성형되는 유로의 입구로부터 출구에 이르는 상기 유로성형부의 중앙근방에 형성함으로써, 유로구성부에 흐르는 재료의 유로저항 및 방열면적을 균일화할 수 있게 되었다. 따라서, 이와 같이 하면, 세퍼레이터의 성형성을 향상시키는 데에 바람직하다는 것을 알 수 있다.

또, 세퍼레이터에 구성되는 유로구성은 흐르는 유체에 의해서, 그 유체에 최적의 압력손실에 적합하게 하기 위해서 변화한다. 통상, 연료가스용 유로는, 발전에 필요한 연료가스의 유량이 적어도 되기 때문에, 최적의 압력손실을 설정하는 경우, 평행한 동일흐름의 유로개수가 적어진다. 그 때문에 재료주입용 게이트의 구성에 필요한 공간을 확보할 수 없는 사태도 생긴다. 그 때문에, 산화제가스 유로성형부, 또는 냉각수 유로성형부에 재료주입용 게이트를 설치하는 것이 바람직하다는 것을 알 수 있다. 즉, 산화제가스 유로성형부나 냉각수 유로성형부는, 비교적 유체의 유량이 크고, 따라서 최적압력손실의 설정에 필요한 평행한 동일흐름의 유로개수가 많아져, 재료주입용 게이트의 구성에 필요한 공간을 확보하기 쉽기 때문이다.

또한, 재료주입용 게이트를 사용하여, 사출성형을 함으로써, 금형정밀도를 정밀하게 전사할 수 있고, 치수정밀도를 얻는 것이 가능해진다. 또한, 세퍼레이터 1매당의 생산시간을 축소할 수 있고, 생산성을 향상시키는 것이 가능해진다. 따라서, 비용삭감과 신뢰성향상과 안정된 전지성능의 유지가 가능한 것을 알 수 있다.

또, 세퍼레이터에는 높은 전기전도성과 치수정밀도, 기계적 강도, 내열성, 전지에 주어지는 불순물을 포함하지 않은 청결성이 요구된다. 그 때문에, 재료에는 도전성 필러를 바인더 수지에 분산시킴으로써, 도전성 필러가 서로 얽혀, 높은 전기도전성을 발현시킬 수 있었다. 또한 도전성 필러가 얽히는 것으로 기계적 강도도 향상시킬 수 있었다. 또한 바인더 수지로서, 내열성, 청결성의 관점에서 소재를 고르는 것이 가능하여, 사용온도영역, 연료전지의 용도에 따라서, 바인더수지를 선정하여 혼합시킨 소재를 사용하는 것이 가능해진다. 이와 같이, 세퍼레이터의 각각의 용도에 따른 재료를 선정할 수 있게 되었기 때문에, 대폭적인 비용삭감이 가능해지는 것을 알 수 있다.

또한, 상기 수단에 의해 작성된 연료전지 세퍼레이터나 그것들을 사용하여 적층된 연료전지는, 전기도전성, 기계적 강도, 내열성, 청결성, 부품정밀도가 등방성 흑연을 사용한 절삭 세퍼레이터와 같은 성능을 가지고 있다. 또한, 등방성 흑연을 사용한 절삭 세퍼레이터보다도 본 실시형태의 세퍼레이터쪽이 질김성이 있기 때문에 내충격성에 우수하다. 더욱이 본 실시형태의 세퍼레이터를 사출성형에 의해 생산하는 것이 가능하기 때문에, 기계가공이 불필요하다. 따라서, 본 실시형태는, 대폭적인 비용저감, 생산성의 향상을 얻는 것이 가능한 것을 알 수 있다.

다음에, 본 실시형태 1의 세퍼레이터를 사용한 연료전지의 구조에 대하여 설명한다.

도 10은, 본 발명에 관한 본 실시형태 1의 세퍼레이터를 사용한 연료전지의 측면도이다. 도 10에 나타낸 바와 같이, 본 실시형태 1의 세퍼레이터를 사용한 연료전지는, 단전지가 적층된 스택(30)을 구비하고 있다. 또한, 스택(30)의 양 끝단은, 집전판(31) 및 절연판(32)을 통해 끝단판(33)에 의해서 끼워지고 있다. 이들을 체결하기 위한 체결볼트(34)가, 각각의 체결볼트구멍을 통해서 설치되어 있다. 또한, 스택에의 연료가스, 산화제가스, 냉각수의 공급배출을 하기 위한 배관(35)이 세퍼레이터에 형성되어 있는 각 매니폴드에 대응하여 설치되어 있다.

다음에, 상술한 3종류의 세퍼레이터를 사용한 스택(30)의 구성에 대하여 서술한다. 도 11은 스택(30)의 구성을 분해한 측면도이다. 도 11에 나타낸 바와 같이, 스택(30)은, 고분자전해질막과 그 양면에 배치된 한 쌍의 연료가스확산전극(40a)과 산화제가스확산전극(40b)을 가진 MEA(40)를 구비하고 있다. 이 MEA(40)를 가스켓(41)을 통해 끼우도록 세퍼레이터가 배치되어 단전지를 구성하고 있다. 도 11에 나타내는 본 실시형태 1에 있어서의 스택(30)은, 2개의 단전지마다 냉각수를 흐르게 하는 냉각부가 설치되어 있고, 이 2개의 단전지의 구성을 단전지(42)로 한다.

구체적으로는, 단전지(42)의 세퍼레이터(W/A)(1)의 면(1b)이 아래면이 되도록 적층되어 있다고 하면, 세퍼레이터(W/A)(1)의 아래면(1b)에는, MEA(40)의 연료가스확산전극(40a)이 배치되고, 산화제가스확산전극(40b) 측에는 세퍼레이터(C/A) (3)의 윗면(3a)이 배치되어 있다. 또한, 세퍼레이터 (C/A)(3)의 아래면은, 연료가스유로(11)가 형성된 아래면(3b)으로 되어 있다. MEA(40)는, 이 아래면(3b)과 연료가스확산전극(40a)측이 접촉하도록 배치되어 있다. 이 MEA(40)의 산화제가스확산전극(40b) 측에는, 세퍼레이터(C/W)(2)의 윗면(2a)이 배치되어 있다.

즉, 세퍼레이터(1), MEA(40), 세퍼레이터(3), MEA(40), 세퍼레이터(2)가 차례로 적층되어, 단전지(42)를 구성하고 있다. 또, 상기한 바와 같이 위에서부터 차례로 적층되기 때문에, 각 세퍼레이터의 면(a)이 윗면이 되고, 면(b)이 아랫면이 된다. 또한, 이들 각각의 사이에는 가스켓(41)이 배치되어 있다. 또한, 이 2개의 단전지(42)의 윗면은, 세퍼레이터(W/A)(1)의 윗면(1a)이고, 아랫면은, 세퍼레이터(C/W)(2)의 아랫면(2b)이다. 이들, 윗면(1a)과 아랫면(2b)은, 냉각부인 냉각수유로(4)의 형성면이고, 발전시에는 여기서 냉각이 이루어진다.

또한, 상하에 인접하여 적층된 아래쪽의 단전지(42)의 윗면(1a)과, 위쪽의 단전지(42)의 아랫면(2b)이 가스켓(41)을 끼워 대면하게 된다. 여기서, 윗면(1a)의 냉각수유로(4)와, 아랫면(2b)의 냉각수유로(4)가 일치하도록, 윗면(1a)과 아랫면(2b)에서는 대칭으로 냉각수유로(4)가 형성되어 있다.

상기 복수의 단전지(42)가 적층되어 있지만, 그 적층된 상단과 하단에는, 1개의 단전지마다 냉각부가 설치된 단전지(43)가 배치되어 있다. 이 단전지(43)인 MEA(40)과, MEA(40)의 연료가스확산전극(40a) 측에 설치된 세퍼레이터(1)와, 산화제가스확산전극(40b) 측에 설치된 세퍼레이터(2)와, 각각의 사이에 배치된 가스켓(41)을 가지고 있다. 또, 이 단전지(42)도 각 세퍼레이터의 면(a)이 윗면이 되고, 면(b)이 아랫면이 되도록 배치되어 있다.

상기와 같이 위에서부터 단전지(43), 복수의 단전지(42), 단전지(43)의 순서로 적층되고, 상단과 하단에는, 더욱이 끝단세퍼레이터가 설치되어 있다.

