KR20170129574A - 연료전지용 프레임 가스켓 및 그 성형방법 - Google Patents

Abstract

연료전지 스택의 기밀유지를 위하여 스택 구성 부품의 테두리를 따라 배치되며, 탄성을 갖는 제1베이스 소재와 강화섬유가 혼합된 재질로 평탄하게 형성된 기저부 및 상기 기저부에서 돌출되며, 탄성을 갖는 제2베이스 소재로 형성된 제1돌기부를 포함하는 연료전지용 프레임 가스켓과 그 성형 방법이 소개된다.

Description

연료전지용 프레임 가스켓 및 그 성형방법 {FRAME GASKET FOR FUEL CELL AND METHOD PRODUCING THE SAME}

본 발명은 인서트(Insert)를 적용하지 않아도 탄성체 자체가 충분한 강성을 갖도록 할 뿐만 아니라 기밀 내구성을 향상시킬 수 있는 자립형(Self-Standing)의 연료전지용 프레임 가스켓 및 그 성형 방법에 관한 것이다.

자동차용 연료전지로는 고분자 전해질 막 연료전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell, PEMFC)가 광범위하게 적용되고 있다. 자동차용으로 사용되는 연료전지 스택에서 반응기체인 수소/공기 및 냉각수에 대한 기밀성을 유지하기 위해서는 일반적으로 각 셀마다 가스켓을 사용해야 한다.

연료전지차용 스택에 사용되는 가스켓은 적절한 범위의 경도, 탁월한 탄성 또는 매우 낮은 영구압축줄음률, 우수한 기계적 물성, 우수한 내산성/내가수분해성, 수소/공기/냉각수에 대한 낮은 확산성, 촉매 피독을 유발할 수 있는 불순물들의 낮은 함량, 우수한 내열성, 높은 전기절연성, 우수한 생산성, 저가 등의 다양한 요구물성들을 동시에 만족시켜야 한다.

일반적으로 위와 같은 요구물성들을 전반적으로 만족시키며 연료전지차 스택용 가스켓으로 많이 사용되는 고분자 탄성체들은 크게 불소계, 실리콘계 및 탄화수소계 탄성체 등으로 분류할 수 있다.

불소계 탄성체의 경우 크게 FKM, FFKM 등으로 분류되며, 현재 자동차/건축/석유화학 산업 등의 다양한 용도에 광범위하게 적용되고 있다. 특히, 불소계 탄성체는 탄성, 내산성, 내열성 등이 탁월하여 가혹한 연료전지차의 운전조건에서 장시간 사용 가능할 것으로 간주되어 스택용 가스켓으로 큰 관심을 받아왔으나, 일반적으로 사출 성형성 및 내한성이 좋지 않고 가격이 비싼 단점이 있다.

실리콘계 탄성체의 경우 크게 폴리디메틸실록산 등의 일반 실리콘 탄성체와 불소화 실리콘과 같은 개질 실리콘으로 분류된다. 실리콘계 탄성체의 경우 정밀 사출성형을 위해 고상보다 액상 실리콘 고무가 보다 많이 사용되어 탁월한 사출 성형성을 발현할 수 있지만, 연료전지 운전조건에서 실리콘 불순물이 용출되어 백금 촉매를 피독할 수 있다는 단점이 있다.

또한 탄화수소계 탄성체의 경우 에틸렌 프로필렌 디엔 모노머(EPDM), 에틸렌 프로필렌 고무(EPR), 이소프렌 고무(IR), 이소부틸렌-이소프렌 고무(IIR) 등의 탄성체들이 많이 사용되어 왔는데 일반적으로 내한성이 우수하고 가격이 낮은 장점들이 있는 반면, 100 ℃ 이상의 고온에서 물성 저하가 심해 장기간 사용하기 어려운 단점이 있다.

또한, 연료전지용 가스켓으로서, 종래 기술에서는 강성이 부족한 가스켓을 지지하기 위하여 인서트(Insert)로서 금속분리판/기체확산층/막전극접합체/수지프레임 등과 일체화하거나, 고분자 필름 부재를 가스켓 일면에 적층/접합하기도 한다. 이러한 종래기술은 수백 개의 셀이 적층되어 이루어지는 스택에 있어서 각 셀에 적용하기 위한 가스켓/인서트 일체화 공정이나 부가적인 필름 부재 사용 및 필름/가스켓 접합 공정의 필요성, 그리고 일체화 공정에서의 불량(분리판 변형 및 표면 오염 등) 및 일체화 후 품질 검수 비용 등은 원가 상승의 원인이 되고, 스택 생산성을 저하시키는 문제점이 있다.

