KR20170126484A - 연료 전지용 세퍼레이터 및 그 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

연료 전지 스택(10)을 구성하는 단위 셀(11)은, 막 전극 접합체(12)를 캐소드측 세퍼레이터(14) 및 애노드측 세퍼레이터(16)로 협지함으로써 얻어진다. 캐소드측 세퍼레이터(14)의 외측 단부에는, 상기 캐소드측 세퍼레이터(14)의 전체 둘레에 걸쳐 제1 수지 부재(36A)가 형성된다. 상기 캐소드측 세퍼레이터(14)의 면(14a, 14b)에는, 상기 제1 수지 부재(36A)의 일부를 덮어 제1 시일 부재(40)를 구성하는 시일부(40a, 40b)가 마련된다.

Description

연료 전지용 세퍼레이터 및 그 제조 방법
본 발명은, 연료 전지의 연료 전지용 세퍼레이터와 연료 전지용 세퍼레이터를 제조하는 방법(연료 전지용 세퍼레이터와 그 제조 방법)에 관한 것이다. 연료 전지에서는, 막 전극 접합체가 세퍼레이터들의 사이에 협지되고, 시일 부재가 세퍼레이터의 외측 단부와 일체로 형성된다. 막 전극 접합체는 전극과 전극들 사이에 개재된 전해질막을 포함한다.
예컨대, 고체 고분자형 전해질 연료 전지에서는, 전해질막(고분자 이온 교환막이 애노드와 캐소드 사이에 개재되어 막 전극 접합체(MEA)를 형성한다. 막 전극 접합체는 한 쌍의 세퍼레이터 사이에 협지되어 단위 셀(발전 셀)을 형성한다. 사용 시, 연료 전지에서는, 일반적으로 소정 수의 단위 셀이, 예를 들어 연료 전지 차량에 장착된, 연료 전지 스택을 형성하도록 적층된다.
상기한 연료 전지에서는, 애노드에 면하는 세퍼레이터의 일측면에, 연료 가스를 애노드에 공급하는, 연료 가스 유로가 마련되고, 캐소드에 면하는 세퍼레이터의 타측면에, 산소 함유 가스를 캐소드에 공급하는, 산소 함유 가스 유로가 마련된다. 또한, 냉각 매체를 세퍼레이터의 면을 따라 전극 영역 내에 공급하기 위해, 냉각 매체 유로가 각 연료 전지의 인접 세퍼레이터들 사이에 형성된다.
또한, 연료 전지에서는, 소위 내부 매니폴드 구조가 대개 채택된다. 이 내부 매니폴드 구조에서는, 연료 가스, 산소 함유 가스 및 냉각 매체가 단위 셀을 관통하는 것을 허용하기 위해, 연료 가스 통로, 산소 함유 가스 통로 및 냉각 매체 통로가 적층 방향으로 단위 셀을 통과해 연장된다.
이 내부 매니폴드형 연료 전지에서는, 연료 가스, 산화 함유 가스 및 냉각 매체의 누설을 방지하기 위해 기밀 방식으로 또는 액밀 방식으로 시일할 필요가 있다. 이와 관련하여, 예를 들어, 일본 특허공보 제3532547호에 개시되어 있는 시일 일체형 세퍼레이터를 제조하는 방법이 알려져 있다.
이 제조 방법에서는, 세퍼레이터 본체가 상형과 하형의 사이에 유지된다. 이러한 상태에서, 상기 상형의 오목홈과 상기 하형의 오목홈 각각에, 용융 시일재가 사출 성형되어, 세퍼레이터 본체의 양면에 동시에 일체로 시일재를 형성한다. 따라서, 상기 개시된 제조 방법에 따르면, 세퍼레이터 본체의 표리 양면에 세퍼레이터 본체와는 별개인 시일재를 제공하는 경우와, 세퍼레이터 본체에 시일재를 도포하는 경우와 비교하여, 시일재가 매우 정확하게 배치될 수 있고, 조립 단계의 수도 대폭 감소된다.
통상, 세퍼레이터가 상형과 하형 사이에 유지된 상태에서, 용융 시일 부재가 공급될 때, 형맞댐면을 따라 버어가 쉽게 발생하는 경향이 있다. 이에 따라, 시일 일체형 세퍼레이터가 제조된 후, 세퍼레이터의 외측 단부에서 버어를 제거하는 작업이 필요하게 된다. 따라서, 보다 많은 작업 공정수가 필요하게 되어, 제조 비용이 높아진다. 또한, 전체 작업 효율의 향상이 용이하게 달성되지 않을 수 있다.
본 발명은, 이러한 종류의 문제를 해결하기 위해 만들어진 것으로, 간단한 구성 및 공정으로, 시일 부재의 외측 단부에 버어가 발생하는 것을 확실하게 억제하여, 작업 효율의 향상을 도모하고, 연료 전지용 세퍼레이터를 경제적으로 제조하는 것이 가능한, 연료 전지용 세퍼레이터 및 그 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명에 따른 연료 전지용 세퍼레이터에서는, 막 전극 접합체가 연료 전기 세퍼레이터의 사이에 협지된다. 막 전극 접합체는 전극과 상기 전극 사이에 개재된 전해질막을 포함한다. 시일 부재가 연료 전지용 세퍼레이터의 외측 단부와 일체로 형성된다. 적어도 연료 가스, 산소 함유 가스, 또는 유체인 냉각 매체가, 연료 전지용 세퍼레이터와 막 전극 접합체가 적층되는 적층 방향으로 유동하는 것을 허용하도록, 유체 통로가 연료 전지용 세퍼레이터의 면 내에 형성되어 있다.