도 12(a)는, 끝단세퍼레이터(W/B)(50)의 냉각수유로(4)가 형성된 측(50a)의 평면도이다. 도 12(b)는, 끝단세퍼레이터(W/B)(50)의 경로가 형성되어 있지 않은 측(50b)의 평면도이다. 도 12에 나타낸 바와 같이, 끝단세퍼레이터(W/B)(50)의 한쪽(50a)에 냉각수유로(4)가 형성되어 있고, 반대면(50b)에는 유로가 형성되어 있지 않다. 또한, 도 11에 나타낸 바와 같이, 끝단세퍼레이터(W/B)(50)는, 상기 적층된 단전지의 하단에 배치되고, 끝단세퍼레이터(W/B)(50)의 면(50a)이 윗면이 되고, 적층된 단전지의 아랫면(2b)과 가스켓(41)을 끼워 대면한다. 또한, 끝단세퍼레이터(W/B)(50)의 윗면(50a)의 냉각수유로(4)는, 면(2b)에 형성되어 있는 냉각수유로(4)와 대칭이고, 적층시에 일치하도록 형성되어 있다.

또, 도 13(a)는, 끝단세퍼레이터(B/W)(51)의 경로가 형성되어 있지 않은 측(51a)의 평면도이다. 도 13(b)는, 끝단세퍼레이터(B/W)(51)의 냉각수유로(4)가 형성되어 있는 측(51b)의 평면도이다. 도 13에 나타낸 바와 같이, 끝단세퍼레이터(B/W)(51)의 한쪽(51a)에는, 유로가 형성되어 있지 않고, 반대면(51b)에 냉각수유로(4)가 형성되어 있다. 이 끝단세퍼레이터(B/W)(51)는, 상기 적층된 단전지의 위쪽에 배치되고, 면(51b)이 아랫면이 되고, 적층된 단전지의 윗면(1a)과 가스켓(41)을 끼워 대면한다(도시하지 않음). 또, 상기와 같이 면(1a)에 형성되어 있는 냉각수유로(4)와 대칭이 되도록, 끝단세퍼레이터(B/W)(51)의 아랫면(51b)의 냉각수유로(4)가 형성되어 있다. 또, 이 면(50b)과 면(51a)이 스택(30)을 양 끝단으로부터 끼우고 있는 집전판(31)에 가스켓(41)을 통해 대면하고 있다.

이렇게, 스택(30)은 끝단세퍼레이터(B/W)(51), 단전지(43), 복수개의 단전지(42), 단전지(43), 끝단세퍼레이터(W/B)(50)의 순서대로 위로부터 적층된 구성이다.

이하에, 상기 구성의 본 실시형태 1의 세퍼레이터를 사용한 연료전지의 제조방법에 대하여 서술함과 동시에, 본 발명의 세퍼레이터의 제조방법의 하나의 실시예에 대해서도 동시에 서술한다.

먼저, 아세틸렌블랙계 카본분말에, 평균입자지름 약 30Å의 백금입자를 25중량% 담지한 것을 반응전극의 촉매로 하였다. 이 촉매분말을 이소프로판올에 분산시킨 용액에, (화학식 1)에서 나타낸 퍼플루오르카본술폰산의 분말을 에틸알콜로 분산한 디스퍼젼 용액을 혼합하여, 페이스트 상태로 하였다. 이 페이스트를 원료로 하여 스크린인쇄법을 이용하여, 두께 250㎛의 카본부직포의 한쪽 면에 전극촉매층을 형성하였다. 형성후의 반응전극중에 포함되는 백금량은 0.5mg/cm², 퍼플루오르카본술폰의 양은 1.2mg/cm²이 되도록 조정하였다.

[화학식 1]

이들 전극은, 양극·음극 모두 동일구성으로 하여, 전극보다 한 둘레 큰 면적을 가진 프로톤전도성 고분자전해질막의 중심부의 양면에, 인쇄한 촉매층이 전해질막측에 접하도록 핫프레스에 의해서 접합하여, 전극/전해질 접합체{MEA(40)}를 작성하였다. 여기서는, 프로톤 전도성 고분자 전해질로서, (화학식 1)에 나타낸 퍼플루오르카본술폰산을 25㎛의 두께로 박막화한 것을 사용하였다.

다음에, 본 실시형태 1의 연료전지 세퍼레이터용 금형을 사용하였다, 연료전지 세퍼레이터의 사출성형에 의한 제조방법 및 연료전지 세퍼레이터의 제조장치(사출성형기)에 대하여 이하에 서술한다.

도 14에, 본 실시형태 1의 연료전지 세퍼레이터용 금형을 사용하여 연료전지 세퍼레이터를 사출성형하기 위한 연료전지 세퍼레이터의 제조장치(사출성형기)(80)의 구성을 나타낸다.

도 14에 있어서, 연료전지 세퍼레이터의 제조장치(80)는, 히터(82)를 가진 가열통 실린더(81), 호퍼(83), 스크류(84), 스크류 구동기구(85) 및 사출 노즐(86)을 구비하고 있다.

가열통 실린더(81)는, 호퍼(83)로부터 흘러들어 온 세퍼레이터의 재료를 히터(82)로 가열하여 용융하는 수단이다.

호퍼(83)는, 도시하지 않는 로터로부터 공급된 세퍼레이터의 재료를 가열통 실린더(81)에 투입하는 수단이다.

스크류(84)는, 세퍼레이터의 재료를 세퍼레이터의 재료를 교반함과 동시에, 사출 노즐(86)쪽에 보내는 수단이다.

스크류 구동기구(85)는, 유압식 또는 전동식(서보모터)으로 스크류(84)를 구동하는 수단이다.

사출 노즐(86)은, 용융한 세퍼레이터의 재료를 금형(20)의 사출성형재 주입게이트(21)로부터 금형(20)내에 주입하는 수단이다.

세퍼레이터의 재료로서의 전자양도체 부위용 혼합물은 도전성 필러로서 흑연과 바인더수지로서 PPS(폴리페닐렌설파이드)수지를 중량비율로 7:3으로 혼합한 것을 사용하였다. 혼합물을 용융·혼련가능한 사출 노즐(86)을 구비한 사출성형기(80)에 투입한다. 사출 노즐(86)의 끝에는, 도 5에 나타낸 것과 같은 세퍼레이터 형상을 형성한 금형(20)을 설치하였다. 금형(20)으로부터 용융재료를 주입하는 사출성형재 주입게이트(21)부는 핫 러너를 사용한 다중점 게이트로 하였다.

금형(20)의 재료로는 탄소공구강(SK재) 등을 사용하는 것이 성형 택트, 강도 면에서 일반적이다. 그러나, 본 실시형태 1에서 사용한 세퍼레이터 재료는 열전도율이 높기 때문에, 경화속도가 빠르고 성형불량이 발생한다. 그 때문에, 금형(20)의 재료에 열전도율이 낮은 재료를 적용하여 성형성을 확보하였다. 금형(20)의 재료로서는 대표적으로 SUS630를 사용하였다. 금형온도는 150℃, 사출노즐온도는 350℃, 사출압력은 1600kgf/cm², 사출속도는 200mm/sec, 성형시간은 40초로 하였다.

상기와 같은 세퍼레이터의 재료, 금형(20) 및 성형조건을 사용하여 사출성형기(80)는 아래와 같이 동작한다. 즉, 세퍼레이터의 재료는, 도시하지 않는 로더로부터 호퍼(83)에 공급되고, 더욱 세퍼레이터의 재료는, 호퍼(83)로부터 가열통 실린더(81)의 입구로 흘러 들어간다.

스크류 구동기구(85)는, 스크류(84)를 구동한다. 그리고, 가열통 실린더(81)의 입구로 흘러들어 온 세퍼레이터의 재료는, 스크류 구동기구(85)에 의해서 구동된 스크류(84)의 회전으로 가열통 실린더(81)내에 보내진다.

가열통 실린더(81)는, 바깥둘레에 배치된 히터(82)로 온도가 제어되고 있으며, 세퍼레이터의 재료는, 히터(82)의 열과, 스크류(84)의 회전 및 전단의 마찰열로 용융한다. 스크류(81)는, 용융한 재료를 가열통 실린더(81)내에 보내면서, 후퇴한다. 가열통 실린더(81)의 선단에 일정량의 용융재료가 쌓이면, 스크류(84)는 회전을 정지한다.