상기의 배경기술로서 설명된 사항들은 본 발명의 배경에 대한 이해 증진을 위한 것일 뿐, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에게 이미 알려진 종래기술에 해당함을 인정하는 것으로 받아들여져서는 안 될 것이다.

KR 2009-0006973 A US 2015-0349355 A1 JP 2013-175336 A

본 발명은 상기와 같은 문제점을 개선하기 위한 것으로, 탄성부재로 형성된 가스켓 자체의 강성 부족을 증대시켜 인서트 없이도 스스로 일정 형상을 유지할 수 있게 함으로써, 가스켓 사출성형 시 금형 내에 별도의 인서트를 삽입하는 불필요한 공정을 삭제시킬 수 있을 뿐만 아니라 연료전지의 기밀 성능, 내구 품질, 생산성, 상품성 등을 향상시킬 수 있는 연료전지용 프레임 가스켓 및 그 성형 방법을 제공하는데 목적이 있다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 연료전지용 프레임 가스켓은 연료전지 스택의 기밀을 위하여 분리판 또는 막전극접합체 또는 엔드플레이트의 외곽부를 따라 배치되고, 소정의 폭과 높이를 가지고 분리판 또는 막전극접합체 또는 엔드플레이트의 외곽부를 따라 연장되는 형상이며, 탄성이 구비된 제1베이스 소재 및 제1베이스 소재 내에 혼합된 강화섬유로 형성된 기저부; 및 상기 기저부 상단에서 돌출되어 연장되는 형상이고, 탄성을 갖는 재질로 형성된 제1돌기부;를 포함한다.

상기 제1돌기부는 상기 기저부의 상단에서 기저부를 따라 연장되고, 상기 기저부와 상기 제1돌기부는 상기 분리판 또는 상기 막전극접합체 또는 상기 엔드플레이트의 외곽부를 따라 연장되며 폐루프를 형성할 수 있다.

상기 제1돌기부는 탄성이 구비된 제2베이스 소재를 포함하는 재료로 형성될 수 있다.

상기 제1베이스 소재는 상기 제2베이스 소재와 동일한 소재이며 상기 기저부와 상기 제1돌기부는 일체로 성형될 수 있다.

상기 제1돌기부는 탄성이 구비된 제2베이스 소재 및 제2베이스 소재 내에 혼합된 강화섬유를 포함하는 재료로 형성되고, 상기 제1돌기부 내의 강화섬유의 함량은 상기 기저부 내의 강화섬유의 함량보다 적을 수 있다.

상기 제1베이스 소재는 상기 제2베이스 소재와 동일한 소재이며 상기 기저부와 상기 제1돌기부는 일체로 성형될 수 있다.

상기 제1베이스 소재는 EPDM(Ethylene Propylene Diene Monomer), 불소 또는 실리콘 계열의 고무 중 어느 하나 이상을 포함할 수 있다.

상기 제1돌기부는 탄성이 구비된 제2베이스 소재를 포함하는 재료로 형성되고, 상기 제2베이스 소재는 상기 제1베이스 소재보다 경도가 낮은 소재일 수 있다.

상기 강화섬유는 탄소 섬유, 유리 섬유 또는 아라미드 섬유 중 어느 하나 이상을 포함할 수 있다.

상기 제1돌기부의 폭은 상기 강화섬유의 섬유 길이보다 작을 수 있다.

상기 제1돌기부는 탄성이 구비된 제2베이스 소재를 포함하는 재료로 형성되고, 상기 제1돌기부 상단에 상기 제2베이스 소재로 형성된 제2돌기부;를 더 포함할 수 있다.

상기 제2돌기부의 폭은 상기 강화섬유의 섬유 길이보다 작고, 상기 제1돌기부의 폭은 상기 강화섬유의 길이보다 클 수 있다.

상기 제1돌기부는 상기 기저부 상단에서 복수 개가 이격되도록 마련되며, 상기 복수의 제1돌기부는 상기 기저부의 상면에서 각각 폐루프를 형성할 수 있다.

상기 복수의 제1돌기부는 상기 기저부 상면에서 연장되며 기울기가 변화되도록 연장될 수 있다.

상기 복수의 제1돌기부는 상기 기저부 상단에서 서로 나란하게 지그재그 형상으로 연장되거나 또는 서로 엇갈리며 교차되도록 연장될 수 있다.

상기 제1돌기부는 상기 기저부 상단 및 하단 각각에서 복수 개가 이격되도록 마련되며, 상기 복수의 제1돌기부는 상기 기저부의 상면 및 하면에서 각각 폐루프를 형성할 수 있다.

