KR20170006704A - 연료전지 스택의 분리판 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 연료전지 스택의 가스켓이 일체화된 분리판 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 연료전지 스택의 분리판 위에 가스켓을 성형하여 가교시 분리판 오염을 방지하기 위한 연료전지 스택의 분리판 제조방법에 관한 것이다.
구체적으로, 본 발명에서는 분리판 상에 가스켓을 성형한 부위를 제외한 나머지 영역에 대해 물리적 또는 화학적 마스킹 공정을 선행하여 상기 가스켓의 가교시 발생하는 이물질에 의해 분리판 표면이 오염되는 것을 방지하는 연료전지 스택의 분리판 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

Description

연료전지 스택의 분리판 제조방법 {Method for manufacturing separator with gasket}
본 발명은 연료전지 스택의 가스켓이 일체화된 분리판 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 연료전지 스택의 분리판 위에 가스켓을 성형하여 가교시 분리판 오염을 방지하기 위한 연료전지 스택의 분리판 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로 고분자 전해질을 사용한 연료전지는 수소를 함유한 연료가스와 산소를 함유한 산화제가스를 사용하여 전기화학 반응을 일으켜 전기 및 열을 발생시킨다.
상기 고분자 전해질형 연료전지에서 반응이 일어나는 핵심부품은 고분자 전해질막과 고분자 전해질막의 양면에 형성된 한 쌍의 전극 및 가스확산층으로 이루어진 막전극접합체(MEA: Membrane Electrode Assembly)이며, 막전극접합체로 반응가스의 흐름을 제공하는 분리판이 필요하다. 상기 분리판에는 반응가스 및 냉각매체의 흐름을 제어하기 위한 유로 및 매니폴드 홀이 형성되어 있다. 이러한 막전극접합체와 분리판을 필요한 수량만큼 적층하여 연료전지 스택을 제조하게 된다.
한편, 상기 분리판에는 반응가스와 냉각매체가 섞이는 것을 방지하기 위하여 전극(또는 유로) 및 매니폴드 홀 주변에 가스켓이 형성되며, 이러한 가스켓을 형성하기 위하여 미리 성형 또는 가공된 가스켓을 사용하는 방법 또는 액상의 가스켓 재료를 사용하여 분리판에 형성하는 방법 등이 사용되어왔다.
이중에서 액상의 가스켓 재료를 분리판에 도포하여 가스켓을 형성하는 방법을 적용하여 금속분리판을 제작하는 경우, 분리판의 표면 코팅 후 분리판에 가스켓을 일체화하여 성형하는 과정을 포함하여 분리판을 제작하게 된다.
구체적으로 예를 들면, 금속분리판의 제작 공정은 분리판 성형품 제작 -> 분리판 표면 코팅 -> 분리판 위에 가스켓 사출 성형 -> 가스켓 가교 등의 과정을 포함하여 진행될 수 있다.
이렇게 가스켓이 일체화된 금속분리판을 제작하는 과정에 있어서, 가스켓 공정 시 분리판의 접촉저항이 증가하는 현상이 발생하게 된다.
가스켓 공정 환경(공기/고온/이물질)의 공정 변수 중, 고온/공기 분위기의 노출 모사 시험 결과 분리판의 접촉저항 변화가 미미함이 확인되었고, 이물질에 의한 분리판 표면 오염이 접촉저항 증가의 원인으로 파악되었다.
분리판 표면 코팅(표면처리) 후 가스켓 공정을 진행하는 경우에 있어서, 이러한 이물질에 의한 분리판 접촉저항의 증가는, 분리판 코팅층 표면에 오염물질이 존재하는 경우 전기전도 유효면적이 상대적으로 감소하여 전자의 이동경로를 확보하기 어렵기 때문이다.
상기와 같은 분리판의 접촉저항 증가는 연료전지 스택의 성능 저하에 직접적인 영향을 미치는 변수이므로, 분리판의 접촉저항 저감 및 최소화를 위한 개선이 필요하다.