다음에, 금형부(20a) 및 금형부(20b)가 닫히고 체결된다. 그 후 스크류 구동기구(85)에 의해 스크류(84)가 전진하여, 용융한 재료를 가압하여, 사출 노즐(86)로부터 용융한 재료를 금형(20)내에 주입한다. 스크류(84)의 선단에는 도시하지 않는 역지밸브가 설치되어 있고, 이 역지밸브는, 스크류(84)의 회전중에는, 용융한 재료를 전방으로 통과시키고, 가압시에는 후방으로의 용융한 재료의 흐름을 멈춘다.

그렇게 하면, 금형(20)내에서, 용융한 재료는, 사출성형재 주입게이트(21)로부터 금형(20)의 성형품 공간(캐비티)에 유입한다. 이 때, 캐비티내의 공기는 가스벤트를 통하여, 외부로 배출되고, 캐비티내의 공기와 용융한 재료가 치환된다.

금형(20)은, 용융한 재료의 흐름을 촉진하여, 또한 냉각, 고화하도록, 가열통 실린더(81)와 비교해서 상대적으로 저온으로 유지되고 있다. 금형(20)의 온도는, 금형(20)이 형성한 드릴구멍 등에 더운물과 찬물 또는 열매체를 순환시키거나, 캐트리지 히터, 밴드 히터 등으로 온도가 제어된다.

용융한 재료가 금형(20)의 캐비티내에서 고화하기 시작하면 용융한 재료는 수축하기 때문에, 이 수축을 보충하도록, 용융한 재료가 사출 노즐(86)로부터 사출성형재 주입게이트(21)로 주입된다. 이에 따라 성형품의 치수정밀도가 향상한다.

용융한 재료가 금형(20)의 캐비티를 충만한 후에도, 사출성형재 주입게이트(21) 부분의 용융한 재료가 고화할 때까지 가압을 계속하지 않으면, 세퍼레이터의 재료가 점탄성(粘彈性)이기 때문에, 역류하여, 성형품에 결함이 생긴다. 따라서, 용융한 재료가 금형(20)의 캐비티를 충만한 후, 게이트(21)부분의 용융한 재료가 고화할 때까지 가압을 계속한다.

여기서, 도 15에 금형부(20a)와 사출 노즐(86)의 확대도를 나타낸다. 사출 노즐(86)의 선단은, 세퍼레이터면(1a)에 형성되어 있는 상술한 형상의 냉각수유로(4)의 6개의 평행한 홈에 대응하는 유로홈 볼록부(22a)의 부분까지 사출성형재 주입게이트(21)내에 삽입되어 있다.

캐비티내의 세퍼레이터의 재료가 고화한 후, 우선, 사출 노즐(86)이 금형(20)의 사출성형재 주입게이트(21)로부터 방출된다. 이 동작에 의해, 사출 노즐(86)의 선단이, 유로홈 볼록부(22a)의 부분까지 사출성형재 주입게이트(21)내에 삽입되어 있기 때문에, 성형된 세퍼레이터의 단면으로 재료가 잘라내어지고(잡아떼어지고), 성형된 세퍼레이터에는, 도 1의 세퍼레이터 1에 나타낸 것과 같은 사출성형재 주입게이트 흔적(12)이 형성된다.

다음에, 금형(20)이, 금형부(20a)와 금형부(20b)로 분리되어 열려, 도시하지 않는 돌출기구를 돌출시켜, 성형된 세퍼레이터를 로봇으로 쥐고, 소정의 위치에 두거나, 상자에 담는다. 이렇게 해서 세퍼레이터가 성형된다.

또, 본 실시형태 1에서는, 금형(20)의 캐비티내의 세퍼레이터의 재료가 고화한 후, 우선, 사출 노즐(86)이 금형(20)의 사출성형재 주입게이트(21)로부터 방출되고, 그런 다음, 금형(20)이, 금형부(20a)와 금형부(20b)로 분리되어 열린다고 설명하였지만, 이에 한정되지 않는다. 금형(20)의 캐비티내의 세퍼레이터의 재료가 고화한 후, 사출 노즐(86)을 금형(20)의 사출성형재 주입게이트(21)로부터 뽑아내는 동작과, 금형(20)이, 금형부(20a)와 금형부(20b)로 분리되어 열리는 동작을 동시에 행하여도 상관없다.

또, 본 실시형태 1에서는, 세퍼레이터(W/A)(1)용의 금형(20)에 대하여 설명하였지만, 다른 세퍼레이터(C/W)(2), 세퍼레이터(C/A)(3)의 세퍼레이터용의 금형(60, 70)도 같다.

세퍼레이터(1, 2, 3)의 두께는 3mm, 판형상 부분의 양측에 형성된 유로는 3mm피치(홈의 폭 1.5mm)의 홈 형상으로 구성되는 형상으로 하였다. 또한, 도 1∼도 3에 있어서 나타낸 바와 같이 유로의 주변에는, 두께 3mm로 입구용, 출구용의 산화제가스 매니폴드(9, 10), 연료가스 매니폴드(7, 8), 냉각수 매니폴드(5, 6)를 합계 2개씩 설치하였다. 또한, 유로는 수지부위에 설치된 각각의 입구매니폴드로부터 출구매니폴드까지를 잇도록, 산화제가스는 인접한 6개의 홈이, 연료가스는 인접한 2개의 홈이, 냉각수는 인접한 6개의 홈이 만곡한 상기 지그재그 형상이 되도록 성형하였다.

상기에서 서술한 바와 같이, 이번에 제작한 세퍼레이터는 한 쪽에 산화제가스 유로(13)를 가지며, 반대측에 연료가스 유로(11)를 가진 세퍼레이터(C/A)(3)와, 한 쪽에 산화제가스 유로(13)를 가지며, 반대측에 냉각수 유로(4)를 가진 세퍼레이터(C/W)(2)와, 한 쪽에 연료가스 유로(11)를 가지며, 반대측에 냉각수용 유로(4)를 가진 세퍼레이터(W/A)(1)의 3종류를 작성하였다.

사출성형용 재료를 세퍼레이터에 충전하는 게이트 흔적이, 세퍼레이터(W/A) (1)에 있어서, 냉각수 입구매니폴드(5)와 냉각수 출구매니폴드(6)의 사이에 3개소 형성되었다. 각각의 사출성형재 주입게이트 흔적(12)은 산화제가스 유로(13)의 홈 깊이와 같은 깊이의 오목부를 가지며, 그 오목부는 동일방향으로 가스가 흐르고 있는 6개 홈의 폭 이내에 걸치도록 3피치의 폭 안에서 구성하였다.

또한, 세퍼레이터(C/W)(2)에는, 사출성형재 주입게이트 흔적(12)이 산화제가스 입구매니폴드(9)와 산화제가스 출구매니폴드(10)의 사이에 3개소 형성되었다. 각각의 사출성형재 주입게이트 흔적(12)은 냉각수용 유로(4)의 홈의 깊이와 같은 깊이의 오목부를 가지며, 그 오목부는 동일방향으로 냉각수가 흐르고 있는 6개 홈의 폭 이내에 걸치도록 3피치분의 폭 안에서 구성하였다.

또한, 세퍼레이터(C/A)(3)에는, 사출성형재 주입게이트 흔적(12)이 산화제가스 입구매니폴드(9)와 산화제가스 출구매니폴드(10)의 사이에 3개소 형성되었다. 각각의 사출성형재 주입게이트 흔적(12)은 산화제가스 유로(13)의 홈 깊이와 같은 깊이의 오목부를 가지며, 그 오목부는 동일방향으로 가스가 흐르고 있는 6개 홈의 폭 이내에 걸치도록 3피치분의 폭 안에서 구성하였다.

한편, 각각의 세퍼레이터에 설치된 게이트 흔적은 세퍼레이터를 적층시켰을 때에 3개의 게이트 오목부가 겹치는 위치에 구성되어 있는 것이, MEA에 대한 전단응력의 저감, 세퍼레이터에의 전단응력의 저감, MEA와 세퍼레이터와의 접촉저항의 저감의 관점에서 바람직하다는 것이 구조해석의 계산으로부터 알 수 있다. 그 때문에 적층되었을 때에, 각 세퍼레이터의 게이트 GMS적이 겹치는 위치가 되도록, 각 금형에 사출성형재 주입게이트를 설치하여, 각 세퍼레이터를 작성하였다.

