KR20120053440A

KR20120053440A - 가스켓을 가지는 연료전지용 분리판 및 이의 제조방법

Info

Publication number: KR20120053440A
Application number: KR1020100114717A
Authority: KR
Inventors: 진상문; 김세훈; 양유창; 백석민; 허성일
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2010-11-17
Filing date: 2010-11-17
Publication date: 2012-05-25
Also published as: US20140335444A1; CN102468456A; KR101210638B1; US9806353B2; CN102468456B; US8822099B2; US20120122009A1

Abstract

본 발명은 상기 분리판의 일면에 가스켓 재료를 사출성형하여 가스켓을 형성하는 단계; 상기 가스켓을 형성하는 단계와 독립적으로 성형되고, 1차기밀부가 형상을 유지하기 위해 프레임의 전체면을 감싸고, 2차기밀부가 상기 1차기밀부의 양단부에서 상하방향으로 돌출되도록 상기 프레임에 프레임가스켓을 사출성형하는 단계; 및 연료전지스택을 제조하기 위해 상기 가스켓이 일면에 사출성형된 분리판의 반대쪽 면에 상기 프레임가스켓의 1차기밀부를 접촉시키고, 상기 프레임가스켓의 2차기밀부를 MEA를 사이에 두고 인접한 셀의 2차기밀부와 접촉하도록 적층시키는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 가스켓을 가지는 연료전지용 분리판의 제조방법을 제공한다.
상기 방법에 의해 제조된 가스켓을 가지는 연료전지용 분리판은 가스켓의 사출성형시 분리판의 가스켓 양측면에 발생되는 요홈부를 2차기밀부로 밀폐시킴으로써, 기밀성 및 내구성을 향상시킬 수 있다.

Description

가스켓을 가지는 연료전지용 분리판 및 이의 제조방법{Separator for fuel cell with gasket and method for manufacturing the separator}

본 발명은 가스켓을 가지는 연료전지용 분리판 및 이의 제조방법에 관한 것으로서, 기밀성을 향상시킬 뿐만 아니라 전기적 안정성과 내구성을 더욱 향상시킬 수 있는 가스켓을 가지는 연료전지용 분리판 및 이의 제조방법에 관한 것이다.

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

또한, 공기극 및 연료극이 위치한 바깥 부분에는 가스확산층(GDL: Gas Diffusion Layer) 및 가스켓(Gasket)이 차례로 적층되고, 가스확산층의 바깥쪽에는 연료를 공급하고 반응에 의해 발생된 물을 배출하도록 유로(Flow Field)가 형성된 분리판이 적층된다.

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

따라서, 상기 연료전지 스택의 연료극에서는 수소의 산화반응이 진행되어 수소이온(Proton)과 전자(Electron)가 발생하게 되고, 이때 생성된 수소이온과 전자는 각각 전해질막과 분리판을 통하여 공기극으로 이동하게 되며, 상기 공기극에서는 연료극으로부터 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 약 0.1mm 정도의 두께를 가지는 금속박판을 스템핑 등의 성형공법에 의해 유로를 형성하여 연료전지 스택 내에서 환원가스와 산화가스를 셀에 공급하고, 스택을 냉각하기 위한 냉각수를 공급하는 역할을 하며, 발전된 전류를 이동시키는 통로 역할을 하게 되므로, 환원가스와 산화가스 및 냉각수가 서로 섞이지 않도록 기밀성이나 액밀성이 요구된다.

이에 분리판 표면에는 가스켓이 적용되어 냉각수 및 반응기체(수소, 공기)의 기밀을 유지하는 동시에 분리판의 반대면의 가스켓을 지지하는 역할을 한다.

상기 가스켓은 연료전지스택 제작시 생산성을 고려하여 사출성형에 의해 금속분리판의 양면에 일체화되도록 형성된다.

도 1은 종래의 사출성형에 의해 분리판에 가스켓(7)을 일체로 접합하는 방법을 보여주는 단면도로서, 먼저 금속분리판(1)(이하, 분리판(1)으로 약칭함)의 전체 표면중 가스켓(7)이 사출될 영역에 접착제를 도포한다.

그 다음, 상형(2)과 하형(3)의 내부에 각각 가스켓(7)의 형상에 맞게 각각 가공된 상부가스켓홈(2a)과 하부가스켓홈(3a) 사이에 분리판(1)이 위치하도록 하형(3)의 상면에 분리판(1)을 로딩한다.