또한, 금속분리판의 양산품 품질 기준항목에 접촉저항이 포함되어 있으며, 접촉저항이 정해진 일정수준 이상이면 불량 처리된다.
본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로서, 분리판 상에 가스켓을 성형한 부위를 제외한 나머지 영역에 대해 물리적 또는 화학적 마스킹 공정을 선행하여 상기 가스켓의 가교시 발생하는 이물질에 의해 분리판 표면이 오염되는 것을 방지하는 연료전지 스택의 분리판 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
이에 본 발명에서는, 연료전지 스택의 분리판 상에 가스켓을 성형하는 제1과정; 상기 분리판의 표면을 모두 마스킹하되 분리판의 표면 중 가스켓을 성형한 영역만 비마스킹하는 제2과정; 부분 마스킹한 상기 분리판을 가스켓 가교를 위한 챔버에 넣고 상기 가스켓을 가교시키는 제3과정;을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 분리판 제조방법을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 제2과정에서는, 분리판의 표면 중 가스켓을 성형한 영역만 개방시키고 그외 영역을 모두 분리판 표면 보호를 위하여 마스킹하기 위한 마스킹 지그를 이용하며, 상기 분리판 상에 가스켓을 가교시킨 뒤에 마스킹 지그에서 분리판을 탈거한다.
일례로, 상기 마스킹 지그는 상하 적층 구조로 배치되어 그 사이에 분리판을 수납 가능한 복수 개의 분리판거치부를 가지며, 상기 각각의 분리판거치부는 상하 양면에 분리판의 일면을 마스킹하기 위한 마스킹부를 갖는 구조일 수 있다.
다른 일례로, 상기 마스킹 지그는 분리판을 수납 가능한 복수 개의 분리판슬롯을 가지며, 상기 각각의 분리판슬롯은 양측 벽면에 각각 분리판의 일면을 마스킹하기 위한 마스킹부를 갖는 구조일 수 있다.
또한 본 발명의 다른 실시예에 의하면, 상기 제2과정에서는, 분리판의 표면 중 가스켓을 성형한 영역만 마스킹코팅층을 미형성하고 그외 영역에는 모두 분리판 표면 보호를 위한 마스킹코팅층을 형성하고, 상기 분리판 상에 가스켓을 가교시킨 뒤에 분리판 표면에 마스킹코팅층을 제거한다.
구체적으로, 상기 마스킹코팅층의 제거시에는 가스켓 가교를 위한 챔버에서 분리판을 취출한 뒤, 가스켓 성형 전에 표면처리된 분리판의 표면 코팅을 미제거하고 마스킹코팅층만 제거하는 세척제나 용제를 사용하여 제거한다.
여기서, 상기 분리판은 가스켓 성형 전에 표면 코팅을 한 분리판이 사용된다.
본 발명에 의하면, 분리판 상에 가스켓을 성형한 부분을 제외한 영역을 물리적 또는 화학적 마스킹을 통해 외부로부터 보호할 수 있게 덮어주어 외부 환경의 영향을 차단함으로써 가스켓 가교시 발생하는 이물질 등에 의한 분리판 표면 오염을 방지할 수 있다.
이에 따라 분리판의 접촉저항을 저감할 수 있고, 또한 접촉저항에 의한 분리판 불량률을 저감할 수 있으며, 분리판 제조 비용을 절감하는 효과도 도모할 수 있다.
도 1 및 도 2는 본 발명에 따라 물리적 마스킹 방식을 적용하여 분리판 표면에 가스켓을 형성할 때 사용하는 마스킹 지그를 나타낸 개략도이다.
도 3은 본 발명에 따라 화학적 마스킹 방식을 적용하여 분리판 표면에 가스켓을 형성하는 방법을 개략적으로 나타낸 순서도이다.
도 4는 본 발명에 따라 마스킹 공정을 포함하여 분리판 상에 가스켓을 형성하는 경우 접촉저항 감소 효과를 확인하기 위한 실험 결과를 나타낸 그래프이다.
이하, 본 발명을 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 설명하기로 한다.