또, 세퍼레이터(C/W)(2)에 대해서는 사출성형재 주입게이트 흔적(12)은 냉각수 유로측(2b)에 설치되더라도 상관없다.

다음에, 도 10에 도시한 바와 같이, 이들 3종류의 세퍼레이터(1, 2, 3)와 가스켓(41)에 의해, MEA(40)를 사이에 끼운 전지를 구성하였다.

마지막으로, 이상 나타낸 MEA(40)를 50셀 적층한 후, 끝단부에는 카본판을 절삭하여 제작하여 도 11, 8에 나타낸 끝단세퍼레이터(50, 51)를 통하여, 더욱 집전판(31)과 절연판(32)을 통하여, 스텐레스제의 끝단판(33)과 체결볼트(34)로, MEA(40)와 세퍼레이터(1, 2, 3)와의 면압이 10kgf/cm²가 되도록 하는 압력으로 체결하였다. 또, 체결압력은 지나치게 작으면 가스가 누출하여, 접촉저항도 크기 때문에 전지성능이 낮아지지만, 반대로 지나치게 크면 전극이 파손하거나, 세퍼레이터판이 변형하거나 하기 때문에 가스유통 홈의 설계에 따라서 체결압력을 바꾸는 것이 중요하였다.

또, 상기 실시형태 1의 구성 및 제조방법으로 제작한 적층전지에 대하여 누출 체크를 하였다. 누출 체크는, 유로의 출구측 매니폴드를 완전히 닫고, 입구측 매니폴드로부터 He가스를 0.5kgf/cm²의 압력으로 유입시켜, 그 때의 유입가스유량으로 평가하였다.

그 결과, 공기측, 연료가스측, 냉각수측 모두 가스 누출은 없고, 적층전지로서의 유체시일성에 문제가 없는 것을 확인하였다.

또한, 상기 각각의 세퍼레이터에 있어서, 사출성형재 주입게이트 흔적이 입구매니폴드와 출구매니폴드의 사이의 거의 중앙에 1개소 형성한 세퍼레이터를 제작하였다. 게이트적의 형상은 상기 세퍼레이터와 같다고 하였다. 사출성형할 때, 세퍼레이터용 금형에는, 중앙 1개소로부터의 재료가 주입되기 때문에, 세퍼레이터용 금형에의 재료충전시에, 게이트를 중심으로 하여 전체 방위에의 거리가 균등하게 되고, 세퍼레이터용 금형의 주변을 향하여 흐르는 재료가 받는 유로저항이 전체 방위에 걸쳐 균일화된다. 그 때문에 세퍼레이터 금형내로의 재료충전이 균질화하고 성형시간도 단위길이 환산으로 후술하는 비교예 2의 세퍼레이터에 비하여 0.1초의 단축이 계산되었다. 더욱이 거리가 균질화되기 때문에 충전되는 재료에 대한 방열면적도 균질화된다. 또한, 게이트부가 유로구성부의 중앙근방에 있으므로, 가장 큰 유로저항으로 되어 있는 유로구성부에, 가장 흐르기 쉬운 상태(점성이 낮은 상태)에서의 용융재료가 주입되어, 유로구성부 통과시의 유로저항을 내리는 것이 가능하게 되었다. 또한, 용융소재의 주입압력의 전달도 충분하기 때문에, 결과 금형내에서의 재료가 받는 성형성(면 거칠기의 향상, 웰드부의 강도향상, 재료충전성), 가스빠짐성, 치수정밀도가 향상하였다. 더욱 유로구성부 이외의 부위에 대해서는, 유로구성부에 대하여 형상이 단순하고, 유로구성부를 통과한 소재의 용융상태라도 충분한 성형성을 얻을 수 있었다.

또한, 유로저항이 내려감으로써, 사출압력을 내려도 같은 성형성을 확보할 수 있었다. 수치에 대해서는 표에서 후술한다. 이로써 고압성형이 가능한 특수한 성형기가 불필요하게 되고, 설비투자가 내려가 결과적으로 비용저감의 효과도 기대할 수 있다. 또한, 고압성형이 가능한 설비가 있는 경우는, 재료 압출압력이 동일하면, 유로저항이 내려가고 있기 때문에, 재료충전시간이 줄어들어 성형 사이클이 단축되어, 생산성의 향상, 비용저감이 가능하게 된다.

상기 효과는, 사출성형재 주입게이트 흔적이 입구매니폴드와 출구매니폴드의 사이에 3개소인 것이라도 얻을 수 있지만, 입구에서 출구중앙근방에 1개소의 게이트의 경우, 게이트를 중심으로 한 전체 방위에 걸친 재료충전의 균일성이 특히 현저하였다.

(비교예 1)

비교예 1의 세퍼레이터로서, 사출성형재 주입게이트(21)의 위치가 다른 것 이외에는 실시형태 1과 같은 금형을 사용하여 3종류의 세퍼레이터를 제조하였다.

도 16(a)는, 비교예 1에 있어서의 냉각수 유로(4)가 형성된 측(100a)의 세퍼레이터(W/A)(100)의 평면도이다. 도 16(b)는, 비교예 1에 있어서의 연료가스유로(11)가 형성된 측(100b)의 세퍼레이터(W/A)(100)의 평면도이다. 또한, S는 도 16(a)의 점선으로 둘러싸인 부분의 확대도이다.

도 16(a)에 나타낸 바와 같이, 비교예 1에서 제조된 세퍼레이터(W/A)(100)의 사출성형재 주입게이트 흔적(12)은, 세퍼레이터(W/A)(1)와 마찬가지로 냉각수 유로(4)상에서, 냉각수 입구매니폴드(5)로부터 냉각수 출구매니폴드(6)의 사이에 3개소에 형성되고, 냉각수 유로(4)의 홈 깊이와 같은 깊이의 오목부를 가지고 있다.

여기서, 도 16(a)의 S로 나타낸 바와 같이, 비교예 1의 사출성형재 주입게이트 흔적(12)은, 2개가 동일방향으로 흐르고, 나머지 1개가 반대방향으로 가스가 흐르는 3개의 홈에 걸쳐 형성되어 있다.

또한, 상기와 같이, 실시형태 1의 세퍼레이터(C/W)(2)와 세퍼레이터(C/A)(3)와 비교하여 사출성형재 주입게이트 흔적(12)이, 2개가 동일방향으로 흐르고, 나머지 1개가 반대방향으로 흐르는 3개의 홈에 걸쳐 형성되도록, 금형의 사출성형재 주입게이트(21)의 위치를 변경하여, 세퍼레이터(C/W)(102)와 세퍼레이터(C/A)(103)를 제작하였다(도시하지 않음).

또, 각각의 세퍼레이터에 설치된 사출성형재 주입게이트 흔적(12)의 위치는 세퍼레이터를 적층시킬 때에 3개의 사출성형재 주입게이트 흔적(12)이 겹치도록 형성되어 있다.

또, 세퍼레이터에는 상기 세퍼레이터를 사용하여, 상기 실시형태 1과 같이 적층전지를 작성하였다. 이 전지에 대해서도 누출 체크를 하여, 시일성에 문제가 없는 것을 확인하였다.

(비교예 2)

더욱 비교예 2의 세퍼레이터로서, 사출성형재 주입게이트 흔적이 세퍼레이터의 사이드에 형성되는 것과 같은 금형을 사용하여, 사이드로부터 필름상에 충전하는 게이트 구성의 세퍼레이터를 작성하였다. 금형의 기본구성은 실시형태 1과 같이 핫 러너 방식으로 하고, 금형재료, 금형온도, 사출 노즐온도는 동일하게 하였다. 우선, 사출압력을 1600kgf/cm²로 성형을 하였다. 그 결과를 실시형태 1의 세퍼레이터와의 비교로 하기 표에 나타낸다.

[표 1]

No.	사출 압력	재료충전성	면거칠기	웰드부강도	치수정밀도	가스빠짐성	비 고
1	1600	×	×	×	×	×	성형할 수 없음
2	2200	×	×	×	×	×	성형할 수 없음
3	3000	○	△	△~ ×	×	△	웰드부 다수가스에 의한면거칠기 악화치수가 나오지않는다
실시형태 1(3개소)	1600	○	○	○	○	○	양호
실시형태 1(개소)	1600	◎	○	○	○	○	충전의 균일성양호

여기서, 재료충전성이 ×란, 육안으로 세퍼레이터의 표면에 직경 0.5mm 이상의 구멍형상의 'ㅈ'가 있는 상태를 나타내고 있다.

