KR20200022998A - 연료전지 분리판 조립체 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 연료전지 분리판 조립체 제조방법에 관한 것으로써, 보다 상세하게는, 제2 분리판에 가스켓을 형성하기 위한 금형으로 제1 분리판 가스켓을 사용함으로써, 제1 및 제2 분리판의 접착 공정을 생략할 수 있는 연료전지 분리판 조립체 제조방법에 관한 것이다.

Description

연료전지 분리판 조립체 제조방법{METHOD OF MANUFACTURING SEPARATOR ASSEMBLY FOR FUEL CELL}
본 발명은 연료전지 분리판 조립체 제조방법에 관한 것으로써, 보다 상세하게는, 제2 분리판에 가스켓을 형성하기 위한 금형으로 제1 분리판 가스켓을 사용함으로써, 제1 및 제2 분리판의 접착 공정을 생략할 수 있는 연료전지 분리판 조립체 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로 연료전지는 연료의 산화에 의해 발생되는 화학 에너지를 직접 전기 에너지로 변환시켜 전기를 발생시키는 것으로, 탄화수소 계열의 연료를 개질하여 정제되거나 그 외의 방식으로 생산된 수소 또는 탄화수소 계열의 연료와 공기를 직접 연료전지 스택에 공급하여 전기화학적으로 반응시킴으로써 전기 에너지를 발생시키는 것이다.
보통 연료전지 스택은 양극(Anode)과 음극(Cathode), 상기 양극(Anode)과 음극(Cathode) 사이에 개재되는 전해질 막을 포함한 막-전극 접합체(MEA) 및 상기 막-전극 접합체를 분리하는 분리판을 포함한 단위 셀이 복수로 적층된 구조를 가진다.
그리고, 연료전지 스택에서 반응기체인 수소/공기 및 냉각수에 대한 기밀성을 유지하기 위해서는 일반적으로 각 셀마다 가스켓을 사용한다.
종래 연료전지 스택은 애노드 및 캐소드 분리판의 반응면 및 냉각면에 가스켓을 형성한 후, 소성하여 스택킹 작업으로 제작된다. 스택킹 작업시 일반적으로 애노드 분리판, 캐소드 분리판, 5-layer MEA(GDL 합착된 MEA)를 교대로 적층하여 제작하게 되는데, 이 과정을 좀 더 단순화 하기 위해 애노드 분리판과 캐소드 분리판의 쿨링면을 마주하여 미리 접착하여 한 부품으로 제작할 수 있다. 그러면 부품수가 줄어들어 스택킹 과정이 좀 더 단순화되며, 분리판 정렬에 이점이 있다.
금속 분리판을 이용한 연료전지 스택의 경우, 금형을 이용하여 가스켓을 분리판에 직접 사출 성형하는 방법으로 많이 제작되고 있으며, 애노드 분리판과 캐소드 분리판의 가스켓 성형된 분리판을 접착하기 위해 가스켓 또는 가스켓이 만나는 금속면에 접착제를 도포해서 접착하거나, 두 분리판이 접하는 면을 용접하는 방식이 사용된다. 이와 같은 종래의 방식은 접착 또는 용접의 공정이 포함되게 되며, 공정 비용과 시간이 증가되는 문제점이 발생하게 된다.
이와 관련해서 제1 분리판과 제2 분리판을 접합할 때, 접착공정이 필요하지 않아 제조 공정을 단순화한 연료전지 분리판 조립체 제조방법이 필요한 실정이다.