계속해서, 상형(2)을 이동시켜 분리판(1)의 에지 부분을 가압 고정한 다음, 분리판(1)의 상면과 하면에 가스켓 재료를 사출하여 분리판(1)의 양면에 가스면 가스켓(5)과 냉각면 가스켓(6)을 일체로 성형 및 접합시킨다.

도 2는 종래의 사출성형에 의해 가스켓(7)이 일체화된 금속분리판(1)의 구조를 보여주는 평면도 및 단면도로서, 가스켓(7)이 금속분리판(1)의 가장자리부와 각 매니폴드(8)의 주변에 일체로 형성되어 있고, 이 가스켓(7)은 금속분리판(1)의 상면에 일체로 형성되어 반응기체(수소 또는 공기)의 기밀을 유지하는 가스면 가스켓(5)과, 금속분리판(1)의 하면에 일체로 형성되어 냉각수의 기밀을 유지하는 냉각면 가스켓(6)으로 구분할 수 있다.

이와 같이 분리판(1)에 형성된 상기 가스켓(7)(Gasket)은 연료전지 스택의 각 유니트 셀(Unit Cell)을 나누는 기준이 되는 동시에 분리판(1)의 표면에 형성된 수소, 냉각수, 공기 유로를 독립적으로 밀폐시킨다.

그러나 상기 분리판(1)에 가스켓(7)을 양면 사출성형하는 방법은 연료전지스택을 간편하게 제작할 수 있는 장점이 있지만, 가스켓(7) 사출성형시 문제점을 첨부한 도 3 및 도 4를 참조하여 설명하면 다음과 같다.

첨부한 도 3은 가스켓(7) 사출시 분리판 변형 및 오염 발생을 보여주는 단면도이다.

1. 상기 분리판(1)의 양면에 각각 형성된 가스면 가스켓(5)과 냉각면 가스켓(6)의 구조와 두께가 서로 다르기 때문에, 약 0.1mm 정도되는 박판의 분리판(1) 양면에 각각 가스켓 재료를 사출하게 되면 분리판(1)의 양면에 흐르는 가스켓 재료의 압력차로 인해 분리판(1)의 중간부가 아래로 굽혀지는 현상이 발생된다.

예를 들면, 상형(2) 내부에 형성된 상부가스켓홈(2a)과 하형(3) 내부에 형성된 하부가스켓홈(3a)에 동시에 가스켓 재료가 주입되면, 두께가 두꺼운 상부가스켓홈(2a)에 충진되는 가스켓 재료의 양이 두께가 얇은 하부가스켓홈(3a)에 충진되는 가스켓 재료의 양보다 더 많기 때문에, 상부가스켓홈(2a)과 하부가스켓홈(3a)에 충진된 가스켓 재료의 압력차이가 발생하여 분리판(1)의 중간부가 아래방향으로 휘어지게 된다.

또한, 상기 분리판(1)의 양면에 흐르는 가스켓 재료의 흐름성 차이로 인해 미충진 영역이 발생하거나 가스켓 재료가 금형(4) 외부로 빠져 나와 버(burr)를 발생시킨다.

예를 들면, 각 가스켓홈에 동일한 압력으로 주입될 때 상부가스켓홈에 흐르는 가스켓 재료의 흐름속도가 하부가스켓홈(3a)에 흐르는 가스켓 재료의 흐름속도보다 더 느려서 부분적으로 미충진영역이 발생할 수 있다.

또한, 상부가스켓홈에 흐르는 가스켓 재료의 압력이 미사출영역인 분리판(1)의 에지부를 가압하는 압력보다 더 센 경우에 상형(2)과 하형(3)의 틈새로 가스켓 재료가 삐져나와 응고되어 버를 발생시킬 수 있다.

특히, 상형(2)과 하형(3)의 틈새로 가스켓 재료가 유입되는 경우에 분리판(1)의 표면을 오염시키고, 이로 인해 분리판(1)의 접촉저항을 증가시켜 스택 성능을 저하시킨다.

또한, 상기 버가 요철구조로 된 분리판(1)의 유로에 끼인 경우에 기계나 타발기 등을 이용하여 버 제거작업을 자동화할 수 없고, 사람이 수작업으로 제거해야하는 번거로움이 있다.

첨부한 도 4는 종래기술에 따른 가스켓이 일체화된 분리판의 요홈부에서 쇼트 및 부식이 발생되는 문제점을 설명하기 위한 단면도이다.