연료 전지용 세퍼레이터의 외측 단부에, 상기 연료 통로의 외측에, 연료 전지용 세퍼레이터의 전체 둘레에 걸쳐 수지 부재가 마련되고, 이 수지 부재의 일부를 덮는 시일 부재가 연료 전지용 세퍼레이터의 양면에 마련된다. 본원에서 "전체 둘레에 걸쳐"는 세퍼레이터의 외측 단부의 일부에만 절취부가 형성되어 있는 경우를 포함한다.
또한, 본 출원의 발명에 따른 연료 전지용 세퍼레이터의 제조 방법은, 연료 전지용 세퍼레이터의 외측 단부에, 상기 연료 통로의 외측에, 연료 전지용 세퍼레이터의 전체 둘레에 걸쳐 수지 부재를 마련하는 단계를 포함한다. 또한, 상기 제조 방법은, 수지 부재가 한 쌍의 금형 사이에 유지된 상태에서, 용융 시일 부재를 공급하여, 세퍼레이터의 양면에 상기 수지 부재의 일부를 덮는 시일 부재를 형성하는 단계를 포함한다.
본 발명에서, 수지 부재는 연료 전지용 세퍼레이터의 전체 둘레에 걸쳐 마련되고, 상기 수지 부재의 일부를 덮는 시일 부재는 연료 전지용 세퍼레이터의 양면에 마련된다. 이러한 구성에서는, 상기 수지 부재가 한 쌍의 금형 사이에 유지된 상태에서, 용융 시일 부재가 공급되어, 연료 전지용 세퍼레이터의 양면에 시일 부재를 형성한다. 따라서, 연료 전지용 세퍼레이터의 외측 단부에 시일 부재의 버어가 생기는 것을 최대한 방지할 수 있게 된다.
이에 따라, 간단한 구성 및 공정으로, 시일 부재의 단부에 버어가 발생하는 것을 확실하게 억제하여, 작업 효율을 향상시키고, 연료 전지용 세퍼레이터를 경제적으로 제조하는 것이 가능해진다.
도 1은, 본 발명의 일 실시형태에 따른 연료 전지용 세퍼레이터를 포함하는 단위 셀을 보여주는 분해 사시도이다.
도 2는 도 1의 선 Ⅱ-Ⅱ을 따라 취한, 단위 셀을 보여주는 단면도이다.
도 3은 상기 단위 셀의 캐소드측 세퍼레이터를 보여주는 부분 사시도이다.
도 4는 상기 캐소드측 세퍼레이터의 금속 플레이트를 보여주는 정면도이다.
도 5는 상기 금속 플레이트에 수지 부재를 성형하는 수지 부재 성형 장치를 보여주는 사시도이다.
도 6은 상기 금속 플레이트에 상기 수지 부재가 일체화된 상태를 보여주는 정면도이다.
도 7은 상기 금속 플레이트에 시일 부재를 성형하는 시일 부재 성형 장치를 개략적으로 보여주는 도면이다.
도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시형태에 따른 연료 전지용 세퍼레이터를 포함하는 연료 전지 스택(10)은, 가로로 긴 복수의 연료 전지의 유닛(11)[이하에서는 단위 셀(11)이라 함]을 직립 자세(전극면이 연직 방향에 평행)로 화살표 A로 나타내어진 수평 방향으로 적층함으로써 형성된다. 대안적으로, 세로로 긴 복수의 단위 셀(11)이, 직립 자세로 화살표 A로 나타내어진 방향으로 적층될 수 있고, 또는 수평 자세로 화살표 C로 나타내어진 중력 방향으로 적층될 수 있다.
각 단위 셀(11)은, 막 전극 접합체(12)와, 상기 막 전극 접합체(12)를 협지하는 캐소드측 세퍼레이터(연료 전지용 세퍼레이터)(14) 및 애노드측 세퍼레이터(연료 전지용 세퍼레이터)(16)를 포함한다.
캐소드측 세퍼레이터(14) 및 애노드측 세퍼레이터(16)는, 예컨대 강판, 스테인리스 강판, 알루미늄판, 도금 처리 강판, 혹은 그 금속 표면에 방식용의 표면 처리를 실시한 박판형 금속 세퍼레이터이다. 상기한 금속 세퍼레이터는, 직사각형 표면을 갖고, 프레스 가공함으로써 단면 요철 형상(파형)을 갖도록 성형된다. 캐소드측 세퍼레이터(14) 및 애노드측 세퍼레이터(16)에는, 금속 세퍼레이터 대신에, 예컨대 카본 세퍼레이터가 사용될 수 있다.
