KR20230161934A - 개스킷을 양극판에 부착하는 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 개스킷(gasket)을 양극판(兩極板; bipolar plate)에 부착하는 방법에 관한 것이다. 상기 방법은, 연결 홈(connecttion recesses)(8)을 구비한 제 2 개스킷 포일(4b) 상에 제 1 개스킷 포일(gasket foil)(4a)을 접촉시키고(applying) 정렬시키는(aliging) 단계, 상기 제 1 개스킷 포일(gasket foil)(4a)을 상기 제 2 개스킷 포일(4b)에 연결하여 개스킷(4)을 형성하는 단계, 상기 접합 홈(bonding recesses)(8)을 구비한 상기 제 2 개스킷 필름(4b)이 상기 양극판(12)에 인접(abut)하도록 상기 개스킷(4)을 상기 양극판(12) 상에 위치시키는 단계, 및 상기 연결 홈(connecting recesses)(8)의 영역에서 엠보싱 공구(20)로 엠보싱 힘(embossing force)을 가하여 엠보싱된 접착 지점(embossed adhesive point)(24)를 형성하고 상기 제 1 개스킷 포일(4a)을 상기 제 1 개스킷 포일(4a) 상의 상기 연결 홈(8)에 배열된 접착 수단(16)을 통해 상기 양극판(12)에 접합시키는 엠보싱 단계를 수행하는 단계,를 포함한다.

Description

개스킷을 양극판에 부착하는 방법

본 발명은 개스킷(gasket)을 양극판(兩極板; bipolar plate)에 부착하는 방법 및 이러한 방법에 따라 제조된 연료 전지(fuel cell)에 관한 것이다.

연료 전지는 예를 들어 수소 및 산소가 물, 전기 에너지 및 열로 변환되는 전기화학적 에너지 변환기(electrochemical energy converters)이다. 연료 전지 또는 연료 전지 스택(stacks)은 막 전극 유닛(electrode units) 및 서로 교대로 상부에 배열된 양극판을 갖는 다중-부품 전지(multi-part cells)로 구성된다. 양극판은 전극에 반응물을 공급하고 연료 전지 스택을 냉각시키는데 사용된다. 이를 위해, 양극판은 전극을 따라 반응물-함유 유체(reactant-containing fluids)를 가이드하는 분배기 구조체(distributor structure)를 갖는다. 또한, 분배기 구조체는 추가의 분배기 구조체를 따라 냉각 유체를 가이드하는 역할을 한다. 이들 분배기 구조체는 상이한 유체가 전도될 수 있는 채널로서 설계된다.

DE 10 2005 058 370 A1은 2개의 양극판, 상기 양극판들 사이에 배열되는 막 전극 유닛(membrane electrode unit), 및 상기 막 전극 유닛과 상기 양극판들 사이에 배열되는 가스 확산 층(gas diffusion layer)을 갖는 연료 전지를 기술한다. 상기 막 전극 유닛은 지지 프레임(support frame) 상에 배열된다. 상기 막 전극 유닛과 상기 지지 프레임 사이에 초음파 용접 조인트(ultrasonic welded joint)가 형성되며, 이를 통해 상기 막 전극 유닛은 상기 지지 프레임에 연결된다.

또한, 캐리어 프레임(carrier frame)이 초음파 용접 조인트를 통해 양극판에 직접 연결되는 것이 종래 기술에서 공지되어 있다. 마찬가지로, 레이저에 의해 생성된 용접 조인트가 초음파 용접 조인트 대신에 사용될 수 있다. 이들 방법은 추가 재료가 요구되지 않는다는 이점을 갖지만, 그럼에도 불구하고 거친 표면(rough surface)이 요구된다.

본 발명의 목적은 거의 추가 재료 없이 간단하고 경제적인 방식으로 양극판에 개스킷이 부착될 수 있는 개스킷을 양극판에 부착하는 방법을 제공하는 것이다.

이 문제를 해결하기 위해, 청구항 1의 특징을 갖는 개스킷을 양극판에 부착하는 방법뿐만 아니라 이러한 방법에 따라 제조된 연료 전지가 제공된다. 본 발명의 유리한 추가 구현예는 각각의 하위항으로부터 취해질 것이다.