2. 상기 가스켓(7)이 양면사출된 분리판(1)의 에지 부분(미사출영역)에는 가스켓(7)이 사출되지 않음을 볼 수 있고, 이에 가스켓(7)이 사출되지 않은 분리판(1)의 에지 부분의 금속 표면은 항상 외부로 노출되는 상태가 된다.

이렇게 분리판(1)의 에지 부분에 가스켓(7)이 사출되지 않은 이유는 상기와 같이 분리판(1)에 가스켓(7)을 일체로 사출할 때, 분리판(1)의 에지 부분은 사출 금형(4)이 밀착되어 잡아주는 부분이 되기 때문이다.

물론, 분리판(1)의 에지 부분에 가스켓(7)이 사출되지 않더라도 기밀 성능에는 큰 영향이 없다.

그러나, 이 분리판(1)의 에지 부분은 연료전지의 성능에 관계없는 데드존(dead zone)으로, 상기 분리판(1)의 양면에 가스켓 재료의 사출 압력 차이로 인해 발생되는 분리판(1)의 변형을 줄이기 위해 상기 분리판(1)의 에지 부분을 크게 하는 경우에 연료전지 스택의 출력밀도를 저하시키는 원인이 된다.

특히, 상기 분리판(1)의 에지 부분 사이에 빈공간으로 형성된 요홈부가 연료전지차량의 특성상 연료전지스택의 운전시 흔히 발생되는 고온 다습한 분위기에 노출되기 쉽고, 이 경우 분리판(1)의 에지부분 사이에 형성된 요홈부의 빈 공간에 응축수가 맺히게 된다.

이로 인해, 이 응축수가 셀 간을 이동하면서 전기적 통로를 형성하여 각 셀 간의 쇼트를 발생시키고, 분리판(1) 표면이 응축수로 인해 부식되어 결국 분리판(1)의 수명을 단축시키는 원인이 된다.

도 4에서 미설명 도면부호 8은 MEA이다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 발명한 것으로서, 분리판의양면에 가스켓 재료를 동시에 사출하는 대신에 분리판의 일면에만 가스켓 재료를 사출성형함으로써, 분리판의 양면에 작용하는 사출압력의 차이로 인해 발생되는 분리판의 변형 및 오염 등의 문제점을 해결할 수 있는 가스켓을 가지는 연료전지용 분리판 및 이의 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

또한, 본 발명은 프레임이 내장된 프레임 가스켓의 양단부에 돌출부를 형성하여 분리판의 에지 부분 사이에 형성된 요홈부를 감싸면서 밀폐시킴으로써, 분리판의 기밀성을 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라, 연료전지스택 제작시 프레임 가스켓이 적용된 분리판을 사용함으로써, 스택의 절연 및 부식의 문제를 개선할 수 있는 가스켓을 가지는 연료전지용 분리판 및 이의 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 기밀유지를 위해 분리판의 일면에 일체로 형성되어, 분리판의 양면에 동시 사출로 인해 발생되는 분리판의 변형 및 오염등을 방지하는 가스켓;

상기 분리판과 독립적으로 구성되고, 기밀유지를 위해 상기 분리판의 반대면에 접하도록 된 1차기밀부를 가지는 프레임가스켓;을 포함하는 것을 특징으로 하는 가스켓을 가지는 연료전지용 분리판을 제공한다.

여기서, 상기 프레임가스켓의 1차기밀부는 프레임이 내장되어 외형을 유지하는 것을 특징으로 한다.

상기 프레임가스켓은 1차기밀부의 양단에서 상하방향으로 돌출형성된 2차기밀부를 포함하고, 상기 2차기밀부에 의해 연료전지스택 제작시 분리판과 가스켓의 양측단부에 형성된 요홈부를 밀폐시킴으로써, 상기 요홈부에 생성된 응축수가 셀들 사이에 전기적으로 연결시킴으로 인해 발생되는 쇼트 및 부식을 방지하여 스택의 절연성 및 분리판의 내구성을 향상시킬 뿐만 아니라 2차기밀부에 의해 이중으로 기밀을 유지하여 분리판의 기밀성을 향상시킬 수 있는 것을 특징으로 한다.

상기 프레임가스켓의 1차기밀부는 분리판의 냉각면측의 가장자리부와 매니폴드(8) 주변에 접하여 기밀을 유지하도록 된 것을 특징으로 한다.