또한, 재료충전성이 ○이란, 육안으로 세퍼레이터의 표면에 'ㅈ'이 없고, 세퍼레이터의 단면의 일부에 직경 0.1mm 미만의 구멍형상의 'ㅈ'이 있는 상태를 나타낸다.

또한, 재료충전성이 ◎이란, 육안으로 세퍼레이터의 표면에 'ㅈ'이 없고, 세퍼레이터의 단면에도 'ㅈ'이 없는 상태를 나타낸다.

또한, No. 1 및 No. 2에 있어서, 면 거칠기가 ×란, 세퍼레이터의 면 거칠기가 500S 이상인 것을 나타낸다.

또한, No. 3에 있어서, 면 거칠기가 △란, 세퍼레이터의 면 거칠기가 200S ~ 300S인 것을 나타낸다.

또한, 면거칠기가 ○란, 세퍼레이터의 면 거칠기가 12.5S 미만인 것을 나타낸다.

또한, 웰드부 강도가 ×란, 세퍼레이터의 휨강도가 30MPa 미만인 것을 나타낸다.

또한, 웰드부 강도가 △란, 세퍼레이터의 휨강도가 30MPa 이상 40MPa 미만인 것을 나타낸다.

또한, 웰드부 강도가 ○란, 세퍼레이터의 휨강도가 40MPa 이상인 것을 나타낸다.

또한, 치수정밀도가 ×란, 세퍼레이터의 두께 정밀도가 ±50㎛이상이고, 세퍼레이터의 되접힘(warpage)이 1mm이상인 것을 나타낸다.

또한, 치수정밀도가 ○란, 세퍼레이터의 두께 정밀도가 ±50㎛ 미만이고, 세퍼레이터의 되접힘이 1mm 미만인 것을 나타낸다.

또한, 가스빠짐성이 ×란, 세퍼레이터의 표면의 1/3이상에 가스에 의한 표면거칠기가 있는 상태를 나타낸다.

또한, 가스빠짐성이 △란, 세퍼레이터의 표면의 1/10 이상에 가스에 의한 표면거칠기가 있는 상태를 나타낸다.

또한, 가스빠짐성이 ○란, 세퍼레이터의 표면의 전체면에서 가스에 의한 표면거칠기가 없는 상태를 나타낸다.

사출재료의 명백한 충전부족을 없애기 위해서 사출압력은 3000 kgf/cm²의 압력이 필요하였다. 유로부의 게이트 오목부는 없고, 종래와 같은 유로형상의 세퍼레이터를 제작하였다.

또한, 세퍼레이터만을 상기 세퍼레이터로 변경하여, 상기 실시형태 1과 같은 적층전지를 제작하였다. 이 전지에 대해서도 누출 체크를 하였다. 매니폴드 크로스 누출이 발생하여, 시일성에 문제가 생긴 것을 확인하였다.

상기 실시형태 1, 비교예 1, 비교예 2에서 작성한 세퍼레이터의 성형상태를 이하의 표 2에 나타낸다.

[표 2]

항 목		실시형태 1	비교예 1	비교예 2
치수정밀도	휨	○	○	× 휨이 큼
	두께불균일	○	○	× 게이트부가 두껍고 단면이 쐐기형상
	성형성	○	○	×게이트와 반대측에 가스발생에 의한 거칠기
가스기밀성		○	○	×웰드부, 가스거침부에서 가스 투과 큼
기계강도		○	○	× 웰드부가 다수 발생. 웰드부에서 크랙 발생
접촉저항		○	○	×장소에 따른 불균일 큼
판정		○	○	×

여기서, 치수정밀도의 되접힘이 ○란, 세퍼레이터의 되접힘이 1mm 미만인 것을 나타낸다.

또한, 치수정밀도의 되접힘이 ×란, 세퍼레이터의 되접힘이 1mm 이상인 것을 나타낸다.

또한, 치수정밀도의 두께가 ○란, 세퍼레이터의 두께가 ±50㎛미만인 것을 나타낸다.

또한, 치수정밀도의 두께가 ×란, 세퍼레이터의 두께가 ±50㎛ 이산인 것을 나타낸다.

또한, 치수정밀도의 성형성이 ○란, 세퍼레이터의 전체면에서 가스에 의한 표면거칠기가 없는 것을 나타낸다.

또한, 치수정밀도의 성형성이 ×란, 세퍼레이터의 일부에 가스에 의한 표면거칠기가 있는 것을 나타낸다.

또한, 가스기밀성이 ○란, 두께차 50kPa에서, 세퍼레이터로부터의 He누출량이 0.1ccm 미만(ND)인 것을 나타낸다.

또한, 가스기밀성이 ×란, 두께차 50kPa에서, 세퍼레이터로부터의 He 누출량이 0.1ccm 이상(ND)인 것을 나타낸다.

또한, 기계적 강도가 ○란, 세퍼레이터의 휨강도가 40MPa 이상인 것을 나타낸다.

또한, 기계적 강도가 ×란, 세퍼레이터의 휨강도가 40MPa 미만인 것을 나타낸다.

또한, 접촉저항이 ○란, 면압력 1 MPa에서 세퍼레이터의 접촉저항이 20mΩ·㎠미만인 것을 나타낸다.

또한, 접촉저항이 ×란, 면압력 1 MPa에서 세퍼레이터의 접촉저항이 20mΩ·㎠이상인 것을 나타낸다.

세퍼레이터는 한가운데에 복잡한 형상을 한 유로부가 있으며, 이것을 둘러싸도록 비교적 두께가 두꺼운 형상의 주위 부위로 구성되어 있다. 용융한 사출재료가 금형내에 충전될 때, 용융재료의 흐름에 대하여, 유로부는 큰 흐름의 저항이 되고, 주위부의 흐름의 저항은 비교적 작아진다. 그 때문에, 비교예 2와 같이 사이드로부터의 충전이면 흐르기 쉬운 주위부에서 충전이 시작되어, 유로부로의 충전은 늦어진다.

그 결과, 표 2에 나타난 바와 같이 다수의 웰드부가 발생하여 기계적 강도가 저하하는 원인이 되고 있었다. 또한, 재료의 충전속도에 차가 있기 때문에 가스의 벤드성도 악화하는 원인이 되고 있었다. 또한 열전도성이 좋기 때문에 충전거리가 길면 도중에 재료의 경화가 시작되어, 충전부족, 치수정밀도의 저하, 강도저하, 가스기밀성의 저하, 저항치의 불균형을 야기하는 원인이 되고 있었다.

이에 대하여, 실시형태 1, 비교예 1의 경우, 재료충전용 게이트가 재료의 흐름 저항이 가장 큰 유로부에 구성함으로써, 재료의 유동성이 높을 때에 가장 충전되기 어려운 부분이 충분히 재료충전되고, 또한 비교적 중심부에 게이트가 있기 때문에 용융재료의 충전거리가 줄어든다. 이로써 냉각에 의한 재료의 경화의 충전에 대한 악영향은 최소가 되어, 양호한 치수정밀도, 기계적 강도, 가스기밀성을 나타내어, 저항치의 불균형도 감소하는 것이 가능하게 되었다.

상기 실시형태 1과 비교예 1의 고분자전해질형 연료전지를, 85℃로 유지하여, 연료가스측의 전극측에 83℃의 노점이 되도록 가습·가온한 수소가스를, 산화제 가스측의 전극측에 78℃의 노점이 되도록 가습·가온한 공기를 공급하였다. 그 결과, 전류를 외부에 출력하지 않는 무부하시에는, 50V의 전지개방전압을 얻었다.

이 전지를 연료이용율 80%, 산소이용율 40%, 전류밀도 0.5A/cm²의 조건으로 일정한 발전을 하게 하였다. 그 출력특성을 도 17에 나타낸다.

그 결과, 도 17에 나타낸 바와 같이 실시형태 1의 전지는 전압도 높은 레벨에 있고 각 셀의 전압불균형도 ±5mV로 작은 것이었지만, 비교예 1의 적층전지에서는, 전압이 실시예의 적층전지에 비교하여 -5mV 낮았다. 더욱 초기의 전압불균형은 ±5mV이지만, 시간경과에 따라 전압의 진동이 발생하게 되어, 전압불균형은 -100mV정도 발생하여, 안정된 운전을 할 수 없었다.

