KR20200132294A - 연료전지용 탄성체 셀 프레임 및 그 제조방법과 이를 이용한 연료전지 스택 - Google Patents

연료전지용 탄성체 셀 프레임 및 그 제조방법과 이를 이용한 연료전지 스택 Download PDF

Info

Publication number
KR20200132294A
KR20200132294A KR1020190057585A KR20190057585A KR20200132294A KR 20200132294 A KR20200132294 A KR 20200132294A KR 1020190057585 A KR1020190057585 A KR 1020190057585A KR 20190057585 A KR20190057585 A KR 20190057585A KR 20200132294 A KR20200132294 A KR 20200132294A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
elastic body
insert
frame
body frame
plate assembly
Prior art date
Application number
KR1020190057585A
Other languages
English (en)
Inventor
유진혁
정병헌
Original Assignee
현대자동차주식회사
기아자동차주식회사
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 현대자동차주식회사, 기아자동차주식회사 filed Critical 현대자동차주식회사
Priority to KR1020190057585A priority Critical patent/KR20200132294A/ko
Priority to US16/688,086 priority patent/US11251441B2/en
Priority to CN201911212277.XA priority patent/CN111952625A/zh
Priority to DE102019218681.5A priority patent/DE102019218681A1/de
Publication of KR20200132294A publication Critical patent/KR20200132294A/ko

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0271—Sealing or supporting means around electrodes, matrices or membranes
    • H01M8/0273—Sealing or supporting means around electrodes, matrices or membranes with sealing or supporting means in the form of a frame
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H01M8/0247—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors characterised by the form
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H01M8/0267—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors having heating or cooling means, e.g. heaters or coolant flow channels
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0271—Sealing or supporting means around electrodes, matrices or membranes
    • H01M8/0276—Sealing means characterised by their form
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0271—Sealing or supporting means around electrodes, matrices or membranes
    • H01M8/028—Sealing means characterised by their material
    • H01M8/0284—Organic resins; Organic polymers
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0271—Sealing or supporting means around electrodes, matrices or membranes
    • H01M8/0286—Processes for forming seals
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0297—Arrangements for joining electrodes, reservoir layers, heat exchange units or bipolar separators to each other
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04089—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/1004—Fuel cells with solid electrolytes characterised by membrane-electrode assemblies [MEA]
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/24—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells
    • H01M8/241—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells with solid or matrix-supported electrolytes
    • H01M8/242—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells with solid or matrix-supported electrolytes comprising framed electrodes or intermediary frame-like gaskets
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/24—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells
    • H01M8/2465—Details of groupings of fuel cells
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/24—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells
    • H01M8/2465—Details of groupings of fuel cells
    • H01M8/2483—Details of groupings of fuel cells characterised by internal manifolds
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H01M8/0258—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors characterised by the configuration of channels, e.g. by the flow field of the reactant or coolant
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Abstract

본 발명은 열가소성 탄성체(TPE)로 제작되는 시트형 탄성체 프레임을 사용하여 별도의 접착부재 없이 막전극접합체, 기체확산층 및 분리판과 일체로 접합되는 연료전지용 탄성체 셀 프레임 및 그 제조방법과 이를 이용한 연료전지 스택에 관한 것이다.
본 발명의 일 실시형태에 따른 연료전지용 탄성체 셀 프레임은 연료전지의 단위 셀을 구성하는 셀 프레임으로서, 막전극접합체와, 그 양면에 배치되는 한 쌍의 기체확산층이 접합된 인서트와; 한 쌍의 분리판이 서로 맞대어져서 이루어지면서 상기 인서트의 일면에 배치되는 분리판 조립체와; 상기 인서트 및 분리판 조립체의 외곽영역에서 상기 인서트의 테두리 양면 중 어느 한 면과 측면 및 분리판 조립체의 테두리 양면 중 어느 한 면과 측면을 둘러싸도록 배치되고, 열융착되면서 적어도 상기 인서트의 테두리 및 분리판 조립체의 테두리 양면 중 어느 한 면과 일체로 접합되는 시트 형태의 탄성체 프레임을 포함한다.