본 발명의 다른 측면은 분리판의 일면에 가스켓 재료를 사출성형하여 가스켓을 형성하는 단계;

상기 가스켓을 형성하는 단계와 독립적으로 성형되고, 1차기밀부가 형상을 유지하기 위해 프레임의 전체면을 감싸고, 2차기밀부가 상기 1차기밀부의 양단부에서 상하방향으로 돌출되도록 상기 프레임에 프레임가스켓을 사출성형하는 단계; 및

연료전지스택을 제조하기 위해 상기 가스켓이 일면에 사출성형된 분리판의 반대쪽 면에 상기 프레임가스켓의 1차기밀부를 접촉시키고, 상기 프레임가스켓의 2차기밀부를 MEA를 사이에 두고 인접한 셀의 2차기밀부와 접촉하도록 적층시키는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 가스켓을 가지는 연료전지용 분리판의 제조방법을 제공한다.

상기 1차기밀부가 프레임의 전체면을 감싸도록 사출성형하기 위해 상부금형과 하부금형 내부에 상부돌기부와 하부돌기부가 각각 일체로 형성된 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 가스켓을 가지는 연료전지용 분리판 및 이의 제조방법의 장점을 설명하면 다음과 같다.

1. 가스켓 재료를 분리판의 일면에만 사출함으로써, 분리판의 반대면은 금형의 평평한 면에 의해 지지되기 때문에, 기존의 분리판의 양면에 가스켓 재료를 동시 사출시 발생되는 분리판의 변형 문제를 해결할 수 있다.

2. 분리판의 일면에만 사출성형할 경우에 양면 사출되는 분리판과 같이 분리판의 양면에 압력차로 인해 금형의 틈새로 가스켓 재료가 스며드는 현상을 방지하여 분리판의 오염을 막을 수 있다.

3. 상기 프레임에 가스켓 재료를 사출성형할 경우에 2차기밀부의 양측면에 버가 발생할 수 있으나, 상기 버는 기존의 분리판에 양면 사출시 발생되는 버와 달리 분리판에 가스켓 재료를 사출성형하지 않기 때문에 가스켓 재료가 요철구조로 된 분리판의 반응유로 등에 사출될 염려가 없고, 상기 버가 2차기밀부의 양측면에 외측방향으로 돌출되어 버 제거기계 또는 타발기 등에 의해 버 제거작업을 자동화할 수 있다.

4. 상기 프레임가스켓의 2차기밀부는 1차기밀부의 양단에서 상하방향으로 돌출형성되고, MEA와 함께 교대로 적층되어 분리판의 에지부에 형성된 요홈부를 감싸면서 밀폐시킴으로써, 단위셀 간을 절연시켜 전기적 안정성 및 기밀성을 향상시킬 수 있다.

5. 상기 분리판의 에지부 측면에 형성된 요홈부(빈공간)을 밀폐시킴으로써, 상기 요홈부에 생성된 응축수가 다른 셀로 이동하는 것을 차단하여 기존의 분리판의 요홈부에 생성된 응축수가 외부에 노출됨으로 인해 발생되는 쇼트 및 부식 현상을 방지할 수 있고, 분리판의 내구성을 향상시킬 수 있다.

6. 상기 2차기밀부의 양측면은 프레임의 수평중심선을 기준으로 상방향으로 갈수록 면적이 작아지도록 경사지게 형성됨으로써, 매니폴드를 통해 유입되는 반응기체의 유동저항을 감소시킬 수 있다.

도 1은 종래의 사출성형에 의해 분리판에 가스켓을 일체로 접합하는 방법을 보여주는 단면도
도 2는 종래의 사출성형에 의해 가스켓이 일체화된 금속분리판의 구조를 보여주는 평면도 및 단면도
도 3은 가스켓 사출시 분리판 변형 및 오염 발생을 보여주는 단면도
도 4는 종래기술에 따른 가스켓이 일체화된 분리판의 요홈부에서 쇼트 및 부식이 발생되는 문제점을 설명하기 위한 단면도
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 일측면에 가스켓이 사출성형된 분리판의 제조방법을 설명하기 위한 공정도
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 프레임가스켓의 제조방법을 설명하기 위한 공정도
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 분리판 어셈블리의 평면도 및 단면도
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 단위셀에서 분리판 어셈블리의 구조를 보여주는 단면도
도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 연료전지스택의 구조를 보여주는 단면도

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하면 다음과 같다.

첨부한 도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 일측면에 가스켓이 사출성형된 분리판의 제조방법을 설명하기 위한 공정도이다.

본 발명은 일면에 가스켓이 사출성형되는 연료전지용 분리판(10) 및 이의 제조방법에 관한 것이다.

상기 연료전지용 분리판(10)은 기밀성을 유지하기 위해 가스켓을 가지는 연료전지용 금속분리판(10)에 적용된다.