개스킷을 양극판에 부착하는 방법으로서, 제 1 개스킷 포일(gasket foil)을 연결 홈(connection recesses)을 구비한 제 2 개스킷 포일에 접촉시키고(applying) 정렬시키는 단계, 상기 제 1 개스킷 포일을 상기 제 2 개스킷 포일에 연결하여 개스킷을 형성하는 단계, 상기 연결 홈을 갖는 상기 제 2 개스킷 포일이 상기 양극판에 인접하도록 상기 개스킷을 상기 양극판 상에 배치하는 단계,를 포함하는, 방법이 제안된다. 추가 공정 단계에서, 엠보싱 단계(embossing step)는, 상기 연결 홈의 영역에서 엠보싱 공구에 의해 엠보싱 힘(embossing force)을 가하여 엠보싱된 접착 지점(embossed adhesive point)을 형성하고 상기 제 1 개스킷 포일을 상기 제 1 개스킷 포일 상의 상기 연결 홈에 배열된 접착제를 통해 상기 양극판에 연결하는 방식으로 수행된다.

본 발명의 의미 내에서 접합 홈(bonding recess)은 접합을 가능하게 하는 제 2 개스킷 포일을 통한 개구(opening)인 것으로 이해된다. 접합 지점(bonding point)은 제 1 개스킷 포일이 양극판에 접합되는 영역으로 이해된다. 상기 엠보싱 단계를 통해, 상기 개스킷은 상기 연결 홈의 영역에서만 상기 양극판에 연결된다. 이러한 연결은 간단한 엠보싱 단계에 의해 달성된다. 또한, 접착제는 상기 연결 홈의 영역에만 제공되어야 한다. 그 결과, 상기 개스킷을 상기 양극판에 고정시키는데 접착제가 거의 필요하지 않다. 따라서, 추가 재료가 거의 필요하지 않다. 또한, 이러한 공정은 간단하고 경제적으로 수행될 수 있다.

본 발명의 바람직한 구현예에서, 제 1 개스킷 필름을 제 2 개스킷 필름에 접합시키기 전에 적어도 제 1 개스킷 필름에 접착제가 도포된다. 따라서, 상기 제 1 및 제 2 개스킷 필름은 접착제 접합을 통해 서로 접합된다. 접착 수단은 상기 연결 홈을 통해 이러한 영역에 추가로 배열된다. 상기 개스킷은 이러한 접착제를 통해 양극판에 접합된다. 따라서, 접착제를 도포하기 위한 추가 단계가 필요하지 않다. 이러한 접착제는 제 1 및 제 2 개스킷 필름을 접합하기 위해 도포되기 때문에, 상기 개스킷을 상기 양극판에 접합하기 위한 추가 재료가 필요하지 않다. 따라서, 이러한 공정은 용이하고 경제적으로 수행될 수 있다.

본 발명의 바람직한 추가 구현예에서, 접착제는 UV 접착제이고, 상기 UV 접착제는 UV 광원에 의해 경화된다. 바람직하게는, 적어도 제 1 개스킷 필름은 UV 광에 대해 투과성(transparent)이어서, 상기 접착제가 UV 광원을 사용하여 경화될 수 있다. 이러한 공정 단계는 특정 시점에서 상기 개스킷이 상기 양극판에 접합될 수 있게 하므로, 여전히 위치 보정이 가능하다. 또한, UV 광을 통한 경화는 간단하고 제어된 부착을 가능하게 한다.

바람직하게는, 접착제는 핫 멜트 접착제(hot melt adhesive)이며, 따라서 개스킷 필름들은 라미네이팅 공정에 의해 서로 접합된다. 핫 멜트 접착제는 열에 노출될 때 접착 상태(adhesive state)로 변화하는 접착제이다. 이러한 공정 단계에 의하면, 가열에 의해 2개의 개스킷 필름을 서로 용이하게 접합하는 것이 가능하다. 라미네이션 공정에서, 2개의 개스킷 필름은 바람직하게는 100 내지 200℃의 온도 및 0.5 내지 5 MPa의 압력에서 접합된다.

유리한 추가 개발에서, 엠보싱 힘을 제 1 개스킷 포일에 가한다. 대안적으로, 물론 엠보싱 힘을 양극판에 가하는 것이 또한 가능하다. 그러나, 제 1 개스킷 포일이 양극판보다 더 유연(compliant)하므로, 이는 양극판과 제 1 개스킷 포일 사이의 연결을 확립하는 것을 더 용이하게 한다. 이는 또한 양극판의 분배기 구조가 손상되는 것을 방지한다. 바람직하게는, 0.5 내지 5 MPa 범위의 엠보싱 힘을 가한다.