Description

연료전지용 탄성체 셀 프레임 및 그 제조방법과 이를 이용한 연료전지 스택{Elastomer cell frame for fuel cell and Manufacturing method thereof and Fuel cell stack comprising thereof}
본 발명은 연료전지용 탄성체 셀 프레임 및 그 제조방법과 이를 이용한 연료전지 스택에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 열가소성 탄성체(TPE)로 제작되는 시트형 탄성체 프레임을 사용하여 별도의 접착부재 없이 막전극접합체, 기체확산층 및 분리판과 일체로 접합되는 연료전지용 탄성체 셀 프레임 및 그 제조방법과 이를 이용한 연료전지 스택에 관한 것이다.
연료전지는 연료가 가지고 있는 화학 에너지를 스택 내에서 전기 화학적으로 반응시켜 전기 에너지로 변환하는 일종의 발전장치로서, 산업용, 가정용 및 차량의 구동 전력을 공급할 뿐만 아니라 휴대용 장치와 같은 소형 전자 제품의 전력공급에 사용될 수 있으며, 최근 고효율의 청정 에너지원으로 점차 그 사용영역이 확대되고 있다.
일반적인 연료전지의 단위 셀은 가장 안쪽에 막전극접합체(MEA: Membrane-Electrode Assembly)가 위치하는데, 이 막전극접합체는 수소 양이온(Proton)을 이동시켜 줄 수 있는 고분자 전해질막과, 이 고분자 전해질막 양면에 수소와 산소가 반응할 수 있도록 도포된 촉매층, 즉 공기극(cathode) 및 연료극(anode)으로 구성되어 있다.
또한, 상기 막전극접합체의 일면과 타면, 즉 공기극 및 연료극이 위치한 바깥 부분에는 반응가스를 공급하고 반응에 의해 발생된 생성수를 배출하는 한 쌍의 분리판이 배치된다. 이때 막전극접합체와 분리판 사이에는 반응가스 및 생성수의 유동을 확산시키거나 원활하게 하는 기체확산층(GDL: Gas Diffusion Layer)이 개재될 수 있다.
한편, 종래에는 단위 셀의 기밀 유지 및 적층 공정에서의 편의를 위하여 막전극접합체와 가스켓을 일체화시킨 막-전극-가스켓 접합체(Membrane-Electrode-Gasket Assembly, MEGA)를 제작하여 사용하기도 하였다.
또한, 최근에는 막전극접합체에 기체확산층을 접합한 인서트와 가스켓을 일체화시킨 일체형 프레임이 제안되기도 하였다.
하지만, 종래의 일체형 프레임은 플라스틱 재질의 프레임과 인서트를 접착제를 사용하여 접합시켰다. 또한, 종래의 일체형 프레임을 사용하여 단위 셀을 제작하는 경우에 분리판과 일체형 프레임의 접착을 위하여 별도의 접착 부재 및 실링 부재가 필요하였다. 이러한 공정은 재료비용 및 생산비용을 상승시키는 원인이 되었다.
또한, 종래에는 단위 셀의 적층 시 서로 인접되는 단위 셀에서 서로 대면하는 분리판의 정렬을 위하여 서로 대면하는 한 쌍의 분리판을 미리 접합한 다음 적층 공정에 사용하였다.
이때 적층되는 한 쌍의 분리판에는 반응기체 및 냉각수가 들어오고 나가는 매니폴드부가 형성된다. 이때 금속 재질인 분리판의 매니폴드부는 반응기체 및 생성수와 직접 접촉하는 구조이기 때문에 장기간 연료전지 구동을 했을 경우, 금속 재질의 매니폴드부가 부식이 되는 문제점이 있었다.
또한, 최근에는 연료전지의 부피 감소를 위하여 박판의 금속분리판을 사용하는바, 박판으로 구성된 분리판의 매니폴드부가 외부의 충격에 의해 휨 변형을 발생하기 쉬워 다루기가 매우 어려운 문제점이 있었다.
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.
일본공개특허공보 제2017-212126호 (2017.11.30) 한국공개특허공보 제10-2018-0011716호 (2018.02.02)
본 발명은 열가소성 탄성체(TPE)로 제작되는 시트형 탄성체 프레임을 사용하여 별도의 접착부재 없이 막전극접합체, 기체확산층 및 분리판과 일체로 접합되는 연료전지용 탄성체 셀 프레임 및 그 제조방법과 이를 이용한 연료전지 스택을 제공한다.
또한, 본 발명은 탄성체 프레임에 상기 복수의 유입매니폴드 관통홀과 복수의 배출매니폴드 관통홀을 구비하고, 분리판에는 매니폴드 영역을 형성하지 않아 매니폴드 영역에서 발생하는 부식 및 휨 변형 문제를 해결할 수 있는 연료전지용 탄성체 셀 프레임 및 그 제조방법과 이를 이용한 연료전지 스택을 제공한다.
본 발명의 일 실시형태에 따른 연료전지용 탄성체 셀 프레임은 연료전지의 단위 셀을 구성하는 셀 프레임으로서, 막전극접합체와, 그 양면에 배치되는 한 쌍의 기체확산층이 접합된 인서트와; 한 쌍의 분리판이 서로 맞대어져서 이루어지면서 상기 인서트의 일면에 배치되는 분리판 조립체와; 상기 인서트 및 분리판 조립체의 외곽영역에서 상기 인서트의 테두리 양면 중 어느 한 면과 측면 및 분리판 조립체의 테두리 양면 중 어느 한 면과 측면을 둘러싸도록 배치되고, 열융착되면서 적어도 상기 인서트의 테두리 및 분리판 조립체의 테두리 양면 중 어느 한 면과 일체로 접합되는 시트 형태의 탄성체 프레임을 포함한다.
상기 탄성체 프레임에는 상기 인서트가 배치되는 반응면 관통홀이 형성되고, 상기 반응면 관통홀의 내주면에는 상기 인서트의 양면 중 어느 한 면 및 측면을 감싸는 제 1 단턱부가 형성되고, 상기 제 1 단턱부의 외곽에는 상기 분리판 조립체의 양면 중 어느 한 면 및 측면을 감싸는 제 2 단턱부가 형성되는 것을 특징으로 한다.
상기 인서트를 구성하는 한 쌍의 기체확산층 중 어느 하나는 상기 제 1 단턱부의 내주면 크기에 대응되고, 한 쌍의 기체확산층 중 나머지 하나와 막전극접합체는 상기 제 2 단턱부의 내주면 크기에 대응되는 것을 특징으로 한다.
상기 인서트와 탄성체 프레임 사이에는, 상기 탄성체 프레임의 제 1 단턱부와 상기 인서트의 막전극접합체와 대면되어 열융착되는 제 1 융착부가 형성되고, 상기 분리판 조립체와 탄성체 프레임 사이에는, 상기 탄성체 프레임의 제 2 단턱부와 상기 분리판 조립체의 양면 중 어느 한 면이 대면되어 열융착되는 제 2 융착부가 형성되는 것을 특징으로 한다.
상기 인서트와 탄성체 프레임 사이에는, 상기 탄성체 프레임의 제 1 단턱부와 상기 인서트의 막전극접합체 및 한 쌍의 기체확산층의 측면이 대면되어 열융착되는 제 3 융착부가 형성되고, 상기 분리판 조립체와 탄성체 프레임 사이에는, 상기 탄성체 프레임의 제 2 단턱부와 상기 분리판 조립체의 측면이 대면되어 열융착되는 제 4 융착부가 형성되는 것을 특징으로 한다.
상기 탄성체 프레임의 일측에는 반응가스 및 냉각수가 유입되는 복수의 유입매니폴드 관통홀이 형성되고, 타측에는 반응가스 및 냉각수가 배출되는 복수의 배출매니폴드 관통홀이 형성되며, 상기 제 1 단턱부 및 제 2 단턱부는 상기 복수의 유입매니폴드 관통홀과 복수의 배출매니폴드 관통홀 사이에 형성되는 것을 특징으로 한다.
상기 탄성체 프레임의 양면 중 일면에는 분리판 조립체가 배치되는 영역의 외곽을 따라 상기 분리판 조립체를 둘러싸는 적어도 하나 이상의 씰링돌기가 형성되는 것을 특징으로 한다.
상기 탄성체 프레임의 양면 중 타면에는 분리판 조립체가 배치되는 영역의 외곽을 따라 상기 분리판 조립체를 둘러싸되, 상기 씰링돌기가 형성된 위치와 대응되는 위치에 상기 씰링돌기와 대응되는 형상으로 적어도 하나 이상의 씰링홈이 형성되는 것을 특징으로 한다.