한국등록특허 제10-1655509호
본 발명은 상술된 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 본 발명의 목적은, 분리판에 가스켓을 성형할 때 가스켓 금형과 분리판을 이용하여 가스켓 사출 및 캐소드 및 애노드 분리판 접착을 동시에 진행하여 제조 공정을 단순화한 연료전지 분리판 조립체 제작방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 분리판 조립체 제조방법은 제1 가스켓 금형에 제1 분리판을 안착시키고, 액상 가스켓을 사출하여 상기 제1 분리판(separator)의 일면 및 타면에 가스켓을 사출하는 단계; 제2 가스켓 금형에 상기 제1 분리판 및 제2 분리판을 안착시킨 후, 상기 액상 가스켓을 취출하여 상기 제2 분리판의 일면 및 타면에 가스켓을 사출하는 단계; 및 상기 제2 가스켓 금형을 제거하고, 상기 제1 및 제2 분리판을 열처리하여 연료전지 단위셀을 제공하는 단계;를 포함하고, 상기 제1 및 제2 분리판은, 상기 가스켓이 형성되는 위치에 홀이 형성되어 상기 액상 가스켓이 상기 홀을 통과하여 상기 제1 및 제2 분리판의 일면 및 타면에 동시에 사출되는 것을 특징으로 한다.
일 실시예에서, 상기 제1 가스켓 금형의 상형은 상기 액상 가스켓이 충전되는 캐비티의 일부에 돌출부가 형성되는 것을 특징으로 한다.
일 실시예에서, 상기 제1 및 제2 분리판을 열처리하는 단계에서는, 상기 제1 및 제2 분리판 각각에 형성된 가스켓이 경화되어 접착되는 것을 특징으로 한다.
일 실시예에서, 상기 가스켓은, 실리콘계, 불소계 및 올레핀(olefin)계의 고무 재질 중 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 한다.
일 실시예에서, 상기 제2 분리판의 타면에 형성된 가스켓은 상기 제1 분리판의 일면에 형성된 가스켓과 반대되는 패턴으로 제공되어 서로 맞물리는 것을 특징으로 한다.
일 실시예에서, 상기 제1 및 제2 분리판의 일면은 냉각면이고, 타면은 반응면으로 형성되며, 상기 제1 및 제2 분리판의 냉각면은 마주보도록 위치되는 것을 특징으로 한다.
일 실시예에서, 상기 연료전지 분리판 조립체 제조방법은, 사출된 가스켓을 포함하는 상기 제1 분리판과 상기 제2 분리판을 정렬하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
일 실시예에서, 상기 제1 및 제2 분리판에는 핀홀을 포함하고, 상기 핀홀에 핀이 결합되어 정렬되는 것을 특징으로 한다.
일 실시예에서, 상기 제2 분리판의 일면 및 타면에 가스켓을 사출하는 단계는, 상기 제1 가스켓 금형 상형과 상기 제2 가스켓 금형 상형을 치환하는 것을 특징으로 한다.
일 실시예에서, 상기 제1 분리판, 제2 분리판 및 제1 가스켓 하형에는 핀홀을 포함하고, 상기 핀홀에 핀이 결합되어 정렬되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 분리판에 가스켓을 성형할 때 가스켓 금형과 분리판을 이용하여 가스켓 사출 및 캐소드 및 애노드 분리판 접착을 동시에 진행하여 제조 공정을 단순화하는 효과가 발생하게 된다.
또한, 제1 분리판에 형성된 가스켓이 제2 가스켓 금형으로 사용됨으로써, 제1 및 제2 분리판에 형성되는 가스켓의 기밀성 및 조립성을 향상시킬 수 있는 효과가 발생하게 된다.
또한, 본 발명에 따른 연료전지는 조립성 및 기밀성이 우수한 가스켓을 구비함으로써 스택 정렬도의 흐트러짐 발생을 최소화할 수 있고, 수소와 산소가 반응하는 반응영역 및 각 매니폴드로부터 수소 및 산소가 누출되는 것을 방지하여 발전용량을 향상되는 효과가 발생하게 된다.
도 1은 본 발명에 따른 연료전지 분리판 조립체 제조방법에 의해 제조된 분리판 냉각면의 평면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 분리판 조립체 제조방법의 순서도이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지 분리판 조립체 제조방법의 순서도이다.
도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 연료전지 분리판 조립체 제조방법의 순서도이다.
본 발명을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다. 여기서, 반복되는 설명, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다. 본 발명의 실시형태는 당 업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 따라서, 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위하여 과장될 수 있다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시한다. 그러나 하기의 실시예는 본 발명을 보다 용이하게 이해하기 위하여 제공되는 것일 뿐, 실시예에 의해 본 발명의 내용이 한정되는 것은 아니다.