캐소드측 세퍼레이터(14) 및 애노드측 세퍼레이터(16)는, 화살표 C로 나타내어진 중력 방향으로 연장되는 단변과, 화살표 B로 나타내어진 수평 방향으로 연장되는 장변을 포함하는, 가로로 긴 형상을 갖는다. 대안적으로, 단변이 수평 방향으로 연장될 수 있고 장변이 중력 방향으로 연장될 수 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 단위 셀(11)의 화살표 B로 나타내어진 길이 방향의 일단부에는, 산소 함유 가스 공급 통로(유체 통로)(18a)와 연료 가스 배출 통로(유체 통로)(20b)가 마련되어 있다. 산소 함유 가스 공급 통로(18a)와 연료 가스 배출 통로(20b)는 화살표 A로 나타내어진 방향으로 단위 셀(11)을 관통하여 연장된다. 산소 함유 가스는 산소 함유 가스 공급 통로(18a)를 통해 단위 셀(11)에 공급되고, 수소 함유 가스 등과 같은 연료 가스는 연료 가스 배출 통로(20b)를 통해 단위 셀(11)로부터 배출된다. 예를 들어, 산소 함유 가스 공급 통로(18a)와 연료 가스 배출 통로(20b)는 실질적으로 직사각형의 개구 형상을 갖는다. 산소 함유 가스 공급 통로(18a)와 연료 가스 배출 통로(20b)는 삼각형 또는 다각형 개구 형상을 가질 수 있다는 점에 주목해야 할 필요가 있다.
단위 셀(11)의 길이 방향의 타단부에는, 연료 가스를 공급하기 위한 연료 가스 공급 통로(유체 통로)(20a)와 산소 함유 가스를 배출하기 위한 산소 함유 가스 배출 통로(유체 통로)(18b)가 마련되어 있다. 산소 함유 가스 배출 통로(18b)와 연료 가스 공급 통로(20a)는 실질적으로 직사각형의 개구 형상을 갖는다. 산소 함유 가스 배출 통로(18b)와 연료 가스 배출 통로(20a)는 삼각형 또는 다각형 개구 형상을 가질 수 있다는 점에 주목해야 할 필요가 있다.
화살표 C로 나타내어진 횡방향으로 단위 셀(11)의 상측 및 하측 가장자리 부분에, 한 쌍의 냉각 매체 공급 통로(22a)가 마련되어 있다. 길이 방향에서, 상기 가장자리 부분들은 산소 함유 가스 공급 통로(18a)에 가까운 일측에 마련되어 있다. 냉각 매체 공급 통로(22a)는 화살표 A로 나타내어진 방향으로 서로 연통되어 있다. 냉각 매체를 배출하기 위한 한 쌍의 냉각 매체 배출 통로(22b)가, 횡방향으로 단위 셀(11)의 상측 및 하측 가장자리 부분에 마련되어 있다. 길이 방향에서, 상기 가장자리 부분들은 연료 가스 공급 통로(20a)에 가까운 일측에 마련되어 있다.
한 쌍의 냉각 매체 공급 통로(22a)는, 화살표 B로 나타내어진 냉각 매체 유로(34)의 흐름 방향으로 긴 실질적으로 직사각형의 개구 형상을 갖는다. 한 쌍의 냉각 매체 배출 통로(22b)는, 화살표 B로 나타내어진 냉각 매체 유로(34)의 흐름 방향으로 긴 실질적으로 직사각형의 개구 형상을 갖는다.
도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 막 전극 접합체(12)는 캐소드(26), 애노드(28), 및 캐소드(26)와 애노드(28)의 사이에 개재된 불소계 또는 탄화수소계 고체 고분자 전해질막(24)을 포함한다.
캐소드(26)와 애노드(28)는 각각 카본 페이퍼 등과 같은 가스 확산층(도시 생략)과, 백금 합금이 표면에 담지된 다공성 카본 입자로 구성된 전극 촉매층(도시 생략)을 구비한다. 상기 카본 입자는 가스 확산층의 표면에 고르게 퇴적된다. 캐소드(26)의 전극 촉매층과 애노드(28)의 전극 촉매층은 각각 고체 고분자 전해질막(24)의 양면에 고정된다.
도 1에 도시된 바와 같이, 캐소드측 세퍼레이터(14)는 막 전극 접합체(12)를 향하는 면(14a)에 산소 함유 가스 유로(30)를 구비한다. 산소 함유 가스 유로930)는 산소 함유 가스 공급 통로(18a)와 산소 함유 가스 배출 통로(18b)에 연결된다. 산소 함유 가스 유로(30)는, 산소 함유 가스가 세퍼레이터의 면을 따라서 길이 방향의 일측을 향해 흐르는 것을 허용하도록, 화살표 B로 나타내어진 수평 방향으로 연장되는 복수의 직선형(또는 파형) 유동 홈을 포함한다.
애노드측 세퍼레이터(16)는 막 전극 접합체(12)를 향하는 면(16a)에 연료 가스 유로(32)를 구비한다. 연료 가스 유로930)는 연료 가스 공급 통로(20a)와 연료 가스 배출 통로(20b)에 연결된다. 연료 가스 유로(30)는, 연료 가스가 세퍼레이터의 면을 따라서 길이 방향의 타측을 향해 흐르는 것을 허용하도록, 화살표 B로 나타내어진 수평 방향으로 연장되는 복수의 직선형(또는 파형) 유동 홈을 포함한다.