상기 분리판 조립체는 서로 맞대어지는 제 1 분리판과 제 2 분리판으로 이루어지고, 상기 제 1 분리판에는 테두리를 따라 소정 영역에서 서로 이격되어 다수개의 제 1 조립관통홀이 형성되며, 상기 제 2 분리판에는 상기 제 1 조립관통홀에 연통되는 다수개의 제 2 조립관통홀이 형성되고, 상기 탄성체 프레임의 제 2 단턱부에는 상기 제 1 조립관통홀과 제 2 조립관통홀을 관통하는 조립돌기가 형성되는 것을 특징으로 한다.
상기 조립돌기의 단부는 열융착되면서 직경이 조립돌기의 다른 영역보다 커져서 상기 분리판 조립체의 표면에 접합되는 것을 특징으로 한다.
상기 분리판 조립체는 서로 맞대어지는 제 1 분리판과 제 2 분리판으로 이루어지고, 상기 제 1 분리판에는 측면에서 측방향으로 연장되는 제 1 요철돌기부가 형성되며, 상기 제 2 분리판에는 측면에서 측방향으로 연장되되, 상기 제 1 요철돌기부에 대응되는 형상으로 제 2 요철돌기부가 형성되고, 상기 제 2 단턱부의 외주면에는 탄성체 프레임의 표면과 수평방향으로 형성되되, 상기 제 1 요철돌기부 및 제 2 요철돌기부와 결합되는 요철홈부가 형성되는 것을 특징으로 한다.
상기 탄성체 프레임의 양면 중 일면에는 분리판 조립체의 테두리를 덮도록 연장되는 커버부가 형성되고, 상기 탄성체 프레임의 양면 중 타면에는 상기 커버부가 형성된 위치와 대응되는 위치에 상기 커버부와 대응되는 형상으로 커버홈이 형성되는 것을 특징으로 한다.
상기 탄성체 프레임은 열가소성 탄성체(TPE)로 형성되는 것을 특징으로 한다.
한편, 본 발명의 일 실시형태에 따른 연료전지용 탄성체 셀 프레임의 제조방법은 연료전지 스택의 단위 셀을 구성하는 셀 프레임을 제조하는 방법으로서, 막전극접합체의 양면에 각각 기체확산층을 접합하여 인서트를 준비하는 인서트 준비단계와; 한 쌍의 분리판을 서로 맞대고 접합하여 분리판 조립체를 준비하는 분리판 조립체 준비단계와; 탄성체 프레임을 시트형태로 준비하는 탄성체 프레임 준비단계와; 상기 탄성체 프레임의 상부에 상기 인서트 및 분리판 조립체의 테두리가 중첩되도록 배치하는 배치단계와; 상기 탄성체 프레임, 인서트 및 분리판 조립체의 중첩부위에 열을 가하면서 압착하여 상호 간을 열융착시켜서 일체로 형성하는 접합단계를 포함한다.
상기 탄성체 프레임 준비단계에서 상기 탄성체 프레임은 열가소성 탄성체(TPE)를 시트 형태로 성형하여 준비하는 것을 특징으로 한다.
상기 탄성체 프레임 준비단계에서 상기 탄성체 프레임에는 상기 인서트가 배치되는 반응면 관통홀을 형성하고, 상기 반응면 관통홀의 내주면에는 상기 인서트의 양면 중 어느 한 면 및 측면을 감싸는 제 1 단턱부를 형성하며, 상기 제 1 단턱부의 외곽에는 상기 분리판 조립체의 양면 중 어느 한 면 및 측면을 감싸는 제 2 단턱부가 형성하고, 상기 배치단계에서는 상기 인서트의 테두리가 상기 제 1 단턱부에 안착되도록 배치하고, 상기 분리판 조립체가 상기 제 2 단턱부에 안착되도록 배치하는 것을 특징으로 한다.
상기 접합단계에서 상기 탄성체 프레임에 가해지는 열은 상기 탄성체 프레임의 용융온도보다 높은 온도인 것을 특징으로 한다.
상기 접합단계에서는 별도의 접착부재 없이 상기 탄성체 프레임이 열융착되면서 상기 인서트 및 분리판 조립체에 접합되는 것을 특징으로 한다.
한편, 본 발명의 일 실시형태에 따른 연료전지 스택은 막전극접합체와, 그 양면에 배치되는 한 쌍의 기체확산층이 접합된 인서트와; 한 쌍의 분리판이 서로 맞대어져서 이루어지면서 상기 인서트의 일면에 배치되는 분리판 조립체와; 상기 인서트 및 분리판 조립체의 외곽영역에서 상기 인서트의 테두리 및 분리판 조립체의 테두리 양면 중 어느 한 면과 측면을 둘러싸도록 배치되고, 열융착되면서 적어도 상기 인서트의 테두리 및 분리판 조립체의 테두리 양면 중 어느 한 면과 일체로 접합되는 시트 형태의 탄성체 프레임을 포함하는 다수개의 탄성체 셀 프레임이 적층되어 이루어지되, 서로 인접하는 탄성체 셀 프레임의 탄성체 프레임이 서로 열융착되어 접합되면서 적층되는 것을 특징으로 한다.
서로 인접하는 탄성체 셀 프레임의 탄성체 프레임은 서로 대면되는 영역에 서로 열융착되어 접합되는 제 5 융착부가 형성되는 것을 특징으로 한다.
서로 인접하는 탄성체 셀 프레임의 탄성체 프레임은 각각의 측면이 일체로 열융착되어 접합되는 제 6 융착부가 형성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시예에 따르면 다음과 같은 효과가 있다.
첫째, 분리판 및 인서트와의 계면 접합을 위해 별도의 접착 부재가 불필요하고, 이에 따라 재료비 절감 및 접착제 도포 공정 등을 삭제하여 제조 비용을 절감할 수 있다.
둘째, 별도의 실링 부재 없이 반응영역의 기밀을 확보할 수 있고, 실링 부재가 불필요하게 됨에 따라 재료비 절감 및 씰링 부재 성형 공정 등을 삭제하여 제조 비용을 절감할 수 있다.
셋째, 분리판에 매니폴드 영역을 형성하지 않기 때문에 분리판을 형성하는 금속 소재의 사용량을 절감하여 제조 비용을 절감할 수 있다.
넷째, 분리판에 매니폴드 영역을 형성하지 않기 때문에 매니폴드 영역에서 생성수에 의해 발생되는 부식을 원천적으로 억제할 수 있고, 이에 따라 연료전지 스택의 내구성을 향상시킬 수 있다.
다섯째, 분리판에 매니폴드 영역을 형성하지 않기 때문에 매니폴드 영역에서 외부 충격으로 인한 휨 변형을 억제할 수 있고, 이에 따라 분리판의 핸들링성을 향상시킬 수 있다.
여섯째, 인서트, 분리판 및 탄성체 프레임을 일체화시킨 탄성체 셀 프레임을 적층하여 스택을 구성함에 따라 셀간 적층이 용이하고 스택 구조 안정성을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 연료전지용 탄성체 셀 프레임을 보여주는 분해사시도이고,
도 2a 및 도 2b는 도 1의 A-A선 단면을 보여주는 도면이며,
도 3는 도 1의 B-B선 단면을 보여주는 도면이고,
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 연료전지용 탄성체 셀 프레임을 보여주는 도면이며,
도 5는 본 발명의 제 3 실시예에 따른 연료전지용 탄성체 셀 프레임을 보여주는 도면이고,
도 6a 및 도 6b는 본 발명의 제 4 실시예에 따른 연료전지용 탄성체 셀 프레임을 보여주는 도면이며,
도 7a 및 도 7b는 본 발명의 제 5 실시예에 따른 연료전지용 탄성체 셀 프레임을 보여주는 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 더욱 상세히 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다.
도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 연료전지용 탄성체 셀 프레임을 보여주는 분해사시도이고, 도 2a 및 도 2b는 도 1의 A-A선 단면을 보여주는 도면이며, 도 3는 도 1의 B-B선 단면을 보여주는 도면이다.