상기 일면에 가스켓이 사출성형되는 연료전지용 분리판(10)의 제조방법을 설명하면 다음과 같다.

가스켓이 사출성형될 분리판(10)의 상부면에 접착제를 스크린 방식으로 사출 공정 전에 미리 도포한다.

이때, 상기 분리판(10)의 가스켓이 사출되는 분리판(10)의 표면에 도포되는 접착제는 가스켓 사출 소재와 동일한 재질, 바람직하게는 불소 고무 또는 실리콘 고무 접착제(Primer)를 사용할 수 있다.

상기 접착제가 도포된 분리판(10)을 일면 사출 분리판(10) 제조용 금형(이하, 제1금형(11)이라 약칭함) 내부에 로딩한다.

상기 제1금형(11)은 상부금형(12)과 하부금형(13)으로 나뉘어지고, 상부금형(12)은 이동금형으로 하부금형(13)은 고정금형으로 사용할 수 있다.

상기 상부금형(12)의 내부에는 가스면 가스켓(14)을 형성하기 위한 상부가스켓성형홈(12a)이 형성되어 있다.

그리고, 하부금형(13)의 내부에는 분리판수용홈(13a)이 형성되고, 이때 상기 분리판수용홈(13a)의 저면은 평평한 면으로 분리판(10)의 하면을 지지한다.

상기 하부금형(13)의 분리판수용홈(13a)에 상면이 접착제로 도포된 분리판(10)을 삽입한다.

그 다음, 상기 상부금형(12)을 이동시켜 하부금형(13)을 닫는다.

이때, 상부금형(12)과 하부금형(13) 사이에서 분리판(10)의 에지부가 상부금형(12)의 가압력에 의해 맞물리게 된다.

마지막으로, 상기 상부금형(12) 내부에 형성된 상부가스켓성형홈(12a)에 가스켓 재료를 주입하여 분리판(10)의 상면에 가스면 가스켓(14)을 사출성형한 후, 상부금형(12)을 열고 사출성형된 가스면 가스켓(14)을 제1금형(11)에서 탈형시켜 일면에 가스켓이 사출성형된 분리판(10)의 제조를 완료한다.

상기와 같은 방법에 의해 제조된 분리판(10)의 상면에 가스면 가스켓(14)이 사출성형되어 일체로 접합되어 있다.

여기서, 상기 가스면 가스켓(14)은 연료극 분리판(10a) 또는 공기극 분리판(10b)의 가장자리부와 매니폴드 주변에 일체로 접합되어, 매니폴드를 통해 유입된 수소와 산소가 반응유로를 통해 공급될 수 있도록 분리판(10)의 기밀을 유지한다.

또한, 상기 일면에 가스켓(14)이 사출성형된 분리판(10)의 제조와 별도작업으로 양단부에 돌출부가 형성된 프레임가스켓(20)을 사출성형한다.

여기서, 상기 가스면 가스켓(14)은 사출성형에 의해 형성되는 것으로 설명하였지만, 사출성형 외에 액상 가스켓을 분리판(10)의 일면에 도포하거나 고상가스켓을 분리판(10)의 일면에 접착제로 접합하여, 가스면 가스켓(14)을 분리판의 일면에 일체로 형성할 수 있다.

첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 일실시예에 따른 프레임가스켓(20)의 제조방법을 설명하면 다음과 같다.

첨부한 도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 프레임가스켓(20)의 제조방법을 설명하기 위한 공정도이고, 도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 분리판 어셈블리의 평면도 및 단면도이다.

먼저, 프레임가스켓(20)의 골격(형상)을 유지하기 위해 프레임가스켓(20)의 내부에 삽입될 프레임(21)을 성형한다.

상기 프레임(21)은 가스면 가스켓(14)과 동일한 판 형상을 가지며, 분리판(10)과 동일한 소재를 기본으로 사용하되, 중량 및 원가측면을 고려하여 플라스틱류의 고분자 또는 유리섬유 소재로 제작할 수 있다.

다만, 이후 공정인 연료전지 스택 제작 공정의 자동화를 위해 가스켓 형상을 유지시킬 수 있는 일정 수준의 강성을 가질 수 있는 소재여야 한다.

상기 프레임가스켓(20)을 사출성형하기 위한 프레임가스켓(20) 성형용 금형(이하, 제2금형(24)으로 약칭함)은 내부 양측에 두개의 상부수용홈(25a)이 형성된 상부금형(25)과, 내부 양측에 두개의 하부수용홈(26a)이 형성된 하부금형(26)으로 구분할 수 있다.