서로 인접하는 애노드측 세퍼레이터(16)의 면(16b)과 캐소드측 세퍼레이터(14)의 면(14b) 사이에는, 냉각 매체 유로(34)가 형성된다. 냉각 매체 유로(34)는 냉각 매체 공급 통로(22a) 및 냉각 매체 배출 통로(22b)에 연결되어 있다. 냉각 매체 유로(34)에서는, 막 전극 접합체(12)의 전극 영역에 걸쳐 냉각 매체가 흐른다. 애노드측 세퍼레이터(16)에서, 냉각 매체 유로(34)는 연료 가스 유로(32)의 이면 형상이다. 캐소드측 세퍼레이터(14)에서, 냉각 매체 유로(34)는 산소 함유 가스 유로(30)의 이면 형상이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 제1 수지 부재(36A)가 캐소드측 세퍼레이터(14)의 면(14a, 14b)과 일체로 형성되어, 캐소드측 세퍼레이터(14)의 금속 플레이트(14P)(도 2 참조)의 외측 단부를 덮고 이 외측 단부의 에지를 따라 연장된다. 제1 수지 부재(36A)는 캐소드측 세퍼레이터(14)의 전체 둘레에 걸쳐 형성된다. 제1 수지 부재(36A)는, 산소 함유 가스 공급 통로(18a), 산소 함유 가스 배출 통로(18b), 연료 가스 공급 통로(20a), 연료 가스 배출 통로(20b), 냉각 매체 공급 통로(22a) 및 냉각 매체 배출 통로(22b)의 외측에 마련된다. 제1 수지 부재(36A)는, 캐소드측 세퍼레이터(14)의 외측 단부의 일부만이 절취되어 있을 수 있다.
제1 수지 부재(36A)는, 도 2 및 도 3에 나타내는 바와 같이, 중앙에 금속 플레이트(14P)의 단부가 삽입되는 슬릿(36s)을 구비한다. 제1 수지 부재(36A)는, 단면이 실질적으로 T자형인 프레임 형상을 갖는다. 제1 수지 부재(36A)는, 캐소드측 세퍼레이터(14)의 외측 단부의 외측에 배치되고, 예컨대, 단면이 실질적으로 직사각형 형상인 볼록부(36t)를 포함한다. 볼록부(36t)의 내측에는, 한 쌍의 중첩부(36ka, 36kb)가 일체로 형성된다. 중첩부(36ka, 36kb)는 캐소드측 세퍼레이터(14)의 양면(14a, 14b)을 따라 평행하게 연장되고, 중첩부(36ka, 36kb)는 시일부(40a, 40b)와 적층 방향으로 중첩되어 있다. 시일부(40a, 40b)는 이하에 기술된다.
슬릿(36s)은, 볼록부(36t)의 내측에서 길이(깊이)(T)만큼 이격하여 종단된다. 금속 플레이트(14P)의 최외주는, 상기 볼록부(36t)의 내측에 배치된다. 후술하는 바와 같이, 시일 부재 성형 장치(60)에 의해 제1 시일 부재(40)를 성형할 때, 제1 수지 부재(36A)는 한 쌍의 시일 부재 성형용 금형(62, 64)의 사이에 유지된다. 그러나, 금속 플레이트(14P)는 내측으로 거리(T)만큼 이격되어 있으므로, 상기 시일 부재 성형용 금형(62, 64) 사이에 금속 플레이트(14P)는 유지되지 않는다. 따라서, 금속 플레이트(14P)가 변형되는 경우가 없다.
도 3에 도시된 바와 같이, 제1 수지 부재(36A)의 임의의 위치에 복수의 수지 유동 섹션(36g)이 마련된다. 수지 유동 섹션(36g)은 후술하는 수지 부재 성형용 게이트(58) 내에서 응고된다. 인접한 수지 유동 섹션(36g) 사이에는, 용접 라인 위치를 덮고 세퍼레이터의 면에 평행한 방향에서 외측으로 돌출하는 팽출부(36d)가 마련된다. 팽출부(36d)는, 수지 유동 섹션들(36g) 사이의 중간 위치에 마련되는 것이 바람직하고, 소정의 폭을 가지며, 양측에 경사면을 갖는 사다리꼴 형상이다.
제1 수지 부재(36A)에서는, 산소 함유 가스 공급 통로(18a)와 연료 가스 배출 통로(20b)의 사이, 및 연료 가스 공급 통로(20a)와 산소 함유 가스 배출 통로(18b)의 사이에서, 수지 노크 섹션(38a, 38b)이 제1 수지 부재(36A)와 일체로 형성된다. 노크 구멍(38ah, 38bh)이 수지 노크 섹션(38a, 38b)을 관통한다. 노크 핀(도시 생략)이 노크 구멍(38ah, 38bh)에 삽입된다. 수지 노크 섹션(38a, 38b)에는, 필요에 따라 절취부(38ak, 38bk)가 마련된다. 노크 구멍(38ah, 38bh)은 고체 고분자 전해질막(24)을 관통한다.