상기 기저부는 연료전지의 애노드 분리판과 캐소드 분리판이 마주하여 형성하는 냉각면의 외곽부를 따라 상기 애노드 분리판과 상기 캐소드 분리판의 사이에 배치될 수 있다.

상기 기저부는 상기 막전극접합체의 외곽부를 따라 상기 막전극접합체의 상면과 하면에 각각 배치됨으로써, 양면이 상기 분리판과 상기 막전극접합체에 각각 접촉될 수 있다.

상기 기저부는 상기 연료전지 스택의 엔드셀 히터의 외곽부를 따라 배치되며, 일면이 상기 엔드셀 히터와 접촉되고 타면은 연료전지의 엔드플레이트에 접촉될 수 있다.

본 발명의 연료전지용 프레임 가스켓을 성형하는 방법은, 탄성을 갖는 상기 제1베이스 소재와 상기 강화섬유가 혼합된 소재로 상기 기저부를 성형하는 단계; 및 상기 기저부 상단에 탄성을 갖는 제2베이스 소재를 포함하는 재료로 상기 제1돌기부를 성형하는 단계;를 포함한다.

본 발명에 따른 연료전지용 프레임 가스켓의 장점을 설명하면 다음과 같다.

첫째로, 금형 내 인서트(분리판/기체확산층/막전극접합체/수지 프레임 등) 없이 직접 탄성체 성형이 가능하고, 강화섬유 보강을 통해 평탄한 탄성체 기저부의 기계적 강성을 보강하여 가스켓 자체의 형상 유지 능력을 향상시킬 수 있다.

둘째로, 인서트 부재, 가스켓과 인서트와의 일체화 공정, 일체화 성형품 후처리, 인서트 세척 등 불필요한 공정 삭제로 가공비 측면의 원가 절감 효과가 있다.

셋째로, 인서트와의 일체화 공정이 불필요하므로 가스켓 성형 시 분리판 변형이나 표면 오염을 원천적으로 방지할 수 있고, 성형 불량률 감소 및 소재 사용량 저감으로 재료비 측면의 원가 절감 효과가 있다.

넷째로, 종래기술과 같은 강성이 부족한 가스켓과 인서트를 일체화하는 공정에서 가스켓 형상을 유지하고 원하는 위치에 배치하기 위하여 인서트 표면에 접착제를 도포해야 하는데, 본 발명의 경우 이와 같은 고가의 접착제가 필요 없고, 접착제 도포 공정도 불필요하므로 재료비 측면과 공정에서의 원가 절감 효과가 있다.

다섯째로, 평탄하고 강성이 높은 탄성체 기저부를 통해 가스켓 구조 안정성을 향상시키고, 상기 기저부 위에 형성된 돌기부를 통해 연료전지 내 타 부품과의 공차를 흡수할 수 있을 뿐만 아니라 연료전지의 기밀 성능을 향상시킬 수 있다.

도 1 내지 4는 본 발명의 실시예에 따른 연료전지용 프레임 가스켓의 단면을 보여주는 개략도.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 연료전지용 프레임 가스켓의 파단면을 보여주는 SEM 이미지.
도 6 내지 8은 본 발명의 실시예에 따른 연료전지용 프레임 가스켓의 평면을 보여주는 개략도.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 연료전지용 프레임 가스켓의 강화섬유 함량 별 강성 증대 효과를 보여주는 그래프.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 연료전지용 프레임 가스켓의 보강 섬유 별 체적저항 변화를 보여주는 그래프.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 살펴본다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시 예에 한정되지 않는다. 또한, 도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 본 발명이 반드시 도시된 바에 한정되지 않는다.

본 발명에 따른 연료전지용 프레임 가스켓은 도 1에서 도시하고 있는 바와 같이 연료전지의 기밀을 위하여 분리판 또는 막전극접합체 또는 엔드플레이트의 외곽부를 따라 배치되며, 탄성을 갖는 제1베이스 소재와 강화섬유가 혼합된 재질로 평탄하게 형성된 기저부(10) 및 상기 기저부(10)에서 돌출되며, 탄성을 갖는 소재로 형성된 제1돌기부(20)를 포함한다.