그래서, 비교예 1의 전지를 분해하여 연료가스 및 산화제가스 유로의 3개의 홈에 걸쳐 있는 사출성형재 주입게이트 흔적(12)에 대하여, 가스흐름이 반대를 향하고 있는 부위에 카본으로 제작한 리브를 접착제로 고정하여, 반대방향으로 흐르는 가스가 혼합되지 않도록 칸막이를 설치하였다. 이렇게 해서 전지를 다시 조립하여 전지성능을 계측하였다. 이 때 전압은 실시형태 1에 비교해서 -2mV로 낮았지만, 전압불균형은 시간이 경과한 후에도 -30mV 정도로 개선이 보였다.

더욱이 다시 전지를 분해하여, 이번에는 냉각수유로가 설치된 게이트 오목부의 냉각수 흐름이 반대방향을 향하고 있는 부위에 조금전과 같이 카본으로 제작한 리브를 접착제로 고정하여, 반대방향으로 흐르는 냉각수가 혼합되지 않도록 칸막이를 설치하였다. 이렇게 해서 전지를 다시 조립하여 전지성능을 계측하였다. 이 때 전압은 실시형태 1의 전지에 비교하여, 동등한 레벨로 개선하였다. 또한 시간경과에 따라 전압의 불균형은 변화하지 않고 실시형태 1의 전지와 동등한 성능이었다.

이것은 사출성형재 주입게이트 흔적(12)에서 가스나 냉각수가 세퍼레이터내를 대폭 숏커트(shortcut)하여, 사출성형재 주입게이트 흔적(12)의 끝에 있는 주유로부위에 안정적으로 공기 혹은 냉각수가 공급되지 않고, 국소적인 온도의 상승에 의한 전압의 저하, 국소적인 확산분극에 의한 전압의 저하, 흐름의 불안정성으로부터 생기는 전압이 뛰어오르는 것을 초래하는 것을 알 수 있다. 이로부터 재료충전용의 게이트는, 복수의 유로에 걸친 경우, 흐름의 주된 방향을 동일한 유로 중에 구성하는 것이 유효한 것을 발견하였다.

(비교예 3)

또한, 비교예 3의 세퍼레이터로서, 사출성형재 주입게이트 흔적(12)을 세퍼레이터(C/A)(3)의 면(3b)의 연료가스 입구매니폴드(7)와 연료가스 출구매니폴드(8)의 사이에 3개소 설치한 세퍼레이터를, 사출성형재 주입게이트(21)의 위치를 변경한 금형을 사용하여 제작하였다.

이 경우, 연료가스측의 유로는 2개의 경로로 구성되어 있는 것으로부터, 사출성형재 주입게이트 흔적(12)의 폭이 유로 2개분의 폭보다도 크고, 3개의 홈에 걸친 구성이 되었다. 사출성형재 주입게이트(21)를 작게 하는 것은 금형의 게이트 가공의 제약과 게이트의 내구성의 관점에서 한계가 있었다.

그 결과, 연료가스유로(11)에 있어서, 서로 반대방향으로 흐르는 가스가 서로 혼합되는 구성이 되어 버리고, 비교예 1의 전지에서 생긴 것과 같은, 전압의 저하와 불균형이 발생하여 버리고, 구성으로서 연료가스측 유로에 게이트 오목부를 구성하는 것은 바람직하지 못한 것을 알 수 있다.

(실시형태 2)

다른 실시형태를 설명한다. 세퍼레이터의 형상 이외의 요소는 실시형태 1에 사용한 것과 같은 것을 사용하여 평가를 하였다.

본 실시형태 2에 있어서도 실시형태 1과 같이 전자양도체 부위용 혼합물은 흑연과 PPS(폴리페닐렌설파이드)수지를 중량비율로 7:3으로 혼합한 것을 사용하였다. 유로에 설치하는 사출성형재 주입게이트 흔적(12)의 위치가, 표 3에 나타내는 개소에 형성되도록 성형을 하였다.

성형에 사용한 사출성형기, 사출압력 이외의 실시형태 1과 같다. 각각의 세퍼레이터에 대하여 실시형태 1과 같이 전지시험을 하였다. 사출성형재 주입게이트 흔적(12) 이외의 세퍼레이터의 구성, 적층전지의 구성은 실시예 1과 같게 하였다. 결과를 표 3에 나타낸다.

[표 3]

유로부의 게이트 위치		입구∼출구 균등하게 3점	입구∼출구 중앙에 1점	사방과 중앙의 5점
성형성	충전성	○	○	◎
	웰드개소	○	○	◎
	치수정밀도	○	○	○
	사출압력(kgf/cm²)	1600	2000	1300
가스기밀성		○	○	○
기계적 강도		○	○	○
전지성능	전 압	○	◎	△
전지성능	전압불균일	○	◎	○
판 정		○	◎	○

여기서, 성형성의 충전성이 ○라는 것은, 육안으로 세퍼레이터의 표면에 'ㅈ'가 없고, 세퍼레이터의 단면의 일부에 직경 0.1 미만의 구멍형상의 'ㅈ'가 있는 상태를 나타내고 있다.

또한, 성형성의 충전성이 ◎라는 것은, 육안으로 세퍼레이터의 표면에 'ㅈ'이 없고, 세퍼레이터의 단면에도 'ㅈ'이 없는 상태를 나타낸다.

또한, 성형성의 웰드개소가 ○라는 것은, 육안으로 세퍼레이터의 표면에 'ㅈ'가 없고, 세퍼레이터의 단면의 일부에 직경 0.1 미만의 구멍형상의 'ㅈ'가 있는 상태를 나타내고 있다.

또한, 성형성의 웰드개소가 ◎라는 것은, 육안으로 세퍼레이터의 표면에 'ㅈ'이 없고, 세퍼레이터의 단면에도 'ㅈ'이 없는 상태를 나타낸다.

또한, 성형성의 치수정밀도가 ○라는 것은, 세퍼레이터의 전체면에서 가스에 의한 표면거칠기가 없는 것을 나타내고 있다.

또한, 가스기밀성이 ○라는 것은, 두께차 50kPa에서, 세퍼레이터로부터의 He 누출량이 0.1ccm 미만(ND)인 것을 나타내고 있다.

또한, 기계적 강도가 ○라는 것은, 세퍼레이터의 휨강도가 40MPa이상인 것을 나타내고 있다.

또한, 전지성능의 전압이 ○라는 것은, 전지의 전압이 베이스전압으로부터 -2mV인 것을 나타내고 있다.

또한, 전지성능의 전압이 ◎라는 것은, 전지의 전압이 베이스 전압으로 유지되어 있는 것을 나타내과 있다.

또한, 전지성능의 전압이 △라는 것은, 전지의 전압이 베이스 전압으로부터 -5mV인 것을 나타내고 있다.

또한, 상기 설명에 있어서 베이스 전압이란, 표전전압인 것을 말한다.

또한, 전지성능의 전압불균형이 ○라는 것은, 전압불균형이 ±10mV이내인 것을 나타내고 있다.

또한, 전지성능의 전압불균형이 ◎라는 것은, 전압불균형이 ±5mV이내인 것을 나타내고 있다.

유로부의 입구로부터 출구의 사이에 1점만 게이트 흔적이 형성된 구성이 가장 전압이 높고, 또한 전압불균형도 작고 양호한 결과였다. 게이트를 5점 설치한 것은 성형성은 향상하고 치수정밀도, 기계강도, 가스기밀성은 가장 양호한 결과였다. 단, 게이트 흔적이 유로부에 5개소 존재하기 때문에 MEA와의 접촉저항이 증가하고, 다른 것에 비하여 전압이 약간 낮은 결과이었다.

또한, 게이트 흔적이 1개소인 구성에 대하여, 금형내에서의 용융재료의 유동해석을 하였다. 그 결과, 유로부에 설치하는 게이트는 유로입구와 출구의 거의 중간에 1점 설치하는 것이, 재료의 충전성, 가스벤드성에 우수한 것을 알 수 있다.

한편, 유로부에 설치하는 게이트 흔적은 상기와 같지만, 상기 구성의 유로부 게이트에 더하여, 유로 주변부에 다점에서 재료충전용 게이트를 구성한 금형에 의한 세퍼레이터는 더욱 성형성이 양호했다.