도면에 도시된 바와 같이 본 발명의 제 1 실시예에 따른 연료전지용 탄성체 셀 프레임은 다수개가 적층되어 연료전지 스택을 구성하는 요소로서, 막전극접합체(110)와 그 양면에 배치되는 한 쌍의 기체확산층(120)이 접합된 인서트(100)와; 한 쌍의 분리판(310, 320)이 서로 맞대어져서 이루어지면서 상기 인서트(100)의 일면에 배치되는 분리판 조립체(300)와; 열융착에 의해 상기 인서트(100) 및 분리판 조립체(300)의 외곽영역에 일체로 형성되는 탄성체 프레임(200)을 포함한다.
인서트(100)는 막전극접합체(110)와 한 쌍의 기체확산층(120)을 적층시킨 접합체로서, 바람직하게는 막전극접합체(110)의 일면 및 타면에 기체확산층(120)이 각각 배치되어 적층된다.
막전극접합체(110)는 수소 양이온(Proton)을 이동시켜 줄 수 있는 고분자 전해질막과, 이 고분자 전해질막 양면에 수소와 산소가 반응할 수 있도록 도포된 촉매층, 즉 공기극(cathode) 및 연료극(anode)으로 구성되는 일반적인 막전극접합체로 구현된다.
기체확산층(120)은 분리판(미도시)을 통하여 유동되는 반응가스를 막전극접합체(110)로 확산시키면서 통과시키는 수단으로서, 기재 단독으로 이루어지거나 기재와, 기재의 일면으로 형성되는 미세기공층(MPL)으로 이루어진다. 이때 기재 및 미세기공층의 소재는 일반적인 기체확산층에 적용되는 소재로 구현된다.
분리판 조립체(300)는 서로 맞대어지는 제 1 분리판(310)과 제 2 분리판(320)으로 이루어진다. 이때 제 1 분리판(310)과 제 2 분리판(320)에는 반응가스 및 생성수가 유동되는 유로가 다양한 형태로 형성된다. 예를 들어 막전극접합체(110)가 배치되는 영역에 대응되는 영역을 절곡시켜 랜드와 채널을 형성함에 따라 유로를 형성할 수 있다. 또한, 유로의 양단에는 반응가스 및 생성수가 유로로 유입되면서 확산되고, 유로에서 배출되면서 모이게 되는 확산부를 형성할 수 있다.
한편, 분리판 조립체(300)을 구성하는 제 1 분리판(310)과 제 2 분리판(320)은 단위 셀을 구성하는 한 쌍의 분리판이 아니라 서로 인접되는 단위 셀에서 서로 인접되는 한 쌍의 분리판을 의미한다. 예를 들어 어느 하나의 단위 셀을 구성하는 막전극접합체(110)의 공기극(cathode) 측에 배치되는 캐소드 분리판이 제 1 분리판(310)으로 정의될 수 있고, 해당 단위 셀과 인접되는 다른 단위 셀을 구성하는 막전극접합체(110)의 연료극(anode) 측에 배치되는 애노드 분리판이 제 2 분리판(320)으로 정의될 수 있다.
이때 서로 인접하는 단위 셀에서 서로 대면되는 제 1 분리판(310)과 제 2 분리판(320)은 서로 맞대어진 상태에서 소정 지점을 용접하여 분리판 조립체(300)를 형성한다.
탄성체 프레임(200)은 인서트(100)의 기밀 유지 및 적층 공정에서의 편의를 위하여 인서트(100)의 외곽영역에 일체로 형성되는 수단으로서, 탄성체 프레임(200)은 소정의 형상을 유지하면서 별도의 접착부재 없이 열융착에 의해 접합하기 위하여 열가소성 탄성체(TPE; Thermo Plastic Elastomer)로 형성된다.
부연하자면, 탄성체 프레임(200)은 인서트(100) 및 분리판 조립체(300)의 외곽영역에서 인서트(100)의 테두리 양면 중 어느 한 면과 측면 및 분리판 조립체(300)의 테두리 양면 중 어느 한 면과 측면을 둘러싸도록 배치되고, 적어도 인서트(100)의 테두리 및 분리판 조립체(300)의 테두리 양면 중 어느 한 면 및 측면과 일체로 형성된다.
여기서 인서트(100) 및 분리판 조립체(300)의 '외곽영역'이란 인서트(100) 및 분리판 조립체(300)의 가장자리 영역과 그 주변의 공간을 포함하는 영역을 의미하고, 인서트(100) 및 분리판 조립체(300)의 '테두리'란 인서트(100) 및 분리판 조립체(300)의 가장자리 영역을 의미한다. 또한, 설명의 편의를 위하여 탄성체 프레임(200)은 인서트(100)의 외곽영역에서 인서트(100)의 테두리 양면 중 어느 한 면과 그 측면 및 분리판 조립체(300)의 테두리 양면 중 어느 한 면과 그 측면을 둘러싸도록 배치되는 바, 이하에서는 인서트(100) 및 분리판 조립체(300)의 테두리 양면 중 어느 한 면을 '하면'으로 지칭하여 설명한다. 물론 인서트(100) 및 분리판 조립체(300)의 테두리 양면 중 어느 한 면은 설명되는 '하면'에 한정되지 않고 그 반대편 면, 즉 '상면'이 될 수 있을 것이다. 또한, 분리판 조립체(300)의 테두리 양면 중 어느 한 면은 분리판 조립체(300)을 구성하는 한 쌍의 분리판 중 어느 하나의 일면을 지칭한다. 그래서, 도 2에 도시된 바와 같이 제 1 분리판(310)과 제 2 분리판(320)으로 구성되는 분리판 조립체(300)의 경우 분리판 조립체(300)의 테두리 양면 중 어느 한 면은 제 1 분리판의 '하면'으로 지칭하여 설명한다.
예를 들어, 도 2a 및 도 2b에 도시된 바와 같이 탄성체 프레임(200)은 인서트(100)의 테두리 하면 및 측면과 분리판 조립체(300)의 테두리 하면 및 측면에서 대면되면서, 인서트(100) 및 분리판 조립체(300)의 외곽영역을 둘러싸도록 배치된다.
특히, 탄성체 프레임(200)에는 인서트(100) 및 분리판 조립체(300)과의 기밀한 접착을 위하여 인서트(100) 및 분리판 조립체(300)과의 계면을 확장시킬 수 있다.
예를 들어, 탄성체 프레임(200)에는 인서트(100)가 배치되는 반응면 관통홀(201)이 형성되고, 반응면 관통홀(201)의 내주면에는 인서트(100)의 하면 및 측면을 감싸는 제 1 단턱부(230)가 형성된다.
그리고, 탄성체 프레임(200)에 형성된 제 1 단턱부(230)의 내주면에는 분리판 조립체(300)의 하면 및 측면을 감싸는 제 2 단턱부(240)가 형성된다.
이에 따라, 인서트(100) 및 분리판 조립체(300)와 탄성체 프레임(200) 사이에는 각각 계면에 열융착에 의한 융착부가 형성되어 상호 간에 견고한 접합 및 일체화가 이루어진다.
부연하자면, 도 2a 및 도 2b에 도시된 바와 같이 인서트(100)와 탄성체 프레임(200) 사이에는 탄성체 프레임(200)의 제 1 단턱부(230)와 인서트(100)의 하면과 대면되어 열융착되는 제 1 융착부(H1)가 형성되고, 분리판 조립체(300)와 탄성체 프레임(200) 사이에는 탄성체 프레임(200)의 제 2 단턱부(240)와 분리판 조립체(300)의 하면이 대면되어 열융착되는 제 2 융착부(H2)가 형성된다.
그리고, 인서트(100)와 탄성체 프레임(200) 사이에는 탄성체 프레임(200)의 제 1 단턱부(230)와 인서트(100)의 측면이 대면되어 열융착되는 제 3 융착부(H3)가 형성되고, 분리판 조립체(300)와 탄성체 프레임(200) 사이에는 탄성체 프레임(200)의 제 2 단턱부(240)와 분리판 조립체(300)의 측면이 대면되어 열융착되는 제 4 융착부(H4)가 형성된다.