<연료전지 분리판 조립체 제조방법>
도 1은 본 발명에 따른 연료전지 분리판 조립체 제조방법에 의해 제조된 분리판 냉각면의 평면도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 분리판 조립체 제조방법의 순서도이다.
본 발명에 따른 연료전지 분리판 조립체 제조방법은 제1 분리판(1)의 일면 및 타면에 가스켓(3)을 사출하는 단계(S100), 제2 분리판(2)의 일면 및 타면에 가스켓(3)을 사출하는 단계(S200) 및 연료전지 단위셀을 제공하는 단계(S300)를 포함할 수 있다.
여기서, 제1 및 제2 분리판(1, 2)의 일면은 냉각면이고, 타면은 반응면으로 형성될 수 있으며, 제1 및 제2 분리판(1, 2)의 냉각면은 마주보도록 위치될 수 있다. 그리고, 제1 및 제2 분리판(1, 2)은 캐소드 분리판 및 애노드 분리판 중 어느 하나를 포함할 수 있다. 일 실시 예에 있어서, 제1 분리판(1)이 캐소드 분리판일 경우, 제2 분리판(2)은 애노드 분리판일 수 있고, 다른 실시예에 있어서, 제1 분리판(1)이 애노드 분리판일 경우, 제2 분리판(2)은 캐소드 분리판일 수 있다.
S100단계는 제1 분리판(1) 일면(혹은 냉각면) 및 타면(혹은 반응면)에 가스켓(3)을 형성하는 단계로, 제1 가스켓 금형의 상형(10b) 및 하형(10a) 사이 제1 분리판(1)을 안착시키는 단계(S110), 제1 가스켓 금형(10a, 10b)에 액체형태의 액상 가스켓(혹은 가스켓 전구체)을 사출하는 단계(S120), 가스켓(3)이 사출된 제1 분리판(1)을 취출하는 단계(S130)를 포함할 수 있다. 즉, 제1 가스켓 금형(10a, 10b)에 제1 분리판(1)을 안착시킨 후, 제1 가스켓 금형(10a, 10)의 캐비티(cavity)에 액상 가스켓을 충전시킬 수 있다. 이때, 제1 분리판(1)은 가스켓(3)이 형성되는 위치에 홀이 형성되는 것을 특징으로 한다.
일 실시예에 있어서, 제1 가스켓 금형(10a, 10b)은 상형(10b)과 하형(10a)으로 구성될 수 있고, 상형(10b)에는 액상 가스켓이 캐비티에 사출될 수 있는 스프루(sprue, 도시되지 않음)가 제공될 수 있다. 그리고, 하형(10a)은 제1 분리판(1)을 지지하는 역할을 할 수 있다. 따라서, S100단계는 제1 가스켓 금형(10a, 10b)에 제1 분리판(1)을 안착시킨 후, 스프루를 통해 액상 가스켓을 제1 분리판(1) 일면에 사출시켜 가스켓(3)을 형성할 수 있다. 이때, 액상 가스켓은 제1 분리판(1)에 형성된 홀을 통해 제1 분리판(1) 후면까지 충전될 수 있음으로, 제1 분리판(1)은 단일 공정을 통해 일면 및 타면에 가스켓(3)이 형성될 수 있다.
그리고, 본 발명에 따른 제1 가스켓 금형의 상형(10b)은 액상 가스켓이 충전되는 캐비티의 일부에 돌출부가 형성될 수 있다. 다시 말해, 제1 가스켓 상형(10b)의 피팅라인은 일부가 돌출되게 형성될 수 있다. 여기서, 피팅라인은 액상 가스켓이 충전되는 공간인 캐비티의 형태를 결정짓는 금형의 외주면 형태를 지칭한다. 따라서, 제1 분리판(1)의 일측에 형성된 가스켓은 일부가 오목한 형태로 제공될 수 있다.