본 발명은 연료전지 스택의 가스켓을 일체화한 분리판을 제조함에 있어서, 분리판 위에 가스켓을 성형하여 가교시 분리판의 반응면 및 냉각면 등의 표면 오염을 차단하기 위하여, 분리판에 성형한 가스켓의 가교시 발생하는 오염물이 표면에 닿지 않도록 물리적 또는 화학적 방식으로 분리판 표면을 부분 마스킹하여 외부 환경으로부터 차단 및 보호 가능하게 덮어준다.
즉, 연료전지 스택의 분리판에 가스켓을 형성함에 있어서, 분리판 상에 성형된 가스켓을 가교시키기 전에, 상기 분리판에 가스켓이 성형된 영역만 비마스킹하여 개방시키고 나머지 영역은 분리판의 표면을 오염물로부터 차단시킬 수 있게 마스킹을 하여 덮어준 뒤, 상기 분리판 상에 가스켓을 가교시켜 가스켓을 형성 완료한다.
여기서, 물리적 마스킹 방식을 적용하여 분리판 표면에 가스켓을 형성하는 방법을 설명하도록 한다.
도 1 및 도 2는 물리적 마스킹 방식을 적용하여 분리판 표면에 가스켓을 형성할 때 사용하는 마스킹 지그를 나타낸 개략도이다.
먼저, 상기 분리판은 양면을 표면처리하여 표면 코팅이 완료된 분리판을 준비하고, 준비된 분리판의 양면에 가스켓 재료를 도포하여 가스켓을 성형한다.
다음, 가스켓을 성형한 분리판(10)의 표면 마스킹을 위하여 별도의 마스킹 지그(20,30)에 상기 분리판을 투입하여 거치시킨다.
이때 상기 마스킹 지그(20,30)로는 분리판 표면 중 가스켓이 성형된 영역만 물리적, 기계적, 구조적으로 개방시키고 나머지 영역은 물리적, 기계적, 구조적으로 덮어서 가려주는 기능을 갖는 지그이면 사용 가능하며, 예를 들어 도 1 및 도 2에 나타낸 바와 같은 수납형 마스킹 지그(20) 또는 서랍형 마스킹 지그(30) 등을 사용할 수 있다.
도 1을 참조하면, 상기 수납형 마스킹 지그(20)는 복수 개의 분리판을 동시에 수납하여 마스킹할 수 있는 지그로, 상하 적층 구조로 배치 구성된 복수 개의 분리판거치부(22)를 가지며, 각각의 분리판거치부(22)는 상하 양면에 분리판의 일면을 마스킹하기 위한 마스킹부(24,26)를 가지며 지지대를 기준으로 개별적으로 회동가능하게 설치된다. 이때 최상층의 분리판거치부는 그 하면에만 마스킹부(24)를 구비하고, 최하층의 분리판거치부는 그 상면에만 마스킹부(26)를 구비한다.
이러한 수납형 마스킹 지그(20)의 분리판거치부(22) 사이에 투입(혹은 수납) 거치된 분리판(10)은, 상하로 배치된 분리판거치부(22) 사이에 삽입되어 하측 분리판거치부의 상면에 구비된 마스킹부(26)에 의해 일면(일례로, 냉각면)이 마스킹되고, 상측 분리판거치부의 하면에 구비된 마스킹부(24)에 의해 타면(일례로, 반응면)이 마스킹된다.
도 2를 참조하면, 상기 서랍형 마스킹 지그(30)는 복수 개의 분리판을 동시에 수납하여 마스킹할 수 있는 지그로, 일렬로 배열 형성된 복수 개의 분리판슬롯(32)을 가지며, 도면으로 나타내지는 않았으나 각각의 분리판슬롯(32)은 양측 벽면에 분리판의 일면을 마스킹하기 위한 마스킹부를 가진다.
이러한 서랍형 마스킹 지그(30)에 투입(혹은 수납) 거치된 분리판(10)은, 분리판슬롯(32) 내에 삽입되어 분리판슬롯(32)의 일측 벽면에 구비된 마스킹부에 의해 일면(일례로, 냉각면)이 마스킹되고, 상기 분리판슬롯(32)의 타측 벽면에 구비된 마스킹부에 의해 타면(일례로, 반응면)이 마스킹된다.