제1 수지 부재(36A)는, 예컨대 PPS(폴리페닐렌술파이드), PPA(폴리프탈아미드), PEN(폴리에틸렌나프탈레이트), PES(폴리에테르술폰), LCP(리퀴드 크리스탈 폴리머), PVDF(폴리불화비닐리덴), 실리콘 수지, 불소 수지 또는 m-PPE(변성 폴리페닐렌에테르 수지) 등으로 구성된다. 대안적으로, 제1 수지 부재(36A)는 PET(폴리에틸렌테레프탈레이트), PBT(폴리부틸렌테레프탈레이트) 또는 변성 폴리올레핀으로 구성될 수 있다. 바람직하게는, 제1 수지 부재(36A)는 열가소성 수지로 구성된다.
제2 수지 부재(36B)가 애노드측 세퍼레이터(16)의 면(16a, 16b)과 일체로 형성되어, 애노드측 세퍼레이터(16)의 금속 플레이트(16P)(도 2 참조)의 외측 단부를 덮고 이 외측 단부의 에지를 따라 연장된다. 제2 수지 부재(36B)는 제1 수지 부재(36A)와 동일한 구성을 갖는다. 제1 수지 부재(36A)의 구성요소와 동일한 제2 수지 부재(36B)의 구성요소에는, 동일한 참조 부호를 부여하고, 그 상세한 설명을 생략한다.
캐소드측 세퍼레이터(14)에는, 제1 시일 부재(40)가 일체 성형된다. 제1 시일 부재(40)는, 캐소드측 세퍼레이터(14)의 면(14a)에 일체 성형되는 시일부(40a)와, 캐소드측 세퍼레이터(14)의 면(14b)에 일체 성형되는 시일부(40b)를 포함한다. 시일부(40a)의 외측 단부는, 제1 수지 부재(36A)의 중첩부(36ka)와 적층 방향으로 중첩되고, 시일부(40b)의 외측 단부는, 제1 수지 부재(36A)의 중첩부(36kb)와 적층 방향으로 중첩된다. 시일부(40a, 40b)의 외측 단부들과 볼록부(36t)의 두께 방향 양단부면의 사이에는, 단차가 없다. 즉, 시일부(40a, 40b)의 외측 단부들과, 볼록부(36t)의 두께 방향 양단부면은 세퍼레이터의 면을 따라 연속적으로 평평하다.
시일부(40a, 40b)는 세퍼레이터의 면을 따라 일정한 두께를 가지고 연장되는 평면 시일이고, 이 평면 시일의 일부에 볼록형 시일(40at, 40bt)이 포함된다. 도 2에 도시된 바와 같이, 제1 수지 부재(36A)의 볼록부(36t)의 두께(h)와 제1 시일 부재(40)의 두께(H)는 동일하다(h=H). 볼록부(36t)의 두께(h)는 수지 노크 섹션(38a, 38b)의 두께와 동일하다.
애노드측 세퍼레이터(16)에는, 제2 시일 부재(42)가 일체 성형된다. 제2 시일 부재(42)는, 애노드측 세퍼레이터(16)의 면(16a)에 일체 성형되는 시일부(42a)와, 애노드측 세퍼레이터(16)의 면(16b)에 일체 성형되는 시일부(42b)를 포함한다. 시일부(42a)의 외측 단부는 제2 수지 부재(36B)의 중첩부(36ka)와 적층 방향으로 중첩되고, 시일부(42b)의 외측 단부는 제2 수지 부재(36B)의 중첩부(36kb)와 적층 방향으로 중첩된다. 시일부(42a, 42b)는, 세퍼레이터의 면을 따라 일정한 두께를 가지고 연장되는 평면 시일이고, 이 평면 시일의 일부에 볼록형 시일(42at, 42bt)이 포함된다.
제1 시일 부재(40) 및 제2 시일 부재(42) 각각은, 예컨대 EPDM, NBR, 불소 고무, 실리콘 고무, 플루오로실리콘 고무, 부틸 고무, 천연 고무, 스티렌 고무, 클로로프렌 또는 아크릴 고무 등과 같은 시일재, 쿠션재, 혹은 패킹재로 제조된 탄성을 갖는 시일 부재이다.
계속해서, 캐소드측 세퍼레이터(14)의 제조 방법에 관해서 이하에 설명한다. 애노드측 세퍼레이터(16)는, 캐소드측 세퍼레이터(14)와 마찬가지로 제조된다는 점을 주목해야 할 필요가 있다. 따라서, 애노드측 세퍼레이터(16)의 상세한 설명은 생략한다.
우선, 도 4에 도시된 바와 같이, 캐소드측 세퍼레이터(14)의 금속 플레이트(14P)가 프레스 가공에 의해 제조된다. 금속 플레이트(14P)에는, 산소 함유 가스 공급 통로(18a), 산소 함유 가스 배출 통로(18b), 연료 가스 공급 통로(20a), 연료 가스 배출 통로(20b), 냉각 매체 공급 통로(22a) 및 냉각 매체 배출 통로(22b)에 대응하는 구멍부(18ah, 18bh, 20ah, 20bh, 22ah 및 22bh)가 형성된다. 금속 플레이트(14P)에는, 산소 함유 가스 유로(30)가 프레스 성형된다.