본 발명은 연료전지 부품의 기밀을 위한 프레임 가스켓에 관한 발명인 바, 가스켓을 구성하는 기저부(10) 및 돌기부는 기본적으로 탄성을 가지는 소재가 될 것이다. 가스켓에 활용되는 탄성소재는 불소고무(FKM), 실리콘고무(VMQ), 이소프렌고무(IR) 등 다양한 소재가 존재하는데, 도 5에 도시하고 있는 바와 같이 본 발명에서는 바람직한 실시예로서 EPDM 고무에 탄소섬유를 혼합한 것을 제시하고 있는 바, 이는 EPDM고무가 타 탄성소재에 비해서 가격이 저렴하고 내한성이 우수할 뿐만 아니라 내화학성 측면에서도 우수한 성능을 보이기 때문이다.

한편 본 발명에 따른 기저부(10)를 구성하는 탄성소재로는 제1베이스 소재를 돌기부를 구성하는 탄성소재로는 제2베이스 소재를 각각 언급하고 있는데, 제작 편의상 기저부(10)와 돌기부는 동일한 탄성소재로 형성될 수 있으며 이 경우에는 동일한 재질로서 한 번에 성형이 가능하고, 두 번에 걸쳐 성형하더라도 재료적인 결합성을 높게 가져갈 수 있다. 그리고, 제1베이스 소재와 제2베이스 소재가 동일하고 한 번에 성형하더라도 기저부(10)를 구성하는 제1베이스 소재에만 강화섬유가 혼합되거나 혹은 더 많이 혼합되는 구조를 가지고 있으므로 본 발명에서 목표로 하고자 하는 자립형 연료전지용 프레임 가스켓의 구현이 충분히 가능하다.

반면에 제1베이스 소재와 제2베이스 소재를 각각 달리 적용할 경우에는 제1돌기부(20) 또는 후술 할 제2돌기부(30)를 구성하는 제2베이스 소재를 제1베이스 소재보다 경도가 낮은 소재를 사용하는 것이 바람직할 것이다. 왜냐하면 기저부(10)는 가스켓의 구조 안정성을 향상시키기 위해 보강되는 강화섬유 때문에 경도가 높아지게 되어 압축이 잘 되지 않는 반면, 제1돌기부(20) 및 제2돌기부(30)는 도 1 내지 4에 도시된 바와 같이 평탄한 면을 구성하지 않으므로 스택 구성 부품과 접촉되어 기밀을 유지하기 위해서는 제1돌기부(20) 및 제2돌기부(30)를 경도가 낮은 소재로 형성하여 셀 체결 시 압축에 필요한 힘(체결 하중)을 최소화할 수 있기 때문이다. 따라서 본 발명에서는 제2베이스 소재의 경도를 제1베이스 소재의 경도보다 낮게 하여 연료전지용 프레임 가스켓의 기밀 성능이 충분히 유지될 수 있도록 하고 있는 것이다. 뿐만 아니라 다른 스택 구성부품(기체확산층, 막전극접합체 등)과 함께 체결 시 발생하는 공차를 경도가 낮은 제1돌기부(20) 또는 제2돌기부(30)가 흡수할 수 있게 됨에 따라 연료전지를 구성하는 각 셀의 전기화학적 성능 균일도가 향상될 수 있다.

다만 제1베이스 소재가 제2베이스 소재보다 경도가 높다고 하더라도 기본적으로 탄성을 가지므로 그 자체만으로는 어느 정도 가스켓의 휨 현상이 발생할 수 밖에 없으므로 가스켓 성형 시 금형 내 인서트 삽입이 필수적인 요소가 된다. 그러나 본 발명에서는 가스켓 기저부(10)를 제1베이스 소재만으로 형성하는 것이 아니라 강화섬유를 혼합하여 형성하여 기저부(10)의 강성을 강화시킴으로써 이러한 문제점을 해결하고자 한다.

상기 제1베이스 소재에 혼합될 수 있는 강화섬유는 다양한 종류가 있을 수 있으나 본 발명에서는 가스켓 기저부(10)의 자체적 강성을 강화시키기에 적절한 강화섬유로서 탄소 섬유, 유리 섬유와 아라미드 섬유를 제시하고 있다. 다만 앞서 기술한 바람직한 일 실시 예의 제1베이스 소재는 탄화수소계인 EPDM고무 소재로 형성되는 바, 상기 강화섬유 중 탄소를 주성분으로 하는 탄소 섬유를 이용하게 되면 기저부(10)의 EPDM 소재와 탄소 섬유를 혼합 시 동일한 탄소 계열의 소재이므로 추가적인 탄소 섬유의 표면처리 공정을 거치지 않고 용이하게 혼합이 가능하므로 원가 및 제조 공정 측면에서는 가장 바람직할 것이다.