상기 상부금형(25)은 이동금형으로 사용할 수 있고, 하부금형(26)은 고정금형으로 사용할 수 있다.

상기 상부수용홈(25a)은 상부금형(25) 내부에 수평방향으로 일정한 간격을 두고 형성되고, 상부수용홈(25a) 사이에는 상부중간홈(25b)이 상부수용홈(25a)의 깊이보다 더 낮게 형성되어 있다.

이때, 상기 상부수용홈(25a)의 양측면은 하방향으로 갈수록 면적이 넓어지도록 테이퍼지게 형성되어 탈형시 사출물을 용이하게 취출할 수 있다.

또한, 상기 상부금형(25)의 저면 중심부에 상부돌기부(25c)를 직하방향으로 돌출형성시키고, 이 상부돌기부(25c)는 프레임(21)이 프레임가스켓(20)의 내부 중앙에 위치하도록 안내하는 역할을 한다.

다시 말해서, 상기 상부돌기부(25c)는 상부금형(25)의 저면에 고정되어 가스켓 재료 의 사출시 프레임(21)이 상부중간홈(25b)과 후술할 하부중간홈(26b) 사이에 삽입된 채로 움직이지 않도록 프레임(21)의 상면 중심부를 지지하는 역할을 한다.

상기 하부수용홈(26a)은 하부금형(26) 내부에 수평방향으로 상부수용홈(25a)과 대응되게 형성되고, 상기 하부수용홈(26a) 사이에는 하부중간홈(26b)이 하부수용홈(26a)의 깊이보다 더 높게 형성되어 있다.

이때, 상기 하부수용홈(26a)의 양측면은 상방향으로 갈수록 면적이 넓어지도록 테이퍼지게 형성되어 탈형시 사출물을 용이하게 취출할 수 있다.

또한, 상기 하부금형(26)의 상면 중심부에 하부돌기부(26c)를 직상방향으로 돌출형성시키고, 이 하부돌기부(26c)는 프레임(21)이 프레임가스켓(20)의 내부 중앙에 위치하도록 안내하는 역할을 한다.

다시 말해서, 상기 하부돌기부(26c)는 하부금형(26)의 상면에 고정되어 가스켓 재료 의 사출시 프레임(21)이 상부중간홈(25b)과 하부중간홈(26b)에 삽입된 채로 움직이지 않도록 프레임(21)의 하면 중심부를 지지하는 역할을 한다.

상기 상부돌기부(25c)와 하부돌기부(26c)는 상부금형(25)과 하부금형(26)의 닫힘력에 의해 상부돌기부(25c)와 하부돌기부(26c)에 의해 프레임(21)의 상면과 하면이 동시에 고정될 수 있을 정도의 길이를 가지며, 가스켓 재료의 사출시 각 상부돌기부(25c)와 하부돌기부(26c)의 간격도 프레임(21)의 두께와 동일하거나 약간 좁아서 프레임(21)을 고정시킬 수 있어야 한다.

그 다음, 상기와 같은 구조를 가지는 제2금형(24)의 내부에 프레임(21)을 로딩한다.

이때, 상기 프레임(21)의 로딩 시 상기 프레임(21)은 하부금형(26)의 하부수용홈(26a) 사이에 형성된 하부돌기부(26c) 위에 지지되도록 올려진다.

상기 프레임(21)을 로딩한 후, 상부금형(25)을 하방향으로 이동시켜 하부금형(26) 위로 닫는다.

이때, 상기 상부금형(25)의 닫힘력에 의해 상부금형(25)의 하부돌기부(26c)가 하부금형(26)의 하부돌기부(26c)에 올려진 프레임(21)의 상면을 가압하여 프레임(21)을 고정한다.

상기 프레임(21)이 고정된 후 상부금형(25)과 하부금형(26)의 주입구를 통해 가스켓 재료를 주입하여 프레임가스켓(20)을 사출성형한 후, 상부금형(25)을 열고 사출성형된 프레임가스켓(20)을 제2금형(24)에서 탈형시켜 양측단에 돌출부가 형성된 프레임가스켓(20)의 제조를 완료한다.

상기와 같은 프레임 가스켓 제조방법에 의해 제조된 프레임가스켓(20)은 골격 역할을 하는 프레임(21)과, 상기 프레임(21)을 감싸면서 분리판(10)의 냉각면에 접하는 1차기밀부(22)와, 상기 1차기밀부(22)의 양단에서 가스켓의 두께방향으로 돌출형성된 2차기밀부(23)를 포함한다.