다음으로, 도 5에 나타내는 바와 같이, 수지 부재 성형 장치(50)를 구성하는 한 쌍의 수지 부재 성형용 금형(52, 54) 사이에, 금속 플레이트(14P)가 유지된다. 수지 부재 성형용 금형(52, 54)이 폐쇄되면, 수지 부재 성형용 금형(52, 54)의 사이에 제1 수지 부재(36A)의 형상에 상당하는 캐비티(56)가 형성된다. 캐비티(56)에는, 화살표 D로 나타내어진, 수지 부재 성형용 금형(52, 54)의 맞댐면에 평행한 방향으로 용융 수지 부재를 공급하는 복수 개의 게이트(58)가 연결되어 있다. 캐비티(56)는, 게이트(58) 사이에 팽출부(36d)(도 3 참조)의 형상에 상당하는 오목부(도시 생략)를 포함한다.
상기한 구성에서는, 게이트(58)로부터 캐비티(56)에 용융 수지 부재가 충전되면, 금속 플레이트(14P)의 외측 단부의 에지에 제1 수지 부재(36A)가 일체 성형된다. 제1 수지 부재(36A)가 일체 성형된 금속 플레이트(14P)는, 수지 부재 성형 장치(50)로부터 꺼내어진다(도 6 참조). 그 후, 수지 유동 섹션(36g)은, 제1 수지 부재(36A)로부터, 예를 들어 커터 등을 이용하여 제거된다.
도 7에 도시된 바와 같이, 제1 수지 부재(36A)는 금속 플레이트(14P)에 일체 성형되고, 이 금속 플레이트(14P)는 시일 부재 성형 장치(60)를 구성하는 한 쌍의 시일 부재 성형용 금형(62, 64) 사이에 유지된다. 시일 부재 성형용 금형(62)과 금속 플레이트(14P) 사이에는 캐비티(66a)가 형성된다. 제1 시일 부재(40)를 구성하는 시일부(40a)는 캐비티(66a)에 의해 형성된다. 캐비티(66a)에는, 시일 부재 성형용 금형(62)에 형성된 복수 개의 게이트(68a)가 연통한다.
시일 부재 성형용 금형(64)과 금속 플레이트(14P) 사이에는 캐비티(66b)가 형성된다. 제1 시일 부재(40)를 구성하는 시일부(40b)가 캐비티(66b)에 의해 성형된다. 캐비티(66b)에는, 시일 부재 성형용 금형(64)에 형성된 복수 개의 게이트(68b)가 연통한다.
금속 플레이트(14P)는, 시일 부재 성형용 금형(62, 64) 사이에 유지되고, 제1 수지 부재(36A)를 구성하는 볼록부(36t)는, 상기 시일 부재 성형용 금형(62, 64) 사이에 압박 유지된다. 볼록부(36t)의 두께 방향 양단부면은, 시일 부재 성형용 금형(62, 64)의 내면에 접촉한다. 상기 볼록부(36t)의 외측 단부면과 상기 시일 부재 성형용 금형(62, 64)의 내면 사이에는, 소정의 간극(S)이 형성된다.
이 상태에서, 게이트(68a, 68b)로부터 캐비티(66a, 66b)에 용융 시일 부재가 충전된다. 따라서, 금속 플레이트(14P)의 면(14a)에는, 시일부(40a)가 일체 성형되고, 금속 플레이트(14P)의 면(14b)에는, 시일부(40b)가 일체 성형된다. 그 결과, 캐소드측 세퍼레이터(14)가 제조된다. 시일부(40a, 40b)는 제1 시일 부재(40)의 일부이다. 예컨대, EPDM, NBR, 불소 고무, 실리콘 고무, 플루오로실리콘 고무, 부틸 고무, 천연 고무, 스티렌 고무, 클로로프렌 또는 아크릴 고무 등의 시일재, 쿠션재, 혹은 패킹재 등의 탄성을 갖는 시일 부재가, 시일부(40a, 40b)로서 이용된다.
본 발명의 상기 실시형태에서는, 우선, 금속 플레이트(14P)의 외측 단부에는, 금속 플레이트(14P)의 양면에서 전체 둘레에 걸쳐 제1 수지 부재(36A)가 일체 성형되어 있다. 또한, 금속 플레이트(14P)의 양면(14a, 14b)에는, 제1 시일 부재(40)를 구성하는 시일부(40a, 40b)가 일체 성형되어 있다.
구체적으로는, 도 7에 도시된 바와 같이, 제1 수지 부재(36A)를 구성하는 볼록부(36t)는, 시일 부재 성형용 금형(62, 64) 사이에 압박 유지된다. 이러한 상태에서, 캐비티(66a, 66b)에 용융 시일 부재가 공급된다. 따라서, 금속 플레이트(14P)에 제1 시일 부재(40)가 일체 성형된다. 이러한 구성에서는, 금속 플레이트(14P)의 외측 단부에 제1 시일 부재(40)의 버어가 발생하는 것을 유효하게 저지할 수 있다.