분리판 위에 성형한 가스켓을 가교하기 전에, 마스킹 지그(20,30)에 분리판(10)을 거치시켜 분리판의 표면 중 가스켓이 성형된 영역만 물리적, 구조적으로 개방시키고 나머지 영역은 모두 물리적, 구조적으로 마스킹하여 덮어서 가려준 뒤에는, 분리판(10)을 거치시킨 상기 마스킹 지그(20,30)를 가스켓 가교를 위한 챔버(미도시)에 투입한다.
상기 챔버에서는 분리판에 성형한 가스켓의 가교를 위하여 정해진 가스켓 가교 조건(고온 및 공기 분위기 등)에서 가교 공정이 수행되며, 이때 가스켓을 분리판 표면에 탈락되지 않고 일체화되게 가교시키는 중에 분리판 표면을 오염시킬 수 있는 이물질 등이 발생하게 되나, 발생한 이물질이나 고온 및 공기 분위기 등은 마스킹 지그(20,30)에 의해 분리판 표면에 부착되거나 영향을 미치지 못하게 된다.
이렇게 챔버 내에서 가스켓 가교를 수행하여 가스켓 형성을 완료한 뒤에는, 챔버에서 마스킹 지그(20,30)를 꺼낸(취출한) 다음 마스킹 지그(20,30)에서 분리판들을 분리 및 탈거시켜 분리판의 마스킹 상태를 해제한다.
이어서, 화학적 마스킹 방식을 적용하여 분리판 표면에 가스켓을 형성하는 방법을 설명하도록 한다.
도 3은 화학적 마스킹 방식을 적용하여 분리판 표면에 가스켓을 형성하는 방법을 개략적으로 나타낸 것이다.
도 3에 보이듯, 여기서는 분리판 표면을 화학적 마스킹 방식을 적용하여 가스켓을 성형한 부분을 제외한 부분만 마스킹한 뒤 가스켓을 가교시켜 분리판의 표면 오염 없이 가스켓의 형성을 완료한다.
먼저, 앞서 설명하였듯, 분리판은 양면을 표면처리하여 표면 코팅이 완료된 분리판을 준비하고, 준비된 분리판의 양면에 가스켓 재료를 도포하여 가스켓을 성형한다.
다음, 가스켓을 성형한 분리판의 표면 마스킹을 위하여 별도의 화학 마스킹 재료(화학물질)를 이용하여 분리판(10) 표면에 마스킹코팅층(12)을 형성한다.
그 다음, 상기 마스킹코팅층(12)을 형성한 분리판(10)을 가스켓 가교를 위한 챔버(미도시)에 넣고 정해진 가교 조건(고온 및 공기 분위기 등)에서 가스켓의 가교 공정을 수행한다.
이때 가스켓을 분리판 표면에 탈락되지 않고 일체화되게 가교시키는 중에 가스켓으로부터 분리판 표면을 오염시킬 수 있는 이물질 등이 발생하게 되나, 상기 마스킹코팅층(12)이 분리판 표면 중 가스켓이 성형된 영역에만 미형성되고 나머지 영역은 모두 덮어서 가려주도록 형성되어서, 가스켓의 가교 공정시 발생한 이물질이나 고온 및 공기 분위기 등으로부터 분리판(10)의 코팅된 표면을 보호해주며, 이에 가교 환경에 의해 분리판 표면이 오염되는 것을 방지하게 된다.
이렇게 챔버 내에서 가스켓 가교를 수행하여 분리판 상에 가스켓 형성을 완료한 뒤에는, 챔버에서 분리판을 취출한 뒤 분리판(10)에서 마스킹코팅층(12)을 전용세척제나 용제 등을 사용하여 제거하며(분리판의 마스킹 상태를 해제하며), 이때 마스킹코팅층(12) 상에 달라붙은 이물질 등도 함께 제거된다.