상기 강화섬유 중 어떠한 섬유를 이용하던 본 발명에 따른 연료전지용 프레임 가스켓의 경우 도 1에서 도시된 바와 같이 상기 제1돌기부(20)의 폭 길이는 강화섬유A(11)의 섬유 길이보다 작다. 왜냐하면 본 발명에 따른 연료전지용 프레임 가스켓은 기본적으로 금형 내에 제1베이스 소재와 강화섬유가 혼합된 재질을 사출 또는 압축 성형을 통해 제작하기 때문이다. 즉, 금형 내 성형 시 강화섬유가 베이스 소재 흐름에 맞춰 일정 부분 배향하게 되나, 강화섬유A(11)의 길이가 제1돌기부(20)의 폭 길이보다 작게 되면 설계자의 의도와 관계없이 제1베이스 소재와 강화섬유A(11)가 혼합된 재질이 제1돌기부(20)로 과도하게 유입될 수 있기 때문에, 이러한 점을 방지하기 위해 제1돌기부(20)의 폭 길이를 강화섬유A(11)의 섬유 길이보다 작도록 하고 있는 것이다. 강화섬유A(11)의 길이는 섬유의 종류마다 다양한 값을 가질 것이나 앞서 본 발명의 대표적인 사례로 언급한 유리섬유는 4 mm의 길이를 가지며, 아라미드 섬유는 5 mm의 길이를 가지고, 탄소 섬유는 3 또는 6 mm의 길이를 가지는 바 제1돌기의 폭 길이는 어떠한 강화섬유를 이용할 것인지에 따라 가변적으로 적용 가능할 것이다.

도 1과 달리 도 2는 기본적으로 도 1과 동일한 구성이지만, 상기 제1돌기부(20)를 기저부(10)의 양면에 마주하게 배치하는 형태로 구성되며 이를 통해 연료전지의 기밀성이 도 1 보다 더욱 향상될 수 있다.

도 1과 달리 도 3은 기본적으로 도 1과 동일한 구성에 상기 제1돌기부(20) 위에 상기 제2베이스 소재로 형성된 제2돌기부(30)를 더 포함된 형태로 구성된다. 즉 돌기부를 제1돌기부(20)와 제2돌기부(30)로 하여 두 단계로 구성하고 있는 것인데, 여기서 제2돌기부(30)의 폭 길이는 상기 강화섬유B(21)의 섬유 길이보다 작으며, 상기 제1돌기부(20)의 폭 길이는 상기 강화섬유B(21)의 섬유 길이보다 큰 것을 확인할 수 있다.

따라서 도 3의 경우에는 제1돌기부(20)까지 강화섬유B(21)가 침투될 수 있으므로 가스켓의 강성은 향상될 수 있다. 반면에 기저부(10)와 동일한 강성을 가지는 제1돌출부를 포함하고 있어 동등 이상의 기밀 성능을 유지하기 위해서는 제2돌기부(30)를 더 포함해야 한다.

또한, 도 4와 같이 형성될 수도 있는데, 이는 기저부(10)와 제1돌기부(20) 사이에 오목부(40)를 형성함으로써, 강화섬유(11)의 제1돌기부(20)로의 침투를 보다 더 효과적으로 방지할 수 있다. 이 경우에는 오목부(40)의 폭이 제1돌기부(20)의 폭보다 작고 강화섬유(11)의 길이보다 작은 것을 확인할 수 있고, 이를 통해 강화섬유(11)가 과도하게 제1돌기부(20)로 침투되는 것을 방지할 수 있게 된다.

연료전지용 프레임 가스켓에 사용되는 강화섬유의 종류 및 각 셀 구성부품과의 접촉 방식에 따라 도 1의 구조로 가스켓을 성형할 것인지 또는 도 2 내지 4의 구조로 가스켓을 성형할 것인지는 설계자가 적절히 선택하여야 할 것이다.

도 1 내지 4의 구조 중 어느 것을 선택하든 제1돌기부(20)는 기저부(10) 위에 복수 개 형성될 수 있는데 구체적으로 복수 개의 제1돌기부(20)가 형성되는 형상은 도 6에서 도시하고 있는 바와 같이 상기 기설정된 기준간격으로 이격되어 상기 기저부(10)의 일면에서 복수 개 배치되어 폐루프를 형성할 수 있다. 물론 전체적인 기밀을 위해서 제1돌기부(20)는 전체 기저부(10)를 따라 폐루프로 연장되는 것이 바람직하나, 경우에 따라서 제1돌기부(20)는 기저부(10) 중 매니폴드에만 위치되는 기저부(10)의 부분을 따라 연장되며 매니폴드만을 두르는 폐루프의 형태도 가능할 수 있다. 본 발명에 따를 경우 이러한 복수 개의 돌기부에 의해 연료전지의 기밀 성능을 더욱 향상시킬 수 있을 것이다.