특히, 볼록부(36t)는, 시일 부재 성형용 금형(62, 64) 사이에서 찌부러지도록 강고히 유지된다. 따라서, 시일 부재 성형시에 버어의 발생을 가급적 저지하는 것이 가능해진다. 또한, 금속 플레이트(14P)의 전방 단부, 즉, 볼록부(36t)를 확실하게 유지할 수 있다. 따라서, 캐비티(66a, 66b)에 용융 시일 부재가 고압으로 충전될 수 있다. 따라서, 제1 시일 부재(40)의 성형 성능이 향상된다. 용융 시일 부재의 흐름이 원활해지고, 제1 시일 부재(40)의 성형 작업의 효율성의 향상이 용이하게 달성된다.
따라서, 본 발명의 상기한 실시형태에서는, 간단한 구성 및 공정으로, 제1 시일 부재(40)의 외측 단부에 버어가 발생하는 것을 확실하게 억제하여, 작업 효율의 향상이 달성되고, 경제적인 제조가 달성된다.
또한, 제1 시일 부재(40)의 시일부(40a, 40b)는, 제1 수지 부재(36A)의 중첩부(36ka, 36kb)와 적층 방향으로 중첩되어 있다. 이러한 구성에서는, 시일부(40a, 40b)와 중첩부(36ka, 36kb) 사이의 접합 면적이 크기 때문에, 시일부(40a, 40b)와 중첩부(36ka, 36kb)는 강고하게 또한 확실하게 고착된다. 제1 시일 부재(40)는 제1 수지 부재(36A)를 강고히 유지할 수 있어, 제1 시일 부재(40)와 제1 수지 부재(36A)가 서로 분리되는 것을 방지할 수 있게 된다.
또한, 제1 수지 부재(36A)에서는, 수지 유동부(36g) 사이에는, 용접 라인 위치를 덮고 세퍼레이터의 면에 평행한 방향에서 외측으로 돌출하는 팽출부(36d)가 마련되어 있다. 이러한 구성에서는, 제1 수지 부재(36A) 전체의 강도를 확실하게 유지하는 것이 가능해진다.
또한, 캐소드측 세퍼레이터(14)의 외측 단부는, 제1 수지 부재(36A)의 볼록부(36t)에 의해 덮여 있다. 이러한 구성에서는, 캐소드측 세퍼레이터(14)에 세퍼레이터의 면에 평행한 방향에서 외측으로부터 외부 하중이 인가되었을 때, 고무 부재를 이용하는 경우와 비교하여, 상기 외부 하중을 양호하게 받는 것이 가능해지고, 상기 캐소드측 세퍼레이터(14)를 확실하게 보호하는 것이 가능해진다.
다음으로, 연료 전지 스택(10)의 동작에 관해서, 이하에 설명한다.
우선, 도 1에 도시된 바와 같이, 산소 함유 가스 공급 통로(18a)에는, 산소 함유 가스가 공급되고, 연료 가스 공급 통로(20a)에는 수소 함유 가스 등의 연료 가스가 공급된다. 또한, 한 쌍의 냉각 매체 공급 통로(22a)에는, 순수나 에틸렌글리콜, 오일 등의 냉각 매체가 공급된다.
이러한 구성에서, 산소 함유 가스는, 산소 함유 가스 공급 통로(18a)로부터 캐소드측 세퍼레이터(14)의 산소 함유 가스 유로(30)에 공급된다. 산소 함유 가스는, 산소 함유 가스 유로(30)를 따라 화살표 B로 나타내어진 수평 방향으로 유동하여, 막 전극 접합체(12)의 캐소드(26)에 공급된다.
한편, 연료 가스는, 연료 가스 공급 통로(20a)로부터 애노드측 세퍼레이터(16)의 연료 가스 유로(32)에 공급된다. 연료 가스는, 연료 가스 유로(32)를 따라 화살표 B로 나타내어진 수평 방향으로 유동하여, 막 전극 접합체(12)의 애노드(28)에 공급된다.
따라서, 막 전극 접합체(12)에서는, 캐소드 전극(26)에 공급되는 산소 함유 가스와, 애노드 전극(28)에 공급되는 연료 가스가, 캐소드(26) 및 애노드(28)의 촉매층에서의 전기 화학 반응으로 소비되어 전기를 생성한다.
계속해서, 막 전극 접합체(12)의 캐소드(26)에 공급되어 부분적으로 소비된 산소 함유 가스는, 산소 함유 가스 배출 통로(18b)를 따라 화살표 A로 나타내어진 방향으로 배출된다. 막 전극 접합체(12)의 애노드 전극(28)에 공급되어 부분적으로 소비된 연료 가스는, 연료 가스 배출 통로(20b)를 따라 화살표 A로 나타내어진 방향으로 배출된다.
또한, 한 쌍의 냉각 매체 공급 통로(22a)에 공급된 냉각 매체는, 캐소드측 세퍼레이터(14) 및 애노드측 세퍼레이터(16) 사이의 냉각 매체 유로(34)에 유입된다. 냉각 매체는, 일단 화살표 C로 나타내어진 중력 방향으로 내측을 향해 유동한 후, 화살표 B로 나타내어진 수평 방향으로 이동하여, 막 전극 접합체(12)를 냉각한다. 그 후에, 이 냉각 매체는, 화살표 C로 나타내어진 방향에서 외측으로 이동한 후, 한 쌍의 냉각 매체 배출 통로(22b)로 배출된다.