다만, 인서트(100)를 형성하는 막전극접합체(110)와 기체확산층(120)은 서로 다른 소재로 형성되는바, 탄성체 프레임(200)과의 접합성에 차이가 있다. 본 실시예에서는 탄성체 프레임(200)을 형성하는 열가소성 탄성체(TPE)가 기체확산층(120)보다는 막전극접합체(110)와의 접합성이 더 좋은바, 인서트(100)를 구성하는 한 쌍의 기체확산층(120) 중 어느 하나는 제 1 단턱부(230)의 내주면 크기에 대응되고, 한 쌍의 기체확산층(120) 중 나머지 하나와 막전극접합체(110)는 상기 제 2 단턱부(240)의 내주면 크기에 대응되는 크기로 형성한다. 그래서, 인서트(100)를 제 1 단턱부(230)에 접합하는 경우에, 탄성체 프레임(200)의 제 1 단턱부(230)와 인서트(100)의 막전극접합체(110)의 하면과 대면되어 열융착되는 제 1 융착부(H1)가 형성되고, 탄성체 프레임(200)의 제 1 단턱부(230)와 인서트(100)의 막전극접합체(110) 및 한 쌍의 기체확산층(120)의 측면이 대면되어 열융착되는 제 3 융착부(H3)가 형성되는 것이 바람직하다.
한편, 탄성체 프레임(200)에는 인서트(100)에 의해 형성되는 반응면으로 반응가스 및 냉각수를 유입시키고 배출시키는 매니폴드를 형성하기 위한 유입매니폴드 관통홀(210)과 배출매니폴드 관통홀(220)이 형성된다.
예를 들어 탄성체 프레임(200)의 일측에는 반응가스 및 냉각수가 유입되는 복수의 유입매니폴드 관통홀(210)이 형성되고, 타측에는 반응가스 및 냉각수가 배출되는 복수의 배출매니폴드 관통홀(220)이 형성된다.
그래서, 제 1 단턱부(230) 및 제 2 단턱부(240)는 복수의 유입매니폴드 관통홀(210)과 복수의 배출매니폴드 관통홀(220) 사이에 형성된다.
그리고, 도 1 및 도 3에 도시된 바와 같이 탄성체 프레임(200)의 상면에는 각각의 유입매니폴드 관통홀(210)과 반응면 관통홀(201)을 연통시키는 유입 연결유로(211)가 형성되고, 각각의 배출매니폴드 관통홀(220)과 반응면 관통홀(201)을 연통시키는 배출 연결유로(221)가 형성된다. 이때 유입 연결유로(211) 및 배출 연결유로(221)의 깊이는 제 2 단턱부(240)가 형성된 영역과 연통될 수 있는 수준으로 형성되는 것이 바람직하다. 예를 들어 본 실시예에서는 유입 연결유로(211) 및 배출 연결유로(221)의 깊이를 제 2 단턱부(240)의 상면 높이와 대응되는 깊이로 형성하였다.
한편, 상기와 같이 구성되는 연료전지용 탄성체 셀 프레임을 제조하는 방법에 대하여 설명한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지용 탄성체 셀 프레임의 제조방법은 막전극접합체(110)의 양면에 각각 기체확산층(120)을 접합하여 인서트(100)를 준비하는 인서트 준비단계와; 한 쌍의 분리판(310, 320)을 서로 맞대고 접합하여 분리판 조립체(300)를 준비하는 분리판 조립체 준비단계와; 탄성체 프레임(200)을 시트형태로 준비하는 탄성체 프레임 준비단계와; 상기 탄성체 프레임(200)의 상부에 상기 인서트(100) 및 분리판 조립체(300)의 테두리가 중첩되도록 배치하는 배치단계와; 상기 탄성체 프레임(200), 인서트(100) 및 분리판 조립체(300)의 중첩부위에 열을 가하면서 압착하여 상호 간을 열융착시켜서 일체로 형성하는 접합단계를 포함한다.
인서트 준비단계는 막전극접합체(110)와 기체확산층(120)을 접합하여 인서트(100)를 준비하는 단계이다.
이때 막전극접합체(110)는 고분자 전해질막과, 이 고분자 전해질막 양면에 공기극(cathode) 및 연료극(anode)이 형성되는 일반적인 막전극접합체를 준비한다.
또한, 기체확산층(120)도 기재 단독으로 이루어지거나 기재와, 기재의 일면으로 형성되는 미세기공층(MPL)으로 이루어지는 일반적인 기체확산층을 준비한다.
그리고, 막전극접합체(110)의 양면에 기체확산층(120)을 적층하여 인서트(100)를 준비한다.
다만, 전술된 바와 같이 인서트(100)와 탄성체 프레임(200)의 접합성을 향상시키기 위하여 한 쌍의 기체확산층(120) 중 어느 하나는 그 크기를 막전극접합체(110) 및 다른 하나의 기체확산층(120) 보다 작게 형성하여 후술되는 접합단계에서 막전극접합체(110)의 하면이 노출되면서 노출된 영역이 탄성체 프레임(200)의 제 1 단턱부(230)에 열융착되도록 할 수 있다.
분리판 조립체 준비단계는 제 1 분리판(310)과 제 2 분리판(320)을 일체화시키는 단계이다.
먼저, 금속 소재로 이루어지는 제 1 분리판(310)과 제 2 분리판(320)을 각각 성형한 다음, 제 1 분리판(310)과 제 2 분리판(320)을 서로 맞댄 상태에서 소정 지점을 용접하여 분리판 조립체(300)를 준비한다. 이때 제 1 분리판(310)과 제 2 분리판(320)에는 매니폴드 영역을 형성하지 않고, 반응가스 및 냉각수가 유동되는 유로만 형성한다.
탄성체 프레임 준비단계는 인서트(100) 및 분리판 조립체(300)의 외곽영역을 둘러싸도록 배치되는 시트 형태의 탄성체 프레임(200)을 준비하는 단계이다.
한편, 탄성체 프레임(200)의 성형시에는 인서트(100)가 배치되는 반응면 관통홀(201)과; 반응가스 및 냉각수가 유입되는 복수의 유입매니폴드 관통홀(210)과;반응가스 및 냉각수가 배출되는 복수의 배출매니폴드 관통홀(220)과; 반응면 관통홀(201)의 내주면에는 인서트(100)의 하면 및 측면을 감싸는 제 1 단턱부(230)와; 제 1 단턱부(230)의 외곽영역에는 분리판 조립체(300)의 하면 및 측면을 감싸는 제 2 단턱부(240)를 형성한다.
배치단계는 인서트(100) 및 분리판 조립체(300)의 테두리가 탄성체 프레임(200)과 중첩되도록 배치한다. 예를 들어 인서트(100)의 테두리가 상기 제 1 단턱부(230)에 안착되도록 배치하고, 분리판 조립체(300)가 제 2 단턱부(240)에 안착되도록 배치되도록 한다.
바람직하게는 인서트(100)의 테두리 하면이 탄성체 프레임(200)의 제 1 단턱부(230)에 안착되면서 인서트(100)의 테두리 측면이 탄성체 프레임(200)의 반응면 관통홀(201)의 내주면 및 제 1 단턱부(230)의 외주면에 대면되도록 한다. 그리고 분리판 조립체(300)의 테두리 하면이 탄성체 프레임(200)의 제 2 단턱부(240)에 안착되면서 분리판 조립체(300)의 테두리 측면이 탄성체 프레임(200)의 제 2 단턱부(의 외주면에 대면되도록 한다.
접합단계는 탄성체 프레임(200)과 인서트(100) 및 분리판 조립체(300)를 탄성체 프레임(200)의 열융착에 의해 상호 간에 접합시키는 단계이다.
이를 위하여 핫프레스 금형 내에 탄성체 프레임(200)과 인서트(100)를 안착시킨다.
그리고, 핫프레스 금형을 작동시켜 인서트(100) 및 분리판 조립체(300)의 외곽영역에 해당되는 영역 중 일부 또는 전부에 열을 가하면서 압착시킴으로서 탄성체 프레임(200)이 소정부분이 용융되면서 인서트(100) 및 분리판 조립체(300)와 접합된다. 그래서, 탄성체 프레임(200)과 인서트(100) 및 분리판 조립체(300)는 별도의 접착부재 없이도 그 계면에서 탄성체 프레임(200)이 열융착되면서 접합된다.
이때 탄성체 프레임(200)과 인서트(100) 및 분리판 조립체(300)의 견고한 접합을 위하여 탄성체 프레임(200)에 가해지는 열은 탄성체 프레임(200)의 용융온도보다 높은 온도인 것이 바람직하다.
한편, 탄성체 프레임(200)과 분리판 조립체(300) 사이의 접합성 및 적층되는 탄성체 프레임(200) 사이의 접합성을 향상시키기 위하여 탄성체 프레임(200)과 분리판 조립체(300)의 형상을 변경시킬 수 있다.