S200단계는 제2 분리판(2) 일면 및 타면에 가스켓(3)을 형성하는 단계로, 제2 가스켓 금형의 상형(20b) 및 하형(20a) 사이 사출된 가스켓(3)을 포함하는 제1 분리판(1) 및 제2 분리판(2)을 안착시키는 단계(S210), 제2 가스켓 금형(20a, 20b)에 액체형태의 액상 가스켓을 사출하는 단계(S220) 및 제1 분리판(1) 및 제2 분리판(2)을 취출하는 단계(S230)를 포함할 수 있다.
여기서, 제2 분리판(2)의 가스켓이 형성되는 위치에 홀이 형성될 수 있고, 제2 가스켓 금형의 상형(20b)를 통해 사출되는 액상 가스켓은 홀을 통해 제2 분리판(2)의 일면 및 타면에 충전될 수 있다.
따라서, 제1 분리판(1)에 형성된 가스켓(3)이 제2 분리판(2)에 형성되는 가스켓(3)의 금형 역할을 할 수 있다. 즉, 제2 분리판(2)의 타면 혹은 냉각면에 형성된 가스켓(3)은 제1 분리판(1)의 일면 혹은 냉각면에 형성된 가스켓(3)과 반대되는 패턴으로 제공될 수 있다.
본 발명은 제1 분리판(1)에 형성된 가스켓(3) 패턴에 액상 가스켓을 충전되는 방식으로 연료전지 스택의 기밀성이 증가되는 효과가 발생할 수 있다.
S300단계는 제2 가스켓 금형(20a, 20b)을 제거하고, 제1 및 제2 분리판(1, 2)을 열처리하여 연료전지 단위셀을 제공하는 단계이다. S200단계에서 결합된 제1 및 제2 분리판(1, 2)에 형성된 가스켓(3)이 열처리에 의해 경화되어 접착될 수 있다.
본 발명에 따른 연료전지 분리판 조립체 제조방법은 제2 분리판(2)에 가스켓(3)을 형성할 때, 제1 분리판(1)의 가스켓(3)을 금형으로 사용함으로써, 한 번의 경화 공정을 통해 제1 및 제2 분리판(1, 2)에 형성된 가스켓(3)을 접착할 수 있다. 즉, 제1 및 제2 분리판(1, 2) 각각에 가스켓(3)을 형성한 후 열처리 하여 가스켓(3)을 경화하는 공정 및 가스켓(3)을 접착하기 위한 접착 공정을 생략할 수 있어 공정 시간이 단축되는 효과가 발생할 수 있다.
그리고, 본 발명에 따른 연료전지 분리판 조립체 제조방법에 의해 제조되는 가스켓(3)은 제1 및 제2 분리판(1, 2) 스택에서 기밀유지를 위해 제1 및 제2 분리판(1, 2)에 적용되며, 제1 및 제2 분리판(1, 2)의 반응가스 채널, 냉각수 채널, 반응가스 매니폴드 및 냉각수 매니폴드의 주위에 형성된다.
연료전지는 그 특성상 운전 및 정지가 자주 반복되며, 운전 중에는 화학반응으로 인한 열이 발생되기 때문에 팽창 및 수축이 빈번하게 발생한다. 따라서, 가스켓(3)은 잦은 팽창과 수축이 발생할 때에도 밀폐성을 유지할 수 있도록 탄성 복원력이 우수하면서 부드러운 성질을 갖는 고무 재질, 일례로 실리콘계, 불소계 및 올레핀(olefin)계 고무 재질 중 어느 하나 이상을 포함할 수 있다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지 분리판 조립체 제조방법의 순서도이다.
도 3을 참고하면, 본 발명에 따른 연료전지 분리판 조립체 제조방법은 제1 및 제2 분리판(1, 2)을 정렬하는 단계를 포함할 수 있다.
제1 및 제2 분리판(1, 2)을 정렬하기 위해서 제1 및 제2 분리판(1, 2)은 핀홀(도시되지 않음)이 형성될 수 있으며, 핀홀에 핀을 결합하여 제1 및 제2 분리판(1, 2)을 정렬할 수 있다.
도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 연료전지 분리판 조립체 제조방법의 순서도이다.