Claims (9)

  1. 전극(26, 28)과 상기 전극(26, 28) 사이에 개재된 전해질막(25)을 포함하는 막 전극 접합체(12)를 협지하는 연료 전지용 세퍼레이터(14, 16)로서, 시일 부재(40, 42)가 연료 전지용 세퍼레이터(14, 16)의 외측 단부와 일체로 형성되어 있고, 적어도 연료 가스, 산소 함유 가스, 또는 유체인 냉각 매체가, 연료 전지용 세퍼레이터(14, 16)와 막 전극 접합체(12)가 적층되는 적층 방향으로 유동하는 것을 허용하도록, 유체 통로(18a)가 연료 전지용 세퍼레이터(14, 16)의 면 내에 형성되어 있으며,
    연료 전지용 세퍼레이터(14, 16)의 외측 단부에, 상기 연료 통로(18a)의 외측에, 연료 전지용 세퍼레이터(14, 16)의 전체 둘레에 걸쳐 수지 부재(36A)가 마련되고,
    수지 부재(36A)의 일부를 덮는 시일 부재(40)가 연료 전지용 세퍼레이터(14, 16)의 양면에 마련되는 것인 연료 전지용 세퍼레이터.
  2. 제1항에 있어서, 상기 수지 부재(36A)는, 연료 전지용 세퍼레이터(14, 16)의 외측 단부의 외측에 배치되고, 한 쌍의 시일 부재 성형용 금형(62, 64)과 접촉하는 볼록부(36t)를 포함하는 것인 연료 전지용 세퍼레이터.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 수지 부재(36A)는, 상기 시일 부재(40)의 외측 단부와 상기 적층 방향으로 중첩되는 중첩부(36ka)를 포함하는 것인 연료 전지용 세퍼레이터.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 수지 부재 성형용의 수지 유동 섹션(36g)이 수지 부재(36A)의 복수 개소에 마련되고;
    인접하는 상기 수지 유동 섹션들(36g)의 사이에는, 세퍼레이터의 면에 평행한 방향에서 외측으로 돌출하는 팽출부(36d)가 마련되는 것인 연료 전지용 세퍼레이터.
  5. 전극(26, 28)과 상기 전극(26, 28) 사이에 개재된 전해질막(25)을 포함하는 막 전극 접합체(12)를 협지하는 연료 전지용 세퍼레이터로서, 시일 부재(40, 42)가 연료 전지용 세퍼레이터(14, 16)의 외측 단부와 일체로 형성되고, 적어도 연료 가스, 산소 함유 가스, 또는 유체인 냉각 매체가, 연료 전지용 세퍼레이터(14, 16)와 막 전극 접합체(12)가 적층되는 적층 방향으로 유동하는 것을 허용하도록, 유체 통로(18a)가 연료 전지용 세퍼레이터(14, 16)의 면 내에 형성되는 것인 연료 전지용 세퍼레이터의 제조 방법으로서,
    연료 전지용 세퍼레이터(14, 16)의 외측 단부에, 상기 연료 통로(18a)의 외측에, 연료 전지용 세퍼레이터(14, 16)의 전체 둘레에 걸쳐 수지 부재(36A)를 마련하는 단계; 및
    수지 부재(36A)가 한 쌍의 금형(62, 64) 사이에 유지된 상태에서, 용융 시일 부재를 공급하여, 연료 전지용 세퍼레이터(14, 16)의 양면에 상기 수지 부재(36A)의 일부를 덮는 시일 부재(40)를 형성하는 단계
    를 포함하는 연료 전지용 세퍼레이터의 제조 방법.
  6. 제5항에 있어서, 상기 수지 부재(36A)는, 상기 세퍼레이터(14)의 외측 단부의 외측에 배치되고, 상기 한 쌍의 금형(62, 64)과 접촉하는 볼록부(36t)를 포함하는 것인 연료 전지용 세퍼레이터의 제조 방법.
  7. 제5항 또는 제6항에 있어서, 상기 수지 부재(36A)는, 상기 시일 부재(40)의 외측 단부와 상기 적층 방향으로 중첩되는 중첩부(36ka)를 포함하는 것인 연료 전지용 세퍼레이터의 제조 방법.
  8. 제5항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 한 쌍의 수지 부재 성형용 금형(52, 54) 사이에 연료 전지용 세퍼레이터(14)가 유지된 상태에서, 금형 맞댐면 방향에 평행한 방향으로부터 용융 수지 부재가 공급되어 상기 수지 부재(36A)를 성형하는 것인 연료 전지용 세퍼레이터의 제조 방법.
  9. 제5항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 수지 부재 성형용의 수지 유동 섹션(36g)이 수지 부재(36A)의 복수 개소에 마련되고;
    인접하는 상기 수지 유동 섹션들(36g)의 사이에는, 세퍼레이터의 면에 평행한 방향에서 외측으로 돌출하는 팽출부(36d)가 마련되는 것인 연료 전지용 세퍼레이터의 제조 방법.
KR1020177028175A 2015-03-31 2016-03-22 연료 전지용 세퍼레이터 및 그 제조 방법 KR101908254B1 (ko)

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