유리하게는, 엠보싱 단계는 접합 홈에 배열된 핫 글루가 양극판과 접합되도록 엠보싱 공구를 가열한다. 이러한 방식으로, 양극판과 제 1 개스킷 필름 사이의 접착제 접합은 엠보싱 단계와 동시에 달성될 수 있다. 따라서 공정 단계의 수가 감소된다. 바람직하게는, 엠보싱 공구는 100 내지 200℃의 온도로 가열된다. 특히 바람직하게는, 온도는 130 내지 170℃이다.

바람직하게는, 핫 멜트 접착제는 제 1 개스킷 필름을 제 2 개스킷 필름에 접합하기 위해 도포되는 접착제이므로, 상기 핫 멜트 접착제를 도포하기 위한 추가 공정 단계 또는 추가 핫 멜트 접착제가 필요하지 않다.

연료 전지 스택용 연료 전지가 추가로 제안된다. 상기 연료 전지는 적어도 하나의 양극판 및 개스킷을 가지되, 여기서 상기 개스킷은 제 1 및 제 2 개스킷 포일을 포함하고, 상기 제 2 개스킷 포일은 연결 홈을 갖고 상기 양극판에 대해 지지(bearing)하고, 상기 개스킷은 상기 연결 홈 내에 배열된 접착제에 의해 상기 연결 홈의 영역 내에 형성되는 엠보싱된 접착 도트(embossed adhesive dots)을 통해 상기 양극판에 연결된다. 상기 연료 전지는 바람직하게는 전술한 공정에 따라 제조된다. 이에 의해서, 이러한 연료 전지는 본질적으로 상기 공정과 관련하여 설명한 이점을 나타낸다. 특히, 이러한 연료 전지는 위치적으로 정확한 개스킷 및 양극판의 배열로 인해 더 높은 효율을 나타낸다.

유리한 추가 구현예에서, 상기 접착 도트은 기하학적 형상의 접착 도트 측(adhesive dot side)이 양극판의 횡방향 중심축(transverse center axis)에 평행하게 연장되고 이러한 횡방향 중심축과 정렬되는 기하학적 형상을 갖는다. 이와 관련하여, 기하학적 형상은 글루 지점(glue point)을 통한 양극판의 평면도로부터 발생하는 2차원 기하학적 형상인 것으로 이해된다. 글루 지점 측(glue point side)은 일렬로 연장되는 기하학적 형상의 측이다. 횡방향 중심축은 양극판에 횡방향으로 연장되고 그 중심에 배열되는 축이다. 평행 배열에 더하여, 이러한 글루 도트 측은 상기 글루 도트의 다른 측보다 횡방향 중심축에 더 가깝게 배열된다.

따라서, 종방향으로 지향된 박리력은 전체 글루 도트 측에 수직으로 작용하므로, 상기 박리력은 이러한 글루 도트 측에 더 잘 분포된다. 이는 이러한 글루 도트의 내구성을 현저히 개선시킨다.

편리한 구현예에 따르면, 상기 접착 도트는 종방향 중심축에 평행하게 연장되고 이러한 종방향 중심축과 정렬되는 접착 도트 측을 추가로 갖는다. 종방향 중심축은 양극판의 종방향으로 횡방향 중심축에 대응하여 연장되고 그 중심에 배열된다. 원칙적으로, 박리력은 또한 횡방향으로 발생하지만, 이는 종방향으로의 박리력보다 낮기 때문에, 횡방향으로의 박리력에 대한 접착 도트의 내구성은 종방향 중심축에 평행하게 정렬된 추가의 접착 도트 측에 의해 개선된다. 이러한 접착 도트 측은 양극판의 횡방향으로의 중심과 정렬된다.

또한, 여러 개의 연료 전지를 갖는 연료 전지 스택이 제안된다. 이러한 연료 전지 스택은 전술한 이점을 갖는다.

본 발명의 구현예의 예가 도면에 도시되어 있으며, 하기 기술에서 더 상세히 설명된다.
도 1은 본 발명에 따른 연료 전지의 구조체의 개략도이다.
도 2는 개스킷을 양극판에 부착하기 위한 공정 단계를 나타낸다.
도 3은 다양한 구현예의 글루 도트를 갖는 연료 전지를 도시한다.