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 연료전지용 탄성체 셀 프레임을 보여주는 도면이다.
도 4a 및 도 4b에 도시된 바와 같이 제 2 실시예에 따른 연료전지용 탄성체 셀 프레임은 탄성체 프레임(200)의 양면 중 일면에는 분리판 조립체(300)가 배치되는 영역의 외곽을 따라 분리판 조립체(300)를 둘러싸는 적어도 하나 이상의 씰링돌기(261)가 형성된다.
그리고, 탄성체 프레임(200)의 양면 중 타면에는 분리판 조립체(300)가 배치되는 영역의 외곽을 따라 분리판 조립체(300)를 둘러싸는 적어도 하나 이상의 씰링홈(262)이 형성된다. 이때 씰링홈(262)은 씰링돌기(261)가 형성되는 위치와 대응되는 위치에 형성하고, 그 형상도 서로 대응되는 형상으로 형성하는 것이 바람직하다. 그래서 다수의 탄성체 프레임(200)을 적층하는 경우 서로 인접되는 탄성체 프레임(200)의 씰링돌기(261)와 씰링홈(262)이 서로 맞대어져서 열융착 이전에는 정렬 효과를 기대할 수 있고, 열융착시에는 그 계면을 확장시켜 접합성을 향상시킬 수 있다.
또한, 분리판 조립체(300)를 구성하는 제 1 분리판(310)에는 테두리를 따라 소정 영역에서 서로 이격되어 다수개의 제 1 조립관통홀(311)이 형성되며, 제 2 분리판(320)에는 상기 제 1 조립관통홀(311)에 연통되는 다수개의 제 2 조립관통홀(321)이 형성될 수 있다.
그리고, 탄성체 프레임(200)의 제 2 단턱부(240)에는 제 1 조립관통홀(311)과 제 2 조립관통홀(321)을 관통하는 조립돌기(250)가 형성될 수 있다.
그래서, 도 4a와 같이 탄성체 프레임(200)에 형성되는 조립돌기(250)에 분리판 조립체(300)의 제 1 조립관통홀(311)과 제 2 조립관통홀(321)을 관통시켜 배치시킬 수 있다.
이 상태에서, 도 4b와 같이 핫프레스 금형(HM1)을 이용하여 조립돌기(250)의 단부(251)에 열을 가하면서 압력을 가하며, 조립돌기(250)의 단부(251)가 플랜지 형상으로 커지면서 분리판 조립체(300)의 표면에 접합된다.
도 4a 및 도 4b에서는 씰링돌기(261) 및 씰링홈(262)과 조립돌기(250)가 모두 형성되는 실시예를 도시하였지만, 씰링돌기(261) 및 씰링홈(262)만 형성되거나, 조립돌기(250)만 형성될 수 있다.
도 5는 본 발명의 제 3 실시예에 따른 연료전지용 탄성체 셀 프레임을 보여주는 도면이다.
도 5에 도시된 바와 같이 제 3 실시예에 따른 연료전지용 탄성체 셀 프레임은 분리판 조립체(300)를 구성하는 제 1 분리판(310)에는 측면에서 측방향으로 연장되는 제 1 요철돌기부(312)가 형성되고, 제 2 분리판(320)에는 측면에서 측방향으로 연장되되, 제 1 요철돌기부(312)에 대응되는 형상으로 제 2 요철돌기부(322)가 형성된다.
그리고, 탄성체 프레임(200)에 형성된 제 2 단턱부(240)의 외주면에는 탄성체 프레임(200)의 표면과 수평방향으로 형성되되, 제 1 요철돌기부(312) 및 제 2 요철돌기부(322)와 결합되는 요철홈부(241)가 형성된다.
그래서, 분리판 조립체(300)를 탄성체 프레임(200)의 제 2 단턱부(240)에 배치하여 융착시키는 경우에 서로 대응되는 형상에 의해 조립 정렬도를 향상시키면서, 상호 간의 계면을 확장시켜 접합성을 향상시킬 수 있다.
도 6a 및 도 6b는 본 발명의 제 4 실시예에 따른 연료전지용 탄성체 셀 프레임을 보여주는 도면이다.
도 6a 및 도 6b에 도시된 바와 같이 제 4 실시예에 따른 연료전지용 탄성체 셀 프레임은 탄성체 프레임(200)의 상면에는 분리판 조립체(300)의 테두리를 덮도록 연장되는 커버부(271)가 형성된다.
그리고, 탄성체 프레임(200)의 하면에는 커버부(271)가 형성된 위치와 대응되는 위치에 상기 커버부(271)와 대응되는 형상으로 커버홈(272)이 형성된다. 그래서 다수의 탄성체 프레임(200)을 적층하는 경우 서로 인접되는 탄성체 프레임(200)의 커버부(271)와 커버홈(272)이 서로 맞대어져서 융착 이전에는 정렬 효과를 기대할 수 있고, 열융착시에는 그 계면을 확장시켜 접합성을 향상시킬 수 있다.
도 6a 및 도 6b에서는 씰링돌기(261) 및 씰링홈(262)과 커버부(271) 및 커버홈(272)가 모두 형성되는 실시예를 도시하였지만, 씰링돌기(261) 및 씰링홈(262)만 형성되거나, 커버부(271) 및 커버홈(272)만 형성될 수 있다.
한편, 상기와 같이 구성되는 연료전지용 탄성체 셀 프레임을 다수개 적층하여 연료전지 스택을 구성한다.
도 2b에 도시된 바와 같이 인서트(100), 분리판 조립체(300) 및 탄성체 프레임(200)을 포함하는 탄성체 셀 프레임은 다수개가 서로 적층하여 연료전지 스택을 구성하는데, 이때 서로 인접하는 탄성체 셀 프레임의 탄성체 프레임(200)이 서로 열융착되어 접합되면서 적층되는 것이 바람직하다.
부연하자면, 서로 인접하는 탄성체 셀 프레임의 탄성체 프레임(200)은 서로 대면되는 영역에 서로 열융착되어 접합되는 제 5 융착부(H5)가 형성된다. 그래서 제 5 융착부(H5)에 의해 서로 인접되는 탄성체 셀 프레임의 탄성체 프레임(200)이 접합되는 것이다.
한편, 서로 인접되는 탄성체 프레임(200) 간의 접합성을 향상시키기 위하여 열융착되는 영역을 확장시킬 수 있다.
도 7a 및 도 7b는 본 발명의 제 5 실시예에 따른 연료전지용 탄성체 셀 프레임을 보여주는 도면이다.
도 7a 및 도 7b에 도시된 바와 같이 먼저, 복수의 탄성체 셀 프레임을 적층하고, 인접하는 탄성체 프레임(200)에서 서로 대면되는 상면 및 하면을 열융착에 의해 접합한다. 그래서 인접하는 탄성체 프레임(200)에서 서로 대면되는 상면 및 하면 사이에 제 5 융착부(H5)가 형성된다.
이 상태에서 탄성체 프레임(200)의 측부를 핫프레스 금형(HM2)으로 열을 가하면서 압력을 가하며 각각의 탄성체 프레임(200) 측면이 일체로 열융착되어 접합되는 제 6 융착부(H6)가 형성된다.
본 발명을 첨부 도면과 전술된 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였으나, 본 발명은 그에 한정되지 않으며, 후술되는 특허청구범위에 의해 한정된다. 따라서, 본 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 후술되는 특허청구범위의 기술적 사상에서 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 변형 및 수정할 수 있다.
100: 인서트 110: 막전극접합체
120: 기체확산층 200: 탄성체 프레임
201: 반응면 관통홀 210: 유입매니폴드 관통홀
220: 배출매니폴드 관통홀 230: 제 1 단턱부
240: 제 2 단턱부 241: 요철홈부
250: 조립돌기 261: 결합돌기
262: 결합홈 271: 커버부
272: 커버홈 300: 분리판 조립체
310: 제 1 분리판 311: 제 1 조립관통홀
312: 제 1 요철돌기부 320: 제 2 분리판
321: 제 2 조립관통홀 322: 제 2 요철돌기부