여기서, 상기 프레임가스켓(20)의 1차기밀부(22)는 연료극 분리판(10a)과 공기극 분리판(10b) 사이에 삽입되고, 스택체결압에 의해 분리판(10)의 냉각면에 접하여 기밀을 유지하며 가스면 가스켓(14)을 지지하는 역할 한다.

그리고, 상기 2차기밀부(23)는 1차기밀부(22)의 양단에서 스택의 적층방향(상하방향)으로 돌출형성되어, 분리판(10)과 가스면 가스켓(14)을 감싸며 분리판(10)의 에지부에 형성된 요홈부를 밀폐시킴으로써, 스택의 기밀을 2차적으로 유지할 수 있다.

도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 단위셀에서 분리판 어셈블리의 구조를 보여주는 단면도이고, 도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 연료전지스택의 구조를 보여주는 단면도이다.

도시한 바와 같이, 상기 연료전지스택은 하면에 공기극 가스켓이 사출성형된 공기극 분리판(10b), 프레임가스켓(20)의 1차기밀부(22), 상면에 연료극 가스켓이 사출성형된 연료극 분리판(10a), MEA(8)이 순서대로 적층된 한개의 단위셀이 반복하여 적층되면서 연료전지스택을 이루게 된다.

그리고, 상기 프레임가스켓(20)의 2차기밀부(23)는 인접한 셀의 2차기밀부(23)와 접함으로써, 스택 체결압에 의해 압축된 후 1차기밀부(22)의 상면에서 돌출되는 2차기밀부(23)의 두께 t₂는 t₂= t₁(가스면 가스켓(14)의 두께) + t(분리판(10)의 두께)이 된다.

이와 같은 구성에 의한 본 발명의 가스켓을 가지는 연료전지용 분리판(10)의 작용 및 효과를 설명하면 다음과 같다.

본 발명은 기존의 양면 사출되는 분리판과 다르게 분리판(10)의 일면에만 가스켓 재료가 사출된다.

본 발명에 의해 상기 가스켓 재료를 분리판(10)의 일면에 사출할 경우에 분리판(10)의 반대면은 금형의 평평한 면에 의해 지지되기 때문에, 기존의 분리판의 양면에 가스켓 재료를 동시 사출시 발생되는 분리판(10)의 변형 문제를 해결할 수 있다.

또한, 분리판(10)의 일면에만 사출성형할 경우에 양면 사출되는 분리판과 달리 분리판의 양면에 압력차로 인해 금형의 틈새로 가스켓 재료가 스며드는 현상을 방지하여 분리판의 오염을 막을 수 있다.

상기 프레임(21)에 가스켓 재료를 사출성형할 경우에 2차기밀부(23)의 양측면에 버가 발생할 수 있으나, 상기 버는 기존의 분리판에 양면 사출시 발생되는 버와 달리 분리판(10)에 가스켓 재료를 사출성형하지 않기 때문에 가스켓 재료가 요철구조로 된 분리판(10)의 반응유로 등에 사출될 염려가 없고, 상기 버가 2차기밀부(23)의 양측면에 외측방향으로 돌출되어 버 제거기계 또는 타발기 등에 의해 버 제거작업을 자동화할 수 있다.

여기서, 상기 프레임가스켓(20)의 2차기밀부(23)는 1차기밀부(22)의 양단에서 상하방향으로 돌출형성되고, MEA(8)와 함께 교대로 적층되어 분리판(10)의 에지부에 형성된 요홈부를 감싸면서 밀폐시킴으로써, 단위셀 간을 절연시켜 전기적 안정성 및 기밀성을 향상시킬 수 있다.

예를 들면, 상기 분리판(10)의 에지부 측면에 형성된 요홈부(빈공간)을 밀폐시킴으로써, 상기 요홈부에 생성된 응축수가 다른 셀로 이동하는 것을 차단하여 기존의 분리판(10)의 요홈부에 생성된 응축수가 외부에 노출됨으로 인해 발생되는 쇼트 및 부식 현상을 방지할 수 있고, 분리판(10)의 내구성을 향상시킬 수 있다.

상기 2차기밀부(23)의 양측면은 프레임(21)의 수평중심선을 기준으로 상방향으로 갈수록 면적이 작아지도록 경사지게 형성됨으로써, 매니폴드를 통해 유입되는 반응기체의 유동저항을 감소시킬 수 있다.

본 발명의 일실시예에서는 상기 프레임가스켓(20)을 냉각면 가스켓으로 적용했으나, 가스면 가스켓(14)으로도 적용가능하다.