한편, 본 실시형태 1에 있어서의 연료전지 세퍼레이터용 금형 및 그 금형을 사용한 제조방법에 의해서, 성형성이 향상하기 때문에 혼합물의 도전성 필러의 비율을 높이는 것이 가능하게 되어, 세퍼레이터의 도전성을 향상시키는 것이 가능하게 되고, 전지성능의 향상을 도모하는 것도 가능하게 된다.

또한, 본 실시형태 1에 있어서, 연료가스유로의 홈이 2개이기 때문에, 금형의 연료가스유로 성형부에는 사출성형재 주입게이트를 설치하고 있지 않았다. 그러나, 연료가스유로의 홈을 3개로 늘려, 그 3개의 홈의 폭 내에 사출성형재 주입게이트 흔적이 형성되도록 하는 경우는, 연료가스유로 성형부에 사출성형재 주입게이트를 설치하더라도 좋다. 즉, 형성되는 유로 홈 내의 유통방향이 동일방향인 부분에 사출성형재 주입게이트 흔적이 형성되도록 제조되면 좋다. 단, 연료전지를 안정적으로 동작시키기 위해서는 일정한 유속을 확보할 필요가 있지만, 연료가스는 산화제가스에 비해서 가스의 총량이 적기 때문에, 연료가스 유로홈의 개수는 적게 구성하는 편이 보다 바람직하다.

또한, 본 발명의 사출성형재 주입용 게이트는, 본 실시형태 1에서는 금형의 한쪽에만 설치되지만, 상하 금형의 양쪽에 설치하더라도 좋다. 단, 본 실시형태 1과 같이 연료가스유로 성형부에 사출성형재 주입용 게이트를 설치하지 않도록 하면, 세퍼레이터(C/W)용의 금형만 상하 금형의 양쪽에 설치하는 것이 가능하다. 이것은, 세퍼레이터(C/W)용의 금형은, 한쪽에 산화제가스유로 성형부를, 다른 쪽에 냉각수유로 성형부를 구비하고 있기 때문이다.

또, 본 실시형태에서는, 스택(30)의 구성으로서 단전지(43)에 의해서, 복수의 단전지(42)를 끼우고 있었지만, 단전지(42)만, 또는 단전지(43)만으로 구성하여도 좋고, 본 실시형태의 구성에 한정되는 것이 아니다.

또, 본 발명의 연료전지 세퍼레이터용 금형을 사용하여 작성한 연료전지 세퍼레이터는, 실시형태 1, 2에서는, 고체고분자형 연료전지의 세퍼레이터에 해당하지만, 이에 한정되지 않는다. 본 발명의 연료전지 세퍼레이터는, 인산형 연료전지에 사용하는 세퍼레이터라도 좋다. 요컨대 본 발명의 연료전지 세퍼레이터는, 동일방향으로 흐르는 유로부에 사출성형재 주입게이트 흔적이 남도록 사출성형된 세퍼레이터이기만 하면 된다.

또, 본 실시형태 1에서는, 혼합물에 바인더수지로서 PPS 수지를 사용하였지만, 예컨대, 폴리에틸렌, 폴리스틸렌, 폴리프로필렌, 메타크릴수지, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리카보네이트, 폴리아미드, 폴리이미드, 폴리비닐알콜, 폴리페닐렌설파이드, 폴리에테르케톤, 폴리에테르이미드불소수지, 에스테르수지, 액정폴리머, 방향족 폴리에스테르, 폴리아세탈, 폴리페닐렌에테르 등에 대표되는 다른 열가소성 수지나, 도전성 필러에는, 천연흑연, 인조흑연, 팽창흑연, 메소페즈카본, 아세틸렌블랙, 케첸블랙, 카본블랙, 그래쉬 카본 등으로 대표되는 카본계 재료나 금속제 필러 등을 바인더수지로서 사용하더라도 동일한 효과를 얻을 수 있는 것은 말할 필요도 없다.

또한, 바인더수지로서, 페놀수지, 유리어수지, 멜라민수지, 불포화폴리에스테르수지, 디아릴프탈레이트수지, 에폭시수지로 대표되는 열경화성 수지를 사용하는 것도 가능하다. 이 경우, 충전한 재료를 금형내에서 가열·경화시키기 위해서 노즐내의 온도보다 금형내의 온도를 높여, 성형을 한다. 단, 성형에 필요한 제조택트타임은 열가소성 수지의 혼합물이 40초 정도였던 것이, 열경화성 수지의 혼합물로서는 120초 정도 필요하였다.

[산업상 이용가능성]

본 발명에 관한 연료전지 세퍼레이터용 금형, 연료전지 세퍼레이터의 제조방법, 연료전지 세퍼레이터, 연료전지 세퍼레이터의 제조장치 및 연료전지는, 안정된 치수, 가스기밀성, 저항치의 저감, 또는 기계적 강도의 확보를 확실히 하는 것이 가능하고, 신뢰성의 향상, 전지성능의 향상, 또는 대량생산시의 대폭적인 비용저감을 도모하는 것이 가능한 세퍼레이터, 및 고분자전해질형 연료전지를 제공할 수 있는 효과를 가지며, 포터블전원, 전기자동차용전원, 가정내 코제너레이션시스템 등으로서 유용하다.

본 발명에 의해, 안정된 치수, 가스 기밀성, 저항치의 저감, 또는 기계적 강도의 확보를 확실하게 할 수 있는 연료전지 세퍼레이터용 금형, 연료전지 세퍼레이터, 그 제조방법, 그 제조장치 및 연료전지를 제공할 수 있다.

또, 신뢰성의 향상, 전지성능의 향상, 또는 대량생산시의 대폭적인 비용저감을 도모하는 것이 가능한, 연료전지 세퍼레이터용 금형, 연료전지 세퍼레이터, 그 제조방법, 그 제조장치, 연료전지를 제공할 수 있다.

또한, 본 발명의 제조방법에 의하면, 세퍼레이터 및 연료전지를 바람직하게 제조할 수가 있다.

도 1 (a)는 본 발명에 관한 실시형태 1에 있어서의 연료전지 세퍼레이터(W/A)의 냉각수 유로가 형성된 측의 평면도이고, (b)는 본 발명에 관한 실시형태 1에 있어서의 연료전지 세퍼레이터(W/A)의 연료가스 유로가 형성된 측의 평면도이다.

도 2의 (a)는 본 발명에 관한 실시형태 1에 있어서의 연료전지 세퍼레이터(C/W)의 산화제가스 유로가 형성된 측의 평면도이고, (b)는 본 발명에 관한 실시형태 1에 있어서의 연료전지 세퍼레이터(C/W)의 냉각수 유로가 형성된 측의 평면도이다.

도 3의 (a)는 본 발명에 관한 실시형태 1에 있어서의 연료전지 세퍼레이터(C/A)의 산화제가스 유로가 형성된 측의 평면도이고, (b)는 본 발명에 관한 실시형태 1에 있어서의 연료전지 세퍼레이터(C/A)의 연료가스 유로가 형성된 측의 평면도이다.

도 4는 본 발명에 관한 실시형태 1에 있어서의 연료전지 세퍼레이터(C/A)용 금형과 연료전지 세퍼레이터(W/A)의 측면도이다.

도 5의 (a)는 본 발명에 관한 실시형태 1에 있어서의 연료전지 세퍼레이터(C/A)용 금형의 냉각수유로 성형부의 평면도이고, (b)는 본 발명에 관한 실시형태 1에 있어서의 연료전지 세퍼레이터(C/A)용 금형의 산화제가스유로 성형부의 평면도이다.

도 6은 본 발명에 관한 실시형태 1에 있어서의 연료전지 세퍼레이터(C/A)용 금형과 연료전지 세퍼레이터(W/A)의 측면도이다.

도 7의 (a)는 본 발명에 관한 실시형태 1에 있어서의 연료전지 세퍼레이터(C/A)용 금형의 산화제가스유로 성형부의 평면도이고, (b)는 본 발명에 관한 실시형태 1에 있어서의 연료전지 세퍼레이터(C/A)용 금형의 냉각수유로 성형부의 평면도이다.

도 8은 본 발명에 관한 실시형태 1에 있어서의 연료전지 세퍼레이터(C/A)용 금형과 연료전지 세퍼레이터(W/A)의 측면도이다.