도 4를 참고하면, 또 다른 실시예에 따른 연료전지 분리판 조립체 제조방법의 순서도이다. 제1 분리판(1)을 취출하는 과정에서, 제1 가스켓 상형(10b)만을 제거한 후, 제1 분리판(1)과 제2 분리판(2)을 정렬하고 제2 가스켓 상형(20b)를 결합할 수 있다. 즉, 제1 가스켓 상형(10b)과 제2 가스켓 상형(20b)을 치환할 수 있다.
제1 가스켓 상형(10b)과 제2 가스켓 상형(20b)을 치환하기 전, 제1 분리판(1)과 제2 분리판(2)을 정렬할 수 있는데, 이때, 제1 가스켓 하형(10a), 제1 및 제2 분리판(1, 2) 중 어느 하나 이상에 형성된 핀홀에 핀을 결합하여 제1 가스켓 하형(10a), 제1 분리판(1) 및 제2 분리판(2)을 정렬할 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
1: 제1 분리판
2: 제2 분리판
3: 가스켓
10a, 10b: 제1 가스켓 금형
20a, 20b: 제2 가스켓 금형

Claims (10)

  1. 제1 가스켓 금형에 제1 분리판을 안착시키고, 액상 가스켓을 사출하여 상기 제1 분리판(separator)의 일면 및 타면에 가스켓을 사출하는 단계;
    제2 가스켓 금형에 상기 제1 분리판 및 제2 분리판을 안착시킨 후, 상기 액상 가스켓을 취출하여 상기 제2 분리판의 일면 및 타면에 가스켓을 사출하는 단계; 및
    상기 제2 가스켓 금형을 제거하고, 상기 제1 및 제2 분리판을 열처리하여 연료전지 단위셀을 제공하는 단계;를 포함하고,
    상기 제1 및 제2 분리판은,
    상기 가스켓이 형성되는 위치에 홀이 형성되어 상기 액상 가스켓이 상기 홀을 통과하여 상기 제1 및 제2 분리판의 일면 및 타면에 동시에 사출되는 것을 특징으로 하는,
    연료전지 분리판 조립체 제조방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 가스켓 금형의 상형은 상기 액상 가스켓이 충전되는 캐비티의 일부에 돌출부가 형성되는 것을 특징으로 하는, 연료전지 분리판 조립체 제조방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 분리판을 열처리하는 단계에서는,
    상기 제1 및 제2 분리판 각각에 형성된 가스켓이 경화되어 접착되는 것을 특징으로 하는, 연료전지 분리판 조립체 제조방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 가스켓은,
    실리콘계, 불소계 및 올레핀(olefin)계의 고무 재질 중 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는, 연료전지 분리판 조립체 제조방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제2 분리판의 타면에 형성된 가스켓은 상기 제1 분리판의 일면에 형성된 가스켓과 반대되는 패턴으로 제공되어 서로 맞물리는 것을 특징으로 하는, 연료전지 분리판 조립체 제조방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 분리판의 일면은 냉각면이고, 타면은 반응면으로 형성되며, 상기 제1 및 제2 분리판의 냉각면은 마주보도록 위치되는 것을 특징으로 하는, 연료전지 분리판 조립체 제조방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 연료전지 분리판 조립체 제조방법은,
    사출된 가스켓을 포함하는 상기 제1 분리판과 상기 제2 분리판을 정렬하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 연료전지 분리판 조립체 제조방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 분리판에는 핀홀을 포함하고, 상기 핀홀에 핀이 결합되어 정렬되는 것을 특징으로 하는, 연료전지 분리판 조립체 제조방법.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 제2 분리판의 일면 및 타면에 가스켓을 사출하는 단계는,
    상기 제1 가스켓 금형 상형과 상기 제2 가스켓 금형 상형을 치환하는 것을 특징으로 하는, 연료전지 분리판 조립체 제조방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 제1 분리판, 제2 분리판 및 제1 가스켓 하형에는 핀홀을 포함하고, 상기 핀홀에 핀이 결합되어 정렬되는 것을 특징으로 하는, 연료전지 분리판 조립체 제조방법.
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