통상적으로 가스켓은 연료전지의 특성상 반응면의 산성분위기를 견디기 위해 내화학성이 우수한 고가의 불소 소재를 사용여야 하지만, 내화학성이 우수할 필요가 없는 냉각면 가스켓을 프레임가스켓(20)으로 대신하여 사용할 경우 실리콘 또는 EDPM과 같은 저가의 소재를 사용할 수 있다.

10 ; 분리판 11 : 제1금형
12 : 상부금형 12a : 상부가스켓성형홈
13 : 하부금형 14 : 가스면 가스켓
20 : 프레임가스켓 21 : 프레임
22 : 1차기밀부 23 : 2차기밀부
24 : 제2금형 25 : 상부금형
25a : 상부수용홈 25b : 상부중간홈
25c : 상부돌기부 26 : 하부금형
26a : 하부수용홈 26b : 하부중간홈
26c : 하부돌기부

Claims

가스켓을 가지는 연료전지용 분리판에 있어서,
상기 분리판(10)의 일면에 일체로 형성되어, 기밀을 유지하는 가스켓(14);
상기 분리판(10)과 독립적으로 구성되고, 상기 분리판(10)의 반대면에 접하는 1차기밀부(22)를 가지며 기밀을 유지하는 프레임가스켓(20)을 포함하는 것을 특징으로 하는 가스켓을 가지는 연료전지용 분리판.
청구항 1에 있어서,
상기 프레임가스켓(20)의 1차기밀부(22)는 프레임(21)이 내장되어 외형을 유지하는 것을 특징으로 하는 가스켓을 가지는 연료전지용 분리판.
청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
상기 프레임가스켓(20)은 1차기밀부(22)의 양단에서 상하방향으로 돌출형성되어, 분리판(10)과 가스켓(14)을 밀폐시키며 이중으로 기밀을 유지하는 2차기밀부(23)를 포함하는 것을 특징으로 하는 가스켓을 가지는 연료전지용 분리판.
청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
상기 프레임가스켓(20)의 1차기밀부(22)는 분리판(10)의 냉각면측의 가장자리부와 매니폴드 주변에 접하여 기밀을 유지하도록 된 것을 특징으로 하는 가스켓을 가지는 연료전지용 분리판.
가스켓(14)을 가지는 연료전지용 분리판의 제조방법에 있어서,
상기 분리판(10)의 일면에 가스켓(14)을 일체로 형성하는 단계;
상기 가스켓(14)을 형성하는 단계와 독립적으로 성형되고, 1차기밀부(22)가 형상을 유지하기 위해 프레임(21)의 전체면을 감싸고, 2차기밀부(23)가 상기 1차기밀부(22)의 양단부에서 상하방향으로 돌출되도록 상기 프레임(21)에 프레임가스켓(20)을 사출성형하는 단계;
연료전지스택을 제조하기 위해 상기 가스켓(14)이 일면에 형성된 분리판(10)의 반대쪽 면에 상기 프레임가스켓(20)의 1차기밀부(22)를 접촉시키고, 상기 프레임가스켓(20)의 2차기밀부(23)를 MEA(8)를 사이에 두고 인접한 셀의 2차기밀부(23)와 접촉하도록 적층시키는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 가스켓을 가지는 연료전지용 분리판의 제조방법.
청구항 5에 있어서,
상기 분리판(10)의 일면에 일체로 형성되는 가스켓(14)은 가스켓 재료를 사출성형하여 형성된 것을 특징으로 하는 가스켓을 가지는 연료전지용 분리판의 제조방법.
청구항 5에 있어서,
상기 분리판(10)의 일면에 일체로 형성되는 가스켓(14)은 액상 가스켓을 도포하여 형성된 것을 특징으로 하는 가스켓을 가지는 연료전지용 분리판의 제조방법.
청구항 5에 있어서,
상기 분리판(10)의 일면에 일체로 형성되는 가스켓(14)은 고상가스켓을 접착체로 접합하여 형성된 것을 특징으로 하는 가스켓을 가지는 연료전지용 분리판의 제조방법.
청구항 5에 있어서,
상기 1차기밀부(22)가 프레임(21)의 전체면을 감싸도록 사출성형하기 위해 상부금형(25)과 하부금형(26) 내부에 상부돌기부(25c)와 하부돌기부(26c)가 각각 일체로 형성된 것을 특징으로 하는 가스켓을 가지는 연료전지용 분리판의 제조방법.