뿐만 아니라, 본 발명에 따를 경우 도 7에서 도시하고 있는 바와 같이 상기 복수 개의 제1돌기부(20)가 일렬로 배치되지 않고 일정한 각도를 유지하며 지그재그로 연장될 수도 있고, 도 8과 같이 엇갈리게 배치되며 폐루프를 형성할 수 있다. 예를 들어, 제1돌기부(20)가 지그재그 형상으로 기울기를 가지되 그 기울기가 변화되도록 폐루프를 구성할 수 있는데, 이와 같이 제1돌기부(20)를 엇갈리게 구성하는 이유는 이와 같이 구성할 경우 가스켓 성형시 제1베이스 소재와 강화섬유A(11)가 혼합된 재질의 유동방향에 대한 저항이 커지므로 제1돌기부(20)가 일렬로 배치된 구성보다 제1베이스 소재와 강화섬유A(11)가 혼합된 재질이 제1돌기부(20)로 침투할 확률이 감소하기 때문이다. 그리고 이를 통해 한 번에 기저부(10)와 제1돌기부(20)를 동시 성형하더라도 기저부(10)에 강화섬유A(11)의 함량이 더 높아지도록 할 수 있는 것이다.

이와 같은 구조로 제작된 연료전지용 가스켓은 종래 기술에 비해 가스켓 강성이 현저히 강화되는데, 이는 도 9의 그래프를 통해 확인할 수 있다. 도 9는 가스켓 기저부(10)의 제1베이스 소재는 EPDM 고무로 구성하고 강화섬유는 탄소섬유를 부가한 경우 인장강도에 따른 연신율을 도시한 그래프인데, 탄소섬유가 혼합되지 않은 경우에 비해 탄소섬유가 10~30 phr(Parts per Hundred Rubber) 혼합됨에 따라 연료전지 프레임 가스켓의 강성이 강화되는 것을 확인할 수 있다. 한편, 탄소섬유의 함량이 40 phr 이상에서는 오히려 EPDM 고무와의 혼합성이 안 좋아져 성형 작업성이 저하되는 것을 알 수 있었다. 따라서, 탄소섬유의 EPDM 고무와의 혼합성, 강성 보강, 제품 원가 및 후술할 절연저항측면에서 탄소섬유의 함량을 10~30 phr 정도로 혼합하는 것이 바람직할 것이다.

도 10은 본 발명에 따른 연료전지용 가스켓의 전기 절연성을 확인하기 위하여 가스켓 시편의 체적저항을 측정한 그래프이다.(도 10에 대한 설명을 개시하기에 앞서 도 10 그래프의 종래기술이라고 기재된 부분은 본 출원인이 종래에 제작한 연료전지용 가스켓의 체적저항을 의미하며 이는 공지된 기술이 아님을 밝힌다.) 다른 장치에 활용되는 가스켓과 다르게 연료전지에 사용되는 가스켓은 전기가 발생되고 흐르는 막전극접합체 및 분리판 등과 직접 접촉이 되므로 전기 절연성이 매우 중요한 요소에 해당하는 바, 가스켓 제작에 있어서 전기 절연성과 연관이 있는 체적저항이 어떠한 값을 가지는가가 매우 중요한데 도 10의 그래프를 보면 종래기술에 비해 EPDM에 아라미드 섬유나 유리 섬유를 혼합한 경우에는 체적저항이 크게 감소하지 않으므로 상기의 강화섬유를 혼합하더라도 가스켓의 전기 절연성에는 큰 문제가 없음을 확인할 수 있다.

탄소 섬유를 혼합한 경우에는 본 출원인이 종래에 사용했던 연료전지용 가스켓과는 다르게 체적저항이 감소하는 것을 확인할 수 있는데, 보강 함량 30 phr 까지는 체적저항의 값은 1×10⁹ [Ω·cm]이상이므로 전기절연 측면에서는 아무런 문제가 없는 바 이는 문제가 되지 않는다. 오히려 앞서 언급하였듯이 EPDM과 혼합성(상용성)이 좋은 탄소 섬유를 사용하면 제작 공정 측면에서 이득이 있으므로 어느 정도 체적저항이 감소된다고 하더라도 EPDM에 탄소섬유를 혼합하는 것이 바람직하다고 볼 수 있을 것이다.