또한 이때 상기 마스킹코팅층(12)은 가스켓 성형 전에 표면처리된 분리판의 표면 코팅(코팅층)을 제거하지 못하는 용제(즉, 마스킹코팅층만 제거하는 용제)를 사용하여 제거된다.
한편, 상기와 같이 분리판의 표면을 부분 마스킹하여 분리판 상에 성형한 가스켓의 가교시 분리판 표면 오염이 방지되는지 확인하기 위하여, 금속분리판들을 2종으로 분류하여 제작한 뒤 각 금속분리판의 접촉저항을 측정하였다.
구체적으로, 마스킹 공정을 포함하는 동일한 조건으로 제작한 금속분리판들 중 임의로 복수 개의 금속분리판을 선택하여 각 금속분리판의 접촉저항을 측정하였고, 상기 마스킹 공정을 생략한 점을 제외하고 전술한 금속분리판과 동일한 조건으로 제작한 금속분리판들 중 임의로 복수 개의 금속분리판을 선택하여 각 금속분리판의 접촉저항을 측정하였다.
상기 측정 결과, 도 4에 보이듯이, 마스킹 공정을 포함한 조건으로 제작한 금속분리판의 접촉저항이, 마스킹 공정을 미포함한 조건으로 제작한 금속분리판의 접촉저항 대비, 감소됨을 확인할 수 있었다.
이상으로 본 발명의 실시예에 대해 상세히 설명하였는바, 본 발명의 권리범위는 상술한 실시예에 한정되지 않으며, 다음의 특허청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 또한 본 발명의 권리범위에 포함된다.
10 : 분리판
12 : 마스킹코팅층
20 : 수납형 마스킹 지그
22 : 분리판거치부
24,26 : 마스킹부
30 : 서랍형 마스킹 지그
32 : 분리판슬롯

Claims (9)

  1. 연료전지 스택의 분리판 상에 가스켓을 성형하는 제1과정;
    상기 분리판의 표면을 모두 마스킹하되 분리판의 표면 중 가스켓을 성형한 영역만 비마스킹하는 제2과정;
    부분 마스킹한 상기 분리판을 가스켓 가교를 위한 챔버에 넣고 상기 가스켓을 가교시키는 제3과정;
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 분리판 제조방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 제2과정에서는, 분리판의 표면 중 가스켓을 성형한 영역만 개방시키고 그외 영역을 모두 마스킹하기 위한 마스킹 지그를 이용하는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 분리판 제조방법.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 분리판 상에 가스켓을 가교시킨 뒤에 마스킹 지그에서 분리판을 탈거하는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 분리판 제조방법.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 제2과정에서는, 분리판의 표면 중 가스켓을 성형한 영역만 마스킹코팅층을 미형성하고 그외 영역에는 모두 마스킹코팅층을 형성하는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 분리판 제조방법.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 분리판 상에 가스켓을 가교시킨 뒤에 분리판 표면에 마스킹코팅층을 제거하는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 분리판 제조방법.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 분리판은 가스켓 성형 전에 표면 코팅을 한 분리판인 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 분리판 제조방법.
  7. 청구항 2에 있어서,
    상기 마스킹 지그는 상하 적층 구조로 배치되어 그 사이에 분리판을 수납 가능한 복수 개의 분리판거치부를 가지며, 상기 각각의 분리판거치부는 상하 양면에 분리판의 일면을 마스킹하기 위한 마스킹부를 갖는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 분리판 제조방법.
  8. 청구항 2에 있어서,
    상기 마스킹 지그는 분리판을 수납 가능한 복수 개의 분리판슬롯을 가지며, 상기 각각의 분리판슬롯은 양측 벽면에 각각 분리판의 일면을 마스킹하기 위한 마스킹부를 갖는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 분리판 제조방법.
  9. 청구항 4 또는 5에 있어서,
    상기 마스킹코팅층의 제거시에는 가스켓 가교를 위한 챔버에서 분리판을 취출한 뒤, 마스킹코팅층만 제거하는 세척제나 용제를 사용하여 제거하는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 분리판 제조방법.
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