도 9의 (a)는 본 발명에 관한 실시형태 1에 있어서의 연료전지 세퍼레이터(C/A)용 금형의 산화제가스유로 성형부의 평면도이고, (b)는 본 발명에 관한 실시형태 1에 있어서의 연료전지 세퍼레이터(C/A)용 금형의 연료가스유로 성형부의 평면도이다.

도 10은 본 발명에 관한 실시형태 1에 있어서의 연료전지 세퍼레이터를 사용한 연료전지의 측면도이다.

도 11은 본 발명에 관한 실시형태 1에 있어서의 연료전지 세퍼레이터를 사용한 스택의 측면구성도이다.

도 12의 (a)는 본 발명에 관한 실시형태 1에 있어서의 끝단세퍼레이터(W/B)의 냉각수유로가 형성된 측의 평면도이고, (b)는 본 발명에 관한 실시형태 1에 있어서의 끝단세퍼레이터(W/B)의 유로가 형성되어 있지 않은 측의 평면도이다.

도 13의 (a)는 본 발명에 관한 실시형태 1에 있어서의 끝단세퍼레이터(B/W)의 유로가 형성되어 있지 않은 측의 평면도이고, (b)는 본 발명에 관한 실시형태 1에 있어서의 끝단세퍼레이터(B/W)의 냉각수유로가 형성된 측의 평면도이다.

도 14는 본 발명에 관한 실시형태 1에 있어서의 연료전지 세퍼레이터의 제조장치(사출성형기)의 구성을 도시한 도면이다.

도 15는 본 발명에 관한 실시형태 1에 있어서의 연료전지 세퍼레이터의 제조장치(사출성형기)의 노즐과 금형부와의 부분의 확대도이다.

도 16의 (a)는 본 발명에 관한 비교예 1에 있어서의 연료전지 세퍼레이터(W/A)의 냉각수 유로가 형성된 측의 평면도이고, (b)는 본 발명에 관한 비교예 1에 있어서의 연료전지 세퍼레이터(W/A)의 연료가스 유로가 형성된 측의 평면도이다.

도 17은 본 발명에 관한 실시형태 1에 있어서의 연료전지 세퍼레이터를 사용한 연료전지와 비교예 1에 있어서의 연료전지 세퍼레이터를 사용한 연료전지의 출력특성을 도시한 도면이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

1 : 세퍼레이터(W/A)

1a : 세퍼레이터(W/A)의 냉각수유로 형성면

1b : 세퍼레이터(W/A)의 연료가스유로 형성면

2 : 세퍼레이터(C/W)

2a : 세퍼레이터(C/W)의 산화제가스유로 형성면

2b : 세퍼레이터(C/W)의 냉각수유로 형성면

3 : 세퍼레이터(C/A)

3a : 세퍼레이터(C/A)의 산화제가스유로 형성면

3b : 세퍼레이터(C/A)의 연료가스유로 형성면

4 : 냉각수 유로

5 : 냉각수 입구매니폴드

6 : 냉각수 출구매니폴드

7 : 연료가스 입구매니폴드

8 : 연료가스 출구매니폴드

9 : 산화제가스 입구매니폴드

10 : 산화제가스 출구매니폴드

11 : 연료가스 유로

12 : 사출성형재 주입게이트 흔적

13 : 산화제가스 유로

20 : 금형

21 : 사출성형재 주입게이트

22 :냉각수유로 성형부

23 : 연료가스유로 성형부

24 : 매니폴드 성형부

Claims

연료전지 세퍼레이터를 성형하는 연료전지 세퍼레이터용 금형에 있어서,

전해질의 양면에 배치된 한 쌍의 전극의 한쪽에 산화제 가스를 공급하기 위한 산화제가스 유로, 또는 상기 한 쌍의 전극의 다른 쪽에 연료가스를 공급하기 위한 연료가스 유로, 또는 냉각을 하기 위한 냉각수 유로를 성형하기 위한 제 1 유로성형부와,

상기 제 1 유로성형부 또는 그 근방의 적어도 1개소에 설치되는 사출성형재 주입게이트를 구비한, 연료전지 세퍼레이터용 금형.
제 1 항에 있어서, 상기 제 1 유로성형부가 형성되어 있지 않은 부위에, 상기 산화제가스 유로, 또는 상기 연료가스 유로, 또는 상기 냉각수 유로 중, 상기 제 1 유로성형부에 의해서 성형되는 유로 이외의 유로를 성형하는 제 2 유로성형부를 적어도 구비한 연료전지 세퍼레이터용 금형.
제 1 항에 있어서, 상기 제 1 유로성형부는, 복수 개의 평행한 유로홈 볼록부를 가지고 있으며,

상기 사출성형재 주입게이트는, 상기 복수 개의 유로홈 볼록부에 걸쳐 형성되어 있는 연료전지 세퍼레이터용 금형.
제 3 항에 있어서, 상기 사출성형재 주입게이트는, 상기 복수 개의 유로홈 볼록부에 의해서 성형되는, 연료전지 세퍼레이터의 복수 개의 유로홈의 유통방향이 동일방향이 되는 상기 제 1 유로성형부상에 설치되는 연료전지 세퍼레이터용 금형.
제 1 항에 있어서, 상기 사출성형재 주입게이트는, 상기 제 1 유로성형부에 의해서 성형되는 유로의 입구로부터 출구에 이르는 상기 제 1 유로성형부의 중앙근방에 형성되어 있는 연료전지 세퍼레이터용 금형.
제 3 항에 있어서, 상기 사출성형재 주입게이트는, 상기 산화제가스유로 성형부, 또는 상기 냉각수유로 성형부에 설치되는 연료전지 세퍼레이터용 금형.
제 1 항에 기재된 연료전지 세퍼레이터용 금형내에 상기 사출성형재 주입게이트로부터 재료를 주입하여 사출성형을 하는 공정을 구비한 연료전지 세퍼레이터의 제조방법.
제 7 항에 있어서, 상기 재료는, 도전성 필러와 바인더수지의 혼합물을 포함하고 있는 연료전지 세퍼레이터의 제조방법.
전해질의 양면에 배치된 한 쌍의 전극의 한쪽에 산화제 가스를 공급하기 위한 산화제가스 유로, 또는 상기 한 쌍의 전극의 다른 쪽에 연료가스를 공급하기 위한 연료가스 유로, 또는 냉각을 하기 위한 냉각수 유로가 형성된 유로면과,

상기 유로면상의 상기 유로 또는 그 근방에, 적어도 1개소의 사출성형재 주입게이트 흔적이 형성되어 있는 연료전지 세퍼레이터.
제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 기재된 연료전지 세퍼레이터용 금형을 사용하여 성형된 연료전지 세퍼레이터.
제 7 항 또는 제 8 항에 기재된 연료전지 세퍼레이터의 제조방법에 의해 성형된 연료전지 세퍼레이터.
전해질막과, 상기 전해질막의 양면에 배치된 한 쌍의 가스확산전극과, 상기 한 쌍의 가스확산전극을 바깥쪽에서 끼우도록 배치된 한 쌍의 세퍼레이터를 가진, 적층된 복수의 단전지를 구비하고,

상기 세퍼레이터는, 제 9 항에 기재된 연료전지 세퍼레이터인 연료전지.
전해질막과, 상기 전해질막의 양면에 배치된 한 쌍의 가스확산전극과, 상기 한 쌍의 가스확산전극을 바깥쪽에서 끼우도록 배치된 한 쌍의 세퍼레이터를 가진, 적층된 복수의 단전지를 구비하고,

상기 세퍼레이터는, 제 10 항에 기재된 연료전지 세퍼레이터인 연료전지.
전해질막과, 상기 전해질막의 양면에 배치된 한 쌍의 가스확산전극과, 상기 한 쌍의 가스확산전극을 바깥쪽에서 끼우도록 배치된 한 쌍의 세퍼레이터를 가진, 적층된 복수의 단전지를 구비하고,

상기 세퍼레이터는, 제 11 항에 기재된 연료전지 세퍼레이터인 연료전지.
제 1 항에 기재된 연료전지 세퍼레이터용 금형과,

상기 연료전지 세퍼레이터용 금형의 상기 사출성형재 주입게이트에 사출성형재를 주입하기 위한 노즐과,

상기 사출성형재 주입게이트에 주입되는 상기 사출성형재를 가열하는 가열부를 구비한, 연료전지 세퍼레이터의 제조장치.