더불어 본 발명에 따른 연료전지용 프레임 가스켓의 기저부는 분리판 또는 막전극접합체 또는 엔드플레이트의 테두리를 따라 배치된다고 하였는데, 구체적으로 상기 기저부는 애노드 분리판과 캐소드 분리판이 마주하여 형성하는 냉각면의 테두리를 따라 배치될 수 있으며, 막전극접합체의 양면 테두리를 따라 배치되어 일면이 분리판과 접촉되고 타면이 막전극접합체에 접촉될 수 있을 뿐만 아니라 스택을 구성하는 엔드셀 히터 테두리를 따라 배치되어, 일면이 엔드셀 히터와 접촉되고 타면은 엔드플레이트에 접촉될 수도 있을 것이다.

또한, 본 발명에 따른 연료전지용 프레임 가스켓을 성형하는 방법으로 본 발명 구조에 따른 연료전지용 프레임 가스켓 금형을 이용하여 한 번에 기저부(10)와 제1돌기부(20) 또는 제2돌기부(30)를 사출 또는 압축 성형할 수도 있을 것이다.

그러나 이 경우 본 발명에서 제시하고 있는 제1돌기부(20)의 폭 길이 조절 또는 제1돌기부(20)의 배치를 통하더라도 일부의 강화섬유(강화섬유A(11) 또는 강화섬유B(21))가 제1돌기부(20) 또는 제2돌기부(30)로 침투할 가능성이 없는 것은 아니다. 그리고 이와 같이 침투될 경우 연료전지 기밀성이 감소될 우려가 존재한다.

따라서 본 발명에서는 이러한 점을 극복하기 위하여 이중으로 사출 또는 압축 성형하는 방법을 제시하고 있는데, 구체적으로 탄성을 갖는 제1베이스 소재와 강화섬유가 혼합된 재질로 기저부(10)를 일차적으로 성형하는 단계를 먼저 수행하고 탄성을 갖는 제2베이스 소재로 기저부(10)에 제1돌기부(20)를 이차적으로 성형하는 단계를 수행하여 달성될 수 있다.

이와 같이 성형 된 연료전지용 프레임 가스켓은 기저부(10)와 제1돌기부(20)가 다른 성형과정을 통해서 성형이 되는 바, 앞서 언급한 바와 같이 돌기부를 지그재그 형상과 같이 복잡한 구조로 배치할 필요가 없어지며, 돌기부의 소재 및 경도를 기저부(10) 대비 손쉽게 다르게 할 수 있으므로 본 발명에서 달성하고자 하는 목적을 더욱 손쉽게 달성할 수 있을 것이다.

본 발명은 특정한 실시예에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 이하의 청구범위에 의해 제공되는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 한도 내에서, 본 발명이 다양하게 개량 및 변화될 수 있다는 것은 당 업계에서 통상의 지식을 가진자에게 있어서 자명할 것이다.

10: 기저부 11: 강화섬유A
20: 제1돌기부 21: 강화섬유B
30: 제2돌기부 40 : 오목부

Claims (20)