도 1은 본 발명에 따른 연료 전지(1)의 구조체의 사시도를 도시한다. 연료 전지(1)는 적어도 제 1 개스킷 포일(4a) 및 제 2 개스킷 포일(4b)을 갖는다. 제 1 개스킷 포일(4a) 및 제 2 개스킷 포일(4b)은 함께 연료 전지(1)의 개스킷(4)을 형성하고, 이는 도면에 도시된 바와 같이 서로의 상부에 직접 적층된다. 제 1 개스킷 포일(4a)과 대조적으로, 제 2 개스킷 포일(4b)은 제 2 개스킷 포일(4b) 상에 대칭적으로 배열된 4개의 연결 홈(8)을 갖는다. 이러한 구현예에서, 이들 연결 홈(8)은 둥근 구멍(round holes)으로서 설계된다. 연료 전지(1)는 개스킷(4)이 놓이는 양극판(12)을 추가로 갖는다. 공지된 방식으로, 양극판(12)는 도시되지 않은 전극을 따라 반응물을 가이드하기 위한 분배 구조체(distribution structure)를 갖는다.

도 2는 개스킷(4)을 양극판(12)에 부착하기 위한 공정 단계를 도시한다. 이 도면에서, 연결 홈(8)의 영역을 통과하는 단면이 도시된다. 부분도 2a는 접착제(16)가 제 1 및 제 2 개스킷 포일(4a, 4b) 사이에 배열되고, 이를 통해 양 개스킷 포일(4a, 4b)이 서로 접합되는 것을 도시한다. 이러한 구현예에서, 접착제(16)는 핫 멜트 접착제이고, 이를 통해 두 개스킷 포일(4a, 4b)이 라미네이팅 공정에 의해 함께 결합된다. 접합 홈(8)으로 인해, 이 영역에서 양 개스킷 필름(4a, 4b) 모두의 접합이 발생하지 않는다. 보조도 2a는 개스킷(4)이 양극판(12) 상에 배치되기 전의 단계를 도시한다.

보조도 2b에서, 엠보싱 단계가 엠보싱 공구(20)에 의해 수행되는 단계가 도시된다. 이 단계에서, 제 2 개스킷 필름(4b)은 양극판(12)과 직접 접촉한다. 엠보싱 공구(20)는 연결 홈(8)의 영역에 위치되고, 엠보싱 힘을 제 1 개스킷 포일(4a)에 가한다. 그 결과, 제 1 개스킷 필름(4a) 상에 배치된 접착제(16)가 양극판(12)과 접촉하게 된다. 이 구현예에서, 엠보싱 공구(20)는 제 1 개스킷 필름(4a)이 핫 멜트 접착제로서 형성된 접착제(16)를 통해 양극판(12)에 접합되도록 가열된다.

엠보싱 단계는 엠보싱된 접합 지점(24)을 형성하고, 이는 본질적으로 연결 홈(8)의 형상 및 엠보싱 공구(20)의 형상에 의해 결정된다. 보조도 2c는 엠보싱 공구(20)가 제거된 후의 연료 전지(1)의 대응하는 부분을 도시한다. 여기서, 함몰부(28)가 엠보싱 공구(20)에 의해 제 1 개스킷 포일(4a)에 형성된 것을 볼 수 있다. 이 함몰부(28)는 제 2 개스킷 포일(4b)의 연결 홈(8) 내로 연장된다. 이는 2개의 개스킷 포일(4a, 4b) 사이의 기계적 연결을 추가로 개선한다.

도 3은 이러한 방식으로 제조된 연료 전지(1)의 평면도를 도시한다. 이 도면에서, 도 1에 도시된 둥근 연결 홈(8)과는 별도로, 연결 홈(8)에 대한 구현예의 4개의 추가적인 예가 파선(dashed lines)으로 도시되어 있다. 이러한 방식으로 생성된 연결 홈(8)은 접착 지점(24)의 대응하는 기하학적 형상을 생성한다.

상부 우측 코너에서 삼각형으로 도시된 글루 도트(24)는 연료 전지(1)의 횡방향 중심축(32)에 평행하게 형성된 글루 도트 측(q)을 갖는다. 또한, 이러한 접착 도트 측(q)은 횡방향 중심축(32)을 향하고, 이에 의해 접착 도트(24)의 내구성을 개선하기 위해 연료 전지(1)의 에지(36)를 향해 종방향으로 지향되는 박리력을 접착 도트 측(q)에 가한다. 우측 및 좌측 하부 접합 지점(24)은 이러한 이점을 또한 나타내는 추가적인 가능한 기하학적 형성을 나타낸다.

상부 좌측 코너에서, 직사각형으로서 형성된 접착 지점(24)이 도시되어 있다. 전술한 글루 도트 측(q)에 더하여, 이는 종방향 중심축(40)에 평행하게 배열되고 추가적으로 후자를 향하는 추가적인 글루 도트 측(l)을 갖는다. 이는 횡방향으로 작용하는 박리력에 대해 글루 도트(24)의 내구성을 추가적으로 개선한다.