Claims (21)

  1. 연료전지의 단위 셀을 구성하는 셀 프레임으로서,
    막전극접합체와, 그 양면에 배치되는 한 쌍의 기체확산층이 접합된 인서트와;
    한 쌍의 분리판이 서로 맞대어져서 이루어지면서 상기 인서트의 일면에 배치되는 분리판 조립체와;
    상기 인서트 및 분리판 조립체의 외곽영역에서 상기 인서트의 테두리 양면 중 어느 한 면과 측면 및 분리판 조립체의 테두리 양면 중 어느 한 면과 측면을 둘러싸도록 배치되고, 열융착되면서 적어도 상기 인서트의 테두리 및 분리판 조립체의 테두리 양면 중 어느 한 면과 일체로 접합되는 시트 형태의 탄성체 프레임을 포함하는 연료전지용 탄성체 셀 프레임.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 탄성체 프레임에는 상기 인서트가 배치되는 반응면 관통홀이 형성되고, 상기 반응면 관통홀의 내주면에는 상기 인서트의 양면 중 어느 한 면 및 측면을 감싸는 제 1 단턱부가 형성되고, 상기 제 1 단턱부의 외곽에는 상기 분리판 조립체의 양면 중 어느 한 면 및 측면을 감싸는 제 2 단턱부가 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 탄성체 셀 프레임.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 인서트를 구성하는 한 쌍의 기체확산층 중 어느 하나는 상기 제 1 단턱부의 내주면 크기에 대응되고,
    한 쌍의 기체확산층 중 나머지 하나와 막전극접합체는 상기 제 2 단턱부의 내주면 크기에 대응되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 탄성체 셀 프레임.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 인서트와 탄성체 프레임 사이에는, 상기 탄성체 프레임의 제 1 단턱부와 상기 인서트의 막전극접합체와 대면되어 열융착되는 제 1 융착부가 형성되고,
    상기 분리판 조립체와 탄성체 프레임 사이에는, 상기 탄성체 프레임의 제 2 단턱부와 상기 분리판 조립체의 양면 중 어느 한 면이 대면되어 열융착되는 제 2 융착부가 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 탄성체 셀 프레임.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 인서트와 탄성체 프레임 사이에는, 상기 탄성체 프레임의 제 1 단턱부와 상기 인서트의 막전극접합체 및 한 쌍의 기체확산층의 측면이 대면되어 열융착되는 제 3 융착부가 형성되고,
    상기 분리판 조립체와 탄성체 프레임 사이에는, 상기 탄성체 프레임의 제 2 단턱부와 상기 분리판 조립체의 측면이 대면되어 열융착되는 제 4 융착부가 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 탄성체 셀 프레임.
  6. 청구항 2에 있어서,
    상기 탄성체 프레임의 일측에는 반응가스 및 냉각수가 유입되는 복수의 유입매니폴드 관통홀이 형성되고, 타측에는 반응가스 및 냉각수가 배출되는 복수의 배출매니폴드 관통홀이 형성되며,
    상기 제 1 단턱부 및 제 2 단턱부는 상기 복수의 유입매니폴드 관통홀과 복수의 배출매니폴드 관통홀 사이에 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 탄성체 셀 프레임.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 탄성체 프레임의 양면 중 일면에는 분리판 조립체가 배치되는 영역의 외곽을 따라 상기 분리판 조립체를 둘러싸는 적어도 하나 이상의 씰링돌기가 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 탄성체 셀 프레임.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 탄성체 프레임의 양면 중 타면에는 분리판 조립체가 배치되는 영역의 외곽을 따라 상기 분리판 조립체를 둘러싸되, 상기 씰링돌기가 형성된 위치와 대응되는 위치에 상기 씰링돌기와 대응되는 형상으로 적어도 하나 이상의 씰링홈이 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 탄성체 셀 프레임.
  9. 청구항 2에 있어서,
    상기 분리판 조립체는 서로 맞대어지는 제 1 분리판과 제 2 분리판으로 이루어지고,
    상기 제 1 분리판에는 테두리를 따라 소정 영역에서 서로 이격되어 다수개의 제 1 조립관통홀이 형성되며,
    상기 제 2 분리판에는 상기 제 1 조립관통홀에 연통되는 다수개의 제 2 조립관통홀이 형성되고,
    상기 탄성체 프레임의 제 2 단턱부에는 상기 제 1 조립관통홀과 제 2 조립관통홀을 관통하는 조립돌기가 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 탄성체 셀 프레임.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 조립돌기의 단부는 열융착되면서 직경이 조립돌기의 다른 영역보다 커져서 상기 분리판 조립체의 표면에 접합되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 탄성체 셀 프레임.
  11. 청구항 2에 있어서,
    상기 분리판 조립체는 서로 맞대어지는 제 1 분리판과 제 2 분리판으로 이루어지고,
    상기 제 1 분리판에는 측면에서 측방향으로 연장되는 제 1 요철돌기부가 형성되며,
    상기 제 2 분리판에는 측면에서 측방향으로 연장되되, 상기 제 1 요철돌기부에 대응되는 형상으로 제 2 요철돌기부가 형성되고,
    상기 제 2 단턱부의 외주면에는 탄성체 프레임의 표면과 수평방향으로 형성되되, 상기 제 1 요철돌기부 및 제 2 요철돌기부와 결합되는 요철홈부가 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 탄성체 셀 프레임.
  12. 청구항 1에 있어서,
    상기 탄성체 프레임의 양면 중 일면에는 분리판 조립체의 테두리를 덮도록 연장되는 커버부가 형성되고,
    상기 탄성체 프레임의 양면 중 타면에는 상기 커버부가 형성된 위치와 대응되는 위치에 상기 커버부와 대응되는 형상으로 커버홈이 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 탄성체 셀 프레임.
  13. 청구항 1에 있어서,
    상기 탄성체 프레임은 열가소성 탄성체(TPE)로 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 탄성체 셀 프레임.
  14. 연료전지 스택의 단위 셀을 구성하는 셀 프레임을 제조하는 방법으로서,
    막전극접합체의 양면에 각각 기체확산층을 접합하여 인서트를 준비하는 인서트 준비단계와;
    한 쌍의 분리판을 서로 맞대고 접합하여 분리판 조립체를 준비하는 분리판 조립체 준비단계와;
    탄성체 프레임을 시트형태로 준비하는 탄성체 프레임 준비단계와;
    상기 탄성체 프레임의 상부에 상기 인서트 및 분리판 조립체의 테두리가 중첩되도록 배치하는 배치단계와;
    상기 탄성체 프레임, 인서트 및 분리판 조립체의 중첩부위에 열을 가하면서 압착하여 상호 간을 열융착시켜서 일체로 형성하는 접합단계를 포함하는 연료전지용 탄성체 셀 프레임의 제조방법.
  15. 청구항 14에 있어서,
    상기 탄성체 프레임 준비단계에서 상기 탄성체 프레임은 열가소성 탄성체(TPE)를 시트 형태로 성형하여 준비하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 탄성체 셀 프레임의 제조방법.
  16. 청구항 14에 있어서,
    상기 탄성체 프레임 준비단계에서 상기 탄성체 프레임에는 상기 인서트가 배치되는 반응면 관통홀을 형성하고, 상기 반응면 관통홀의 내주면에는 상기 인서트의 양면 중 어느 한 면 및 측면을 감싸는 제 1 단턱부를 형성하며, 상기 제 1 단턱부의 외곽에는 상기 분리판 조립체의 양면 중 어느 한 면 및 측면을 감싸는 제 2 단턱부가 형성하고,
    상기 배치단계에서는 상기 인서트의 테두리가 상기 제 1 단턱부에 안착되도록 배치하고, 상기 분리판 조립체가 상기 제 2 단턱부에 안착되도록 배치하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 탄성체 셀 프레임의 제조방법.
  17. 청구항 14에 있어서,
    상기 접합단계에서 상기 탄성체 프레임에 가해지는 열은 상기 탄성체 프레임의 용융온도보다 높은 온도인 것을 특징으로 하는 연료전지용 탄성체 셀 프레임의 제조방법.
  18. 청구항 14에 있어서,
    상기 접합단계에서는 별도의 접착부재 없이 상기 탄성체 프레임이 열융착되면서 상기 인서트 및 분리판 조립체에 접합되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 탄성체 셀 프레임의 제조방법.
  19. 막전극접합체와, 그 양면에 배치되는 한 쌍의 기체확산층이 접합된 인서트와; 한 쌍의 분리판이 서로 맞대어져서 이루어지면서 상기 인서트의 일면에 배치되는 분리판 조립체와; 상기 인서트 및 분리판 조립체의 외곽영역에서 상기 인서트의 테두리 및 분리판 조립체의 테두리 양면 중 어느 한 면과 측면을 둘러싸도록 배치되고, 열융착되면서 적어도 상기 인서트의 테두리 및 분리판 조립체의 테두리 양면 중 어느 한 면과 일체로 접합되는 시트 형태의 탄성체 프레임을 포함하는 다수개의 탄성체 셀 프레임이 적층되어 이루어지되,
    서로 인접하는 탄성체 셀 프레임의 탄성체 프레임이 서로 열융착되어 접합되면서 적층되는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택.
  20. 청구항 19에 있어서,
    서로 인접하는 탄성체 셀 프레임의 탄성체 프레임은 서로 대면되는 영역에 서로 열융착되어 접합되는 제 5 융착부가 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택.
  21. 청구항 20에 있어서,
    서로 인접하는 탄성체 셀 프레임의 탄성체 프레임은 각각의 측면이 일체로 열융착되어 접합되는 제 6 융착부가 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택.
KR1020190057585A 2019-05-16 2019-05-16 연료전지용 탄성체 셀 프레임 및 그 제조방법과 이를 이용한 연료전지 스택 KR20200132294A (ko)