1. 연료전지 스택의 기밀을 위하여 분리판 또는 막전극접합체 또는 엔드플레이트의 외곽부를 따라 배치되고, 소정의 폭과 높이를 가지고 분리판 또는 막전극접합체 또는 엔드플레이트의 외곽부를 따라 연장되는 형상이며, 탄성이 구비된 제1베이스 소재 및 제1베이스 소재 내에 혼합된 강화섬유로 형성된 기저부; 및
   상기 기저부 상단에서 돌출되어 연장되는 형상이고, 탄성을 갖는 재질로 형성된 제1돌기부;를 포함하는 연료전지용 프레임 가스켓.
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 제1돌기부는 상기 기저부의 상단에서 기저부를 따라 연장되고, 상기 기저부와 상기 제1돌기부는 상기 분리판 또는 상기 막전극접합체 또는 상기 엔드플레이트의 외곽부를 따라 연장되며 폐루프를 형성하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 프레임 가스켓.
3. 청구항 1에 있어서,
   상기 제1돌기부는 탄성이 구비된 제2베이스 소재를 포함하는 재료로 형성된 것을 특징으로 하는 연료전지용 프레임 가스켓.
4. 청구항 3에 있어서,
   상기 제1베이스 소재는 상기 제2베이스 소재와 동일한 소재이며 상기 기저부와 상기 제1돌기부는 일체로 성형된 것을 특징으로 하는 연료전지용 프레임 가스켓.
5. 청구항 1에 있어서,
   상기 제1돌기부는 탄성이 구비된 제2베이스 소재 및 제2베이스 소재 내에 혼합된 강화섬유를 포함하는 재료로 형성되고, 상기 제1돌기부 내의 강화섬유의 함량은 상기 기저부 내의 강화섬유의 함량보다 적은 것을 특징으로 하는 연료전지용 프레임 가스켓.
6. 청구항 1에 있어서,
   상기 기저부에는 상기 제1베이스 소재의 함량을 100 phr로 할 때에 상기 강화섬유가 10~30 phr이 되는 비율로 혼합된 것을 특징으로 하는 연료전지용 프레임 가스켓.
7. 청구항 1에 있어서,
   상기 제1베이스 소재는 EPDM(Ethylene Propylene Diene Monomer), 불소 또는 실리콘 계열의 고무 중 어느 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 프레임 가스켓.
8. 청구항 1에 있어서,
   상기 제1돌기부는 탄성이 구비된 제2베이스 소재를 포함하는 재료로 형성되고, 상기 제2베이스 소재는 상기 제1베이스 소재보다 경도가 낮은 소재인 것을 특징으로 하는 연료전지용 프레임 가스켓.
9. 청구항 1에 있어서,
   상기 강화섬유는 탄소 섬유, 유리 섬유 또는 아라미드 섬유 중 어느 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 프레임 가스켓.
10. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1돌기부의 폭은 상기 강화섬유의 섬유 길이보다 작은 것을 특징으로 하는 연료전지용 프레임 가스켓.
11. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1돌기부는 탄성이 구비된 제2베이스 소재를 포함하는 재료로 형성되고, 상기 제1돌기부 상단에 상기 제2베이스 소재로 형성된 제2돌기부;를 더 포함하는 연료전지용 프레임 가스켓.
12. 청구항 11에 있어서,
    상기 제2돌기부의 폭은 상기 강화섬유의 섬유 길이보다 작고, 상기 제1돌기부의 폭은 상기 강화섬유의 길이보다 큰 것을 특징으로 하는 연료전지용 프레임 가스켓.
13. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1돌기부는 상기 기저부 상단에서 복수 개가 이격되도록 마련되며, 상기 복수의 제1돌기부는 상기 기저부의 상면에서 각각 폐루프를 형성하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 프레임 가스켓.
14. 청구항 13에 있어서,
    상기 복수의 제1돌기부는 상기 기저부 상면에서 연장되며 기울기가 변화되도록 연장된 것을 특징으로 하는 연료전지용 프레임 가스켓.
15. 청구항 13에 있어서,
    상기 복수의 제1돌기부는 상기 기저부 상단에서 서로 나란하게 지그재그 형상으로 연장되거나 또는 서로 엇갈리며 교차되도록 연장된 것을 특징으로 하는 연료전지용 프레임 가스켓.
16. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1돌기부는 상기 기저부 상단 및 하단 각각에서 복수 개가 이격되도록 마련되며, 상기 복수의 제1돌기부는 상기 기저부의 상면 및 하면에서 각각 폐루프를 형성하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 프레임 가스켓.
17. 청구항 1에 있어서,
    상기 기저부는 연료전지의 애노드 분리판과 캐소드 분리판이 마주하여 형성하는 냉각면의 외곽부를 따라 상기 애노드 분리판과 상기 캐소드 분리판의 사이에 배치된 것을 특징으로 하는 연료전지용 프레임 가스켓.
18. 청구항 1에 있어서,
    상기 기저부는 상기 막전극접합체의 외곽부를 따라 상기 막전극접합체의 상면과 하면에 각각 배치됨으로써, 양면이 상기 분리판과 상기 막전극접합체에 각각 접촉된 것을 특징으로 하는 연료전지용 프레임 가스켓.
19. 청구항 1에 있어서,
    상기 기저부는 상기 연료전지 스택의 엔드셀 히터의 외곽부를 따라 배치되며, 일면이 상기 엔드셀 히터와 접촉되고 타면은 연료전지의 엔드플레이트에 접촉된 것을 특징으로 하는 연료전지용 프레임 가스켓.
20. 청구항 1의 연료전지용 프레임 가스켓을 성형하는 방법으로서,
    탄성을 갖는 상기 제1베이스 소재와 상기 강화섬유가 혼합된 소재로 상기 기저부를 성형하는 단계; 및
    상기 기저부 상단에 탄성을 갖는 제2베이스 소재를 포함하는 재료로 상기 제1돌기부를 성형하는 단계;를 포함하는 연료전지용 프레임 가스켓 성형방법.

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