도면 부호
1 연료 전지
4 개스킷
4a 제 1 개스킷 포일
4b 제 2 개스킷 포일
8 연결 홈
12 양극판
16 접착제
20 엠보싱 공구
24 접착 지점
28 리파인먼트(refinement)
32 횡방향 중심축
36 에지
40 종방향 중심축
q 접착 도트 측
1 접착 도트 측

Claims (10)

1. 개스킷(gasket)을 양극판(兩極板; bipolar plate)에 고정시키는 방법으로서,
   - 연결 홈(connecting recesses)(8)을 구비한 제 2 개스킷 포일(4b) 상에 제 1 개스킷 포일(gasket foil)(4a)을 접촉(application) 및 정렬(alignment)시키는 단계,
   - 상기 제 1 개스킷 시트(4a)를 상기 제 2 개스킷 시트(4b)에 접합하여 개스킷(4)을 형성하는 단계,
   - 상기 연결 홈(8)을 구비한 상기 제 2 개스킷 포일(4b)이 상기 양극판(12)에 놓이도록 상기 개스킷(4)을 상기 양극판(12) 상에 위치시키는 단계,
   - 상기 접합 홈(bonding recesses)(8)의 영역에서 엠보싱 공구(20)로 엠보싱 힘(embossing force)을 가하여 엠보싱된 접착 도트(embossed adhesive dots)(24)를 형성하고 상기 제 1 개스킷 시트(4a)를 상기 제 1 개스킷 시트(4a) 상의 상기 접합 홈(8)에 배치된 접착제(16)를 통해 상기 양극판(12)에 접합시키는 엠보싱 단계를 수행하는 단계,
   를 포함하는 방법.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 제 1 개스킷 시트(4a)를 상기 제 2 개스킷 시트(4b)에 접합하기 전에 적어도 상기 제 1 개스킷 시트(4a)에 접착제(16)가 도포되는 것을 특징으로 하는, 방법.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
   상기 접착제(16)는 UV 접착제(UV adhesive)이고, 상기 UV 접착제는 UV 광원(UV source)에 의해 경화되는 것을 특징으로 하는, 방법.
4. 제 2 항에 있어서,
   상기 접착제(16)는, 상기 개스킷 필름(4a, 4b)이 라미네이팅 공정(laminating process)에 의해 서로 결합되도록 하는 핫 글루(hot glue)인 것을 특징으로 하는, 방법.
5. 제 1 항 내지 제 4 항 중의 어느 한 항에 있어서,
   상기 엠보싱 힘은 상기 제 1 개스킷 포일(4a)에 가해지는 것을 특징으로 하는, 방법.
6. 제 1 항 내지 제 5 항 중의 어느 한 항에 있어서,
   상기 엠보싱 단계에서, 상기 엠보싱 공구(20)는, 상기 접합 홈(8)에 배치된 핫 글루가 상기 양극판(12)에 접합되도록 가열되는 것을 특징으로 하는, 방법.
7. 연료 전지 스택(fuel cell stack)을 위한 연료 전지(1)로서,
   상기 연료 전지(1)는 적어도 하나의 양극판(12) 및 개스킷(4)을 가지되, 상기 개스킷(4)은 제 1 및 제 2 개스킷 포일(4a, 4b)을 포함하고,
   상기 제 2 개스킷 포일(4b)은 연결 홈(8)를 갖고 상기 양극판(12)에 대해 지지(bearing)하고 상기 개스킷(4)은 상기 접합 홈(8) 내에 배치된 접착제(16)에 의해 상기 접합 홈(8)의 영역에 형성된 엠보싱된 접착 도트(24)를 통해 상기 양극판(12)에 접합되는,
   연료 전지(1).
8. 제 7 항에 있어서,
   상기 접착 도트(24)는 기하학적 형상(geometric shape)을 가지되, 상기 기하학적 형상의 접착 도트 측(adhesive dot side)(q)은 상기 양극판(1)의 횡방향 중심축(transverse center axis)(32)에 평행하게 연장되고 상기 횡방향 중심축(32)과 정렬되는 것을 특징으로 하는, 연료 전지(1).
9. 제 8 항에 있어서,
   상기 접착 도트(24)는 길이방향 중심축(40)에 평행하게 연장되고 상기 길이방향 중심축(40)과 정렬되는 접착 도트 측(l)을 추가로 갖는 것을 특징으로 하는, 연료 전지(1).
10. 제 7 항 내지 제 9 항 중의 어느 한 항에 따른 복수의 연료 전지(1)를 포함하는 연료 전지 스택.