Priority Applications (4)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020190057585A KR20200132294A (ko) 2019-05-16 2019-05-16 연료전지용 탄성체 셀 프레임 및 그 제조방법과 이를 이용한 연료전지 스택
US16/688,086 US11251441B2 (en) 2019-05-16 2019-11-19 Elastomeric cell frame for fuel cell, method for manufacturing the same and fuel cell using the same
CN201911212277.XA CN111952625A (zh) 2019-05-16 2019-12-02 燃料电池的弹性体电池框架、其制造方法及使用其的燃料电池
DE102019218681.5A DE102019218681A1 (de) 2019-05-16 2019-12-02 Elastomerer zellenrahmen für eine brennstoffzelle, herstellungsverfahren derselben und brennstoffzelle unter verwendung derselben

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020190057585A KR20200132294A (ko) 2019-05-16 2019-05-16 연료전지용 탄성체 셀 프레임 및 그 제조방법과 이를 이용한 연료전지 스택

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR20200132294A true KR20200132294A (ko) 2020-11-25

Family

ID=73019071

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020190057585A KR20200132294A (ko) 2019-05-16 2019-05-16 연료전지용 탄성체 셀 프레임 및 그 제조방법과 이를 이용한 연료전지 스택

Country Status (4)

Country Link
US (1) US11251441B2 (ko)
KR (1) KR20200132294A (ko)
CN (1) CN111952625A (ko)
DE (1) DE102019218681A1 (ko)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20220146147A (ko) * 2021-04-23 2022-11-01 이재종 연료전지스택 시스템

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102021113960A1 (de) * 2021-05-31 2022-12-01 Audi Aktiengesellschaft Brennstoffzelle mit Elastomerschichten und Verfahren zur Herstellung einer Brennstoffzelle

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2017212126A (ja) 2016-05-26 2017-11-30 トヨタ自動車株式会社 燃料電池
KR20180011716A (ko) 2016-07-25 2018-02-02 도요타지도샤가부시키가이샤 연료 전지 단셀 및 그 제조 방법

Family Cites Families (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP3807498B2 (ja) * 2000-06-27 2006-08-09 Ｎｏｋ株式会社 燃料電池用ガスケット
JP5366469B2 (ja) * 2008-08-04 2013-12-11 本田技研工業株式会社 電解質膜・電極構造体
WO2011114811A1 (ja) 2010-03-17 2011-09-22 日産自動車株式会社 燃料電池セル
US9660276B2 (en) 2010-10-20 2017-05-23 Honda Motor Co., Ltd. Fuel cell including separator with outer ends placed inward of fluid passages formed in frame
JP5855442B2 (ja) * 2011-12-15 2016-02-09 本田技研工業株式会社 燃料電池用樹脂枠付き電解質膜・電極構造体の製造方法
JP6166240B2 (ja) 2014-11-13 2017-07-19 トヨタ自動車株式会社 燃料電池用のセパレーターと燃料電池およびセパレーターの製造方法

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2017212126A (ja) 2016-05-26 2017-11-30 トヨタ自動車株式会社 燃料電池
KR20180011716A (ko) 2016-07-25 2018-02-02 도요타지도샤가부시키가이샤 연료 전지 단셀 및 그 제조 방법

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20220146147A (ko) * 2021-04-23 2022-11-01 이재종 연료전지스택 시스템

Also Published As

Publication number Publication date
US11251441B2 (en) 2022-02-15
US20200365915A1 (en) 2020-11-19
DE102019218681A1 (de) 2020-11-19
CN111952625A (zh) 2020-11-17

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP5615875B2 (ja) 燃料電池用樹脂枠付き電解質膜・電極構造体
JP5855442B2 (ja) 燃料電池用樹脂枠付き電解質膜・電極構造体の製造方法
JP5683433B2 (ja) 燃料電池スタック
JP2008123883A (ja) 燃料電池、燃料電池の製造方法、および、単セルアッセンブリ
KR20200070944A (ko) 연료전지용 탄성체 셀 프레임 및 그 제조방법과 이를 이용한 단위 셀
JP5643146B2 (ja) 燃料電池
EP3357118B1 (en) Fuel cell sub-assembly
JP5086543B2 (ja) 燃料電池及びその製造方法
JP5778044B2 (ja) 燃料電池用樹脂枠付き電解質膜・電極構造体
KR20200132294A (ko) 연료전지용 탄성체 셀 프레임 및 그 제조방법과 이를 이용한 연료전지 스택
JP7257851B2 (ja) 燃料電池用弾性体セルフレームおよびその製造方法とそれを用いた単位セル
US11024866B2 (en) Elastomeric cell frame for fuel cell, method of manufacturing same, and unit cell having same
JP4780940B2 (ja) 固体高分子型燃料電池用セル
CN112751054A (zh) 燃料电池的单元电池
JP5703186B2 (ja) 燃料電池用樹脂枠付き電解質膜・電極構造体及びその製造方法
JP6241594B2 (ja) フレーム付き膜電極接合体、燃料電池単セル及び燃料電池スタック
KR20210015384A (ko) 연료전지용 탄성체 셀 프레임 및 그 제조방법과 이를 이용한 단위 셀
JP6229874B2 (ja) フレーム付き膜電極接合体、燃料電池単セル及び燃料電池スタック
JP6150528B2 (ja) 燃料電池スタック
JP2016076380A (ja) 燃料電池
JP7236913B2 (ja) 燃料電池用分離板組立体およびこれを含む燃料電池スタック
CN112002921B (zh) 燃料电池以及燃料电池的制造方法
JP5781860B2 (ja) 燃料電池の製造方法
JP2006351342A (ja) 燃料電池スタック、燃料電池スタックのシール部材及び燃料電池スタックの製造方法
KR20210076468A (ko) 연료전지용 탄성체 셀 프레임 및 그 제조방법과 이를 이용한 단위 셀

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination