WO2011013869A1 - 2중 구조를 갖는 금속 분리판용 가스켓 - Google Patents

2중 구조를 갖는 금속 분리판용 가스켓 Download PDF

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전유택
김기정
정연수
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Definitions

  • the present invention relates to a gasket for a fuel cell metal separator, and more particularly, to a gasket for a metal separator having a double structure to improve rigidity and airtightness of a thin metal separator of 0.3 mm or less.
  • a fuel cell is a cell that directly converts chemical energy generated by the oxidation of fuel into electrical energy.
  • a lot of research is being done together.
  • Fuel cells generally convert chemical energy into electrical energy using oxidation and reduction reactions of hydrogen and oxygen. Hydrogen is oxidized at the anode and separated into hydrogen ions and electrons, and the hydrogen ions move through the electrolyte to the cathode. At this time, the electrons move to the anode through the circuit. At the anode, a reduction reaction occurs in which hydrogen ions, electrons, and oxygen react to form water.
  • a unit cell of a fuel cell has low voltage and low practicality, generally, several to hundreds of unit cells are stacked and used.
  • a separator is used to make electrical connections between the unit cells and to separate the reaction gas, and a plurality of connected cells are generally called a fuel cell stack. .
  • the metal plate has a number of advantages, such as easy to process, can lower the manufacturing cost.
  • reaction gas channel and a cooling water channel are formed in the center of a metal body provided in a rectangular shape, and manifolds in which reaction gas flows in and out of each channel are formed. Gaskets are formed around the channels and manifolds to maintain the gas tightness of the reaction gas.
  • the thickness of the metal separator is thinner, a study has been made on a thin metal separator having a thickness of 0.3 mm or less. In the case of the thin metal separator, the rigidity is weak.
  • An object of the present invention is to first form a first gasket made of a material that can give rigidity, such as reinforced plastic or high hardness rubber when forming a gasket on the metal body to secure the rigidity of the metal body, and then the airtightness such as rubber
  • a second gasket made of a material that can be provided to secure the airtightness it is to provide a gasket for a metal separation plate having a double structure that can maintain the rigidity and airtightness even in the case of a thin metal plate of 0.3 mm or less thickness.
  • the final object of the present invention is to prevent the deformation of the channel or manifold constituting the metal body during the manufacture of the metal separator plate through the gasket structure having a double structure as described above, and to reduce the springback phenomenon during the manufacture of the metal separator plate It is to let.
  • a metal separator plate gasket having a double structure according to an embodiment of the present invention for achieving the above object is formed in the edge region of each of the channel and manifold of the metal body including the channel and the manifold, A first gasket for imparting rigidity to the first gasket; And a second gasket formed on the first gasket to impart airtightness to the channel and the manifold.
  • the gasket for a metal separator plate having a double structure is formed by first forming a first gasket made of reinforced plastic or high hardness rubber having a Shore A hardness of 70 or more on the edge region of each of the channel and the manifold of the metal body.
  • a first gasket made of reinforced plastic or high hardness rubber having a Shore A hardness of 70 or more on the edge region of each of the channel and the manifold of the metal body.
  • rigidity can be imparted, and then, by forming a second gasket made of a material such as rubber, there is an advantage of providing airtightness to the metal plate.
  • the metal separating plate to which the gasket having the double structure according to the present invention is applied can give rigidity to the metal body, and also the effect of preventing deformation of the manifold portion and reducing springback can be obtained.
  • FIG. 1 schematically shows an embodiment of a gasket for a metal separator plate having a double structure according to the present invention.
  • Figure 2 schematically shows that a gasket having a double structure according to the present invention is formed on the edge of each of the channel and manifold of the metal separator plate.
  • FIG. 3 is a plan view illustrating an example of a metal separator plate for a fuel cell to which a gasket having a double structure according to the present invention is applied.
  • FIG. 1 schematically shows an embodiment of a gasket for a metal separator plate having a double structure according to the present invention.
  • double-sided gaskets 120 and 130 are formed on both surfaces of a metal body 110 including a channel and a manifold.
  • first gaskets 120 are formed on both surfaces of the metal body 110.
  • the first gasket 120 is formed of a material that can give rigidity, such as reinforced plastic or high hardness rubber.
  • the reinforcing plastic is mainly a reinforcing material for adding strength to the thermosetting matrix resin is added, and is a plastic having excellent mechanical strength and heat resistance.
  • the matrix resin constituting the reinforced plastic may be used alone or in combination of two or more types of unsaturated polyester resin, epoxy resin, polyimide resin, phenol resin, and the like.
  • the reinforcing material added to the matrix resin may be glass fiber, carbon fiber, aromatic nylon fiber, or the like.
  • the high hardness rubber is added to the general rubber material additives such as carbon black, silica, continuous fibers, Shore A hardness of 70 or more after curing, imparting impact resistance and rigidity.
  • the first gasket 120 is formed of a material that can give rigidity, such as reinforced plastic or high hardness rubber, to impart rigidity to the metal body 110, and thereby, the second gasket 130. ),
  • the metal body can be prevented from being deformed during the formation of the metal plate or the fabrication of the metal separator plate, and the deformation and springback phenomenon of the manifold portion can be reduced.
  • the metal body 110 includes a channel and a manifold, which are disposed in a predetermined area of the metal separator plate.
  • the channel includes a reactant gas channel and a coolant channel
  • the manifold may include a reactant gas inlet manifold, a coolant inlet manifold, a reactant gas outlet manifold, a coolant outlet manifold, and the like.
  • the first gasket 120 as described above, the metal body 110, in particular, the first gasket 120 is to give rigidity to the thin metal body of less than 0.3mm thickness, reinforcement having a light and high strength It may be made of plastic or hard rubber, and may be formed by injection molding or other methods.
  • the second gasket 130 is for securing airtightness such as a channel and a manifold, and may be formed of a rubber material that is easily molded.
  • the rubber for forming the second gasket 130 may be, for example, silicone rubber, but is not limited thereto.
  • the second gasket 130 may increase the airtightness of the metal body 110, that is, to completely seal the reaction gas and the cooling water of the channel and the manifold, as shown in FIG. 1, the first gasket 110. Some may be embedded in the thickness direction. This may be achieved by setting the molding pressure higher than the molding pressure of the first gasket 110 at the time of injection molding, for example, a rubber material for forming the second gasket 130.
  • Figure 2 schematically shows that the gasket according to the present invention is formed at the edge of each of the channel and manifold of the metal separator plate.
  • the metal separating plate may include a metal body 210 in which channel regions 211 and manifolds 212a and 212b are formed, and channels formed in the channel region 211 of the metal body 210.
  • the metal body 210 includes a plurality of manifolds 212a and 212b.
  • the channel formed in the channel region 211 may include a reactant gas channel and a coolant channel
  • the plurality of manifolds 212a and 212b may include a reactant gas inlet manifold, a coolant inlet manifold, a reactant gas discharge manifold, and a coolant Discharge manifold, or the like.
  • a first gasket 220 is formed in an edge region surrounding each of the channel and the manifold, and a second gasket 230 is formed on the first gasket 220.
  • the first gasket may be formed at the edge area of each of the channel and the manifold, as well as the portion where the sealing is required in the metal separator plate.
  • the first gasket 220 is formed of a material capable of imparting rigidity, such as reinforced plastic or high hardness rubber.
  • the first gasket 220 is formed at the edge of each of the channels and manifolds by injection molding or other methods, and gives rigidity to the metal body 210 through the first gasket 220.
  • the first gasket 220 made of a reinforced plastic or a hard rubber material is formed, sufficient rigidity can be given to a metal body having a thickness of 0.3 mm or less according to the tendency of thinning of the metal separator plate.
  • the second gasket 230 is formed, there is an effect of preventing deformation of the metal body.
  • the second gasket 230 may be formed of a material capable of imparting airtightness, such as rubber, and the rubber may be silicon rubber or the like.
  • the second gasket 220 is formed on the upper portion of the first gasket 220 by an injection molding method, and the airtightness of each of the metal body 210, specifically, the channel and the manifolds, is formed through the second gasket 230. Grant.
  • the double structure of the first gasket 220 and the second gasket 230 shown in FIG. 2 may be formed by various methods, and may represent a double injection molding.
  • first injection molding with reinforced plastic or hard rubber a first gasket for providing rigidity to the metal body including the channel and the manifold is formed, and then second injection molding with silicon rubber or the like to form the first gasket.
  • second injection molding with silicon rubber or the like to form the first gasket.
  • second gasket for imparting airtightness to the metal body.
  • FIG. 3 is a plan view illustrating an example of a metal separator plate for a fuel cell to which a gasket having a double structure according to the present invention is applied.
  • the metal separating plate has a first reaction gas inlet manifold 320, a coolant inlet manifold 324, and a second reaction gas inlet on one side in a length direction of the metal body 300 having a rectangular shape.
  • Manifold 328 is formed.
  • the first reaction gas discharge manifold 360, the cooling water discharge manifold 364, and the second reaction gas discharge manifold 368 are formed at the other side facing the one side.
  • the reaction gas channel 340 and the coolant channel 345 are formed at the center of the metal body 300.
  • a part of the long direction of the rectangular metal body 300 is omitted.
  • the reaction gas channel 340 protrudes from the first surface of the metal body to the second surface, and may be formed by a stamping process by a press machine, and the cooling water channel 345 may be formed in the extruded portion of the reaction gas channel 340. It is formed between the parts.
  • first reaction gas inlet manifold 320, the cooling water inlet manifold 324, and the second reaction gas inlet manifold 328 may be defined by an integrated polymer frame structure.
  • first reaction gas discharge manifold 360, the cooling water discharge manifold 364, and the second reaction gas discharge manifold 368 may also be defined by an integrated polymer framework structure.
  • the first reaction gas inlet manifold 320, the cooling water inlet manifold 324, and the second reaction gas inlet manifold 328 may not be divided from the first in the metal body itself. That is, the metal body itself may be formed of one manifold, and thereafter, one portion for dividing the first reaction gas inlet manifold 320 and the coolant inlet manifold 324 in the frame structure for forming the manifold. It may be divided into a plurality of manifolds by including an installment 322 and another partition 326 that divides the coolant inlet manifold 324 and the second reaction gas inlet manifold 328. The same may be applied to the first reaction gas discharge manifold 360, the cooling water discharge manifold 364, and the second reaction gas discharge manifold 368 through the partitions 362 and 366.
  • reaction gas inlet hole 335 and a reaction gas outlet hole 350 are formed in a region between the plurality of manifolds 320, 324, 328, 360, 364, 368 and the reaction gas channel 340.
  • the metal divider plate having such a structure is not formed in the metal body of the partitions 322, 326, 362 and 366 and the reaction gas inflow holes 335 and 350, and thus may be integrated into the polymer frame structure for forming the manifold, thereby providing rigidity of the entire metal separator plate. And there is an advantage to improve the airtightness, and through the improvement of the characteristics of such a metal separator plate can also improve the cell efficiency, life characteristics, etc. of the fuel cell.
  • a gasket is formed to ensure the airtightness of each of the four sides and the plurality of manifolds of the channel region where the channel including the reaction gas channel 340 and the coolant channel 345 is formed.
  • the gasket is formed in a double structure of the first gasket 330 and the second gasket 331 formed on the first gasket 330 to surround the channel region and the edge of each of the manifolds. do.
  • the first gasket 330 is formed of reinforced plastic or high hardness rubber to impart rigidity of the metal body 300, and the second gasket 331 formed on the first gasket 330 is silicone rubber. It is formed of a material that can impart airtightness such as to impart airtightness to each of the channel and the plurality of manifolds. As described above, the first gasket 330 and the second gasket 331 may be formed through double injection or other methods.
  • a plurality of metal separator plates for fuel cells having the structure shown in FIG. 3 are stacked and combined to form a fuel cell stack, wherein a membrane-electrode assembly for producing electricity in a region between the metal separator plates is included; MEA) is inserted.
  • MEA membrane-electrode assembly for producing electricity in a region between the metal separator plates
  • the structure of the separator shown in Figure 3, in particular the double gasket structure (330, 331) can improve the airtightness between each metal separator plate or between the metal separator plate and the membrane-electrode assembly, thereby providing a stable reaction gas Supply and discharge can be performed.
  • the first reaction gas inlet manifold 320 and the second reaction gas inlet manifold 328 serve to supply a reaction gas such as hydrogen or oxygen to the reaction gas channel 340 of the metal body 300.
  • a reaction gas such as hydrogen or oxygen
  • the reaction gas channel 340 is provided through the second reaction gas inlet manifold 328.
  • the supplied second reaction gas becomes hydrogen, on the contrary, when the first reaction gas is hydrogen, the second reaction gas becomes oxygen.
  • the coolant introduced into the metal body 300 through the coolant inflow manifold 324 flows along the coolant channel 345 to cool the reaction heat of the fuel cell, and the metal body 300 through the coolant discharge manifold 364. ) It is discharged to the outside.
  • Reaction gases introduced into the respective reaction gas inlet manifolds 320 and 328 are led to the reaction gas channel 340, and react with the electrodes (not shown) to flow along the surface of the metal body 300.
  • a gas diffusion layer may be further formed between the metal body 300 and the electrode to facilitate the flow of the reaction gases.
  • the metal body 300 of the metal material may be formed in a thin plate shape having a thickness of 0.3 mm or less in order to reduce the stack volume of the fuel cell, and in this case, the double gasket structure according to the present invention, in particular, reinforced plastic or hard rubber, etc. Stiffness is given to the metal body 300 through the first gasket 330 of the same material to prevent deformation of the metal body 300 to the maximum, and also to prevent deformation of the manifold portion and to reduce springback. have.

Abstract

박판형 금속 분리판의 강성 및 기밀성을 향상시킬 수 있는 2중 구조를 갖는 금속 분리판용 가스켓에 대하여 개시한다. 본 발명에 따른 2중 구조를 갖는 금속 분리판용 가스켓은 채널 및 매니폴드를 포함하는 금속 본체의 상기 채널 및 매니폴드 각각의 테두리 영역에 강화 플라스틱이나 고경도 고무 등의 재질로 형성되어, 상기 금속 본체에 강성을 부여하는 제1가스켓; 및 상기 제1가스켓 상에 고무 등의 재질로 형성되어, 상기 채널 및 매니폴드에 기밀성을 부여하는 제2가스켓;을 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

2중 구조를 갖는 금속 분리판용 가스켓
본 발명은 연료전지 금속 분리판용 가스켓에 관한 것으로, 보다 상세하게는 0.3mm 이하의 박판형 금속 분리판의 강성 및 기밀성을 향상시킬 수 있도록 2중 구조를 갖는 금속분리판용 가스켓에 관한 것이다.
연료전지(Fuel Cell)란 연료의 산화로 인해 생기는 화학 에너지를 직접 전기 에너지로 변환하는 전지로서, 최근 화석 연료의 고갈 문제, 이산화탄소 발생에 의한 온실효과와 지구 온난화 등의 문제점을 극복하고자 태양전지 등과 함께 많은 연구가 이루어지고 있다.
연료전지는 일반적으로 수소와 산소의 산화, 환원반응을 이용하여 화학에너지를 전기에너지로 변환한다. 음극(anode)에서 수소가 산화되어 수소 이온과 전자로 분리되고, 수소 이온은 전해질을 통해 양극(cathode)으로 이동한다. 이때, 전자는 회로를 통해 양극으로 이동한다. 양극에서 수소 이온, 전자 및 산소가 반응하여 물이 되는 환원반응이 일어난다.
연료전지의 단위 셀(Unit Cell)은 전압이 낮아 실용성이 떨어지기 때문에, 일반적으로 수개 내지 수백개의 단위 셀을 적층하여 사용한다. 단위 셀의 적층 시, 각각의 단위 셀 간에 전기적 접속이 이루어지게 하고, 반응 가스를 분리시켜주는 역할을 하는 것이 분리판(Separator)이고, 이를 다수 개 연결한 것을 통상 연료전지 스택(Stack)이라 한다.
종래의 연료전지용 분리판의 제조는 그라파이트(Graphite)를 유로 형태에 따라 밀링 가공하여 제작하였다. 이 경우 그라파이트 재질의 분리판이 차지하는 비중이 스택 전체에서 비용은 50%, 무게에서는 80% 이상을 차지하였다. 따라서, 그라파이트 재질의 분리판은 고비용, 큰 부피 등의 문제점이 있었다.
상기의 그라파이트 재질의 분리판의 문제점을 극복하기 위해, 금속재질의 금속 분리판이 개발되었는데, 금속 분리판은 가공성이 용이하고, 제조단가를 낮출 수 있는 등의 여러 장점이 있다.
일반적인 금속 분리판의 경우, 직사각형 형태로 구비되는 금속 본체의 중심부에 반응가스 채널 및 냉각수 채널이 형성되고, 각 채널의 양측에 반응가스가 유입 및 유출되는 매니폴드들이 형성된다. 채널 및 매니폴드들의 주변에는 반응가스의 기밀성을 유지할 수 있도록 가스켓이 형성된다.
한편, 최근 금속 분리판의 두께가 얇아지면서 두께 0.3mm 이하의 박판형 금속 분리판에 관한 연구가 이루어지고 있는데, 박판형 금속 분리판의 경우 강성이 약하다.
따라서, 이러한 박판형 금속 분리판의 경우, 금속 분리판 제작시 금속 본체, 특히 매니폴드 부분의 변형이 자주 발생하며, 금속 분리판의 제작 과정에서 스프링백(spring back) 현상이 많이 발생하는 문제점이 있다.
본 발명의 목적은 금속 본체에 가스켓을 형성할 때 강화 플라스틱이나 고경도 고무와 같은 강성을 부여할 수 있는 재질의 제1가스켓을 먼저 형성하여 금속 본체의 강성을 확보하고, 이어 고무와 같은 기밀성을 부여할 수 잇는 재질로 제2가스켓을 형성하여 기밀성을 확보함으로써, 두께 0.3mm 이하의 박판형 금속 분리판의 경우에도 강성 및 기밀성을 유지할 수 있는 2중 구조를 갖는 금속 분리판용 가스켓을 제공하는 것이다.
본 발명의 최종 목적은, 상기와 같은 2중 구조를 갖는 가스켓 구조를 통하여 금속 분리판 제작시 금속 본체를 구성하는 채널이나 매니폴드의 변형을 방지하고, 금속 분리판의 제작시 스프링백 현상을 저감시키는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일실시예에 따른 2중 구조를 갖는 금속 분리판용 가스켓은 채널 및 매니폴드를 포함하는 금속 본체의 상기 채널 및 매니폴드 각각의 테두리 영역에 형성되어, 상기 금속 본체에 강성을 부여하는 제1가스켓; 및 상기 제1가스켓 상에 형성되어, 상기 채널 및 매니폴드에 기밀성을 부여하는 제2가스켓;을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 2중 구조를 갖는 금속 분리판용 가스켓은 금속 본체의 채널 및 매니폴드 각각의 테두리 영역 상에 강화 플라스틱이나 쇼어 A 경도 70 이상의 고경도 고무 등으로 제1가스켓을 먼저 형성함으로써 두께 0.3mm 이하의 박판형 금속 분리판의 경우에도 강성을 부여할 수 있으며, 이후, 고무 등의 재질로 제2가스켓을 형성함으로써 금속 분리판에 기밀성을 부여할 수 있는 장점이 있다.
따라서, 본 발명에 따른 2중 구조를 갖는 가스켓이 적용된 금속 분리판은 금속 본체에 강성을 부여할 수 있으며, 또한, 매니폴드 부분의 변형 방지 및 스프링백 저감 효과도 얻을 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 2중 구조를 갖는 금속 분리판용 가스켓의 일실시예를 개략적으로 나타내는 것이다.
도 2는 금속 분리판의 채널 및 매니폴드 각각의 테두리에 본 발명에 따른 2중 구조를 갖는 가스켓이 형성된 것을 개략적으로 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명에 따른 2중 구조를 갖는 가스켓이 적용된 연료전지용 금속 분리판의 예를 도시한 평면도이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 2중 구조를 갖는 금속 분리판용 가스켓에 대하여 상세히 설명한다.
이러한 과정에서 도면에 도시된 선들의 두께나 구성요소의 크기 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시되어 있을 수 있다.
또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로써, 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다.
그러므로, 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 2중 구조를 갖는 금속 분리판용 가스켓의 일실시예를 개략적으로 나타내는 것이다.
도 1을 참조하면, 채널 및 매니폴드를 포함하는 금속 본체(110)의 양면에는 2중으로 가스켓(120,130)이 형성되어 있다.
우선, 금속 본체(110)의 양면에는 제1가스켓(120)이 형성되어 있다. 제1가스켓(120)은 강화 플라스틱이나 고경도 고무와 같이 강성을 부여할 수 있는 재질로 형성된다.
이때, 강화 플라스틱은 주로 열경화성 매트릭스 수지에 강도를 부여하기 위한 보강재가 첨가되어 있는 것으로, 기계적 강도와 내열성이 우수한 특성을 갖는 플라스틱이다.
이러한 강화 플라스틱을 구성하는 매트릭스 수지는 불포화 폴리에스터(unsaturated polyesters) 수지, 에폭시(epoxy) 수지, 폴리이미드(polyimide) 수지, 페놀(phenol) 수지 등이 단독으로 또는 2종 이상을 혼합하여 이용할 수 있으며, 상기 매트릭스 수지에 첨가되는 보강재는 유리섬유(glass fiber), 탄소섬유(carbon fiber) 및 방향족 나일론섬유(aromatic nylon fiber) 등이 될 수 있다.
또한, 고경도 고무는 일반적인 고무 소재에 카본블랙, 실리카, 연속섬유 등의 첨가제를 첨가하여 경화 후 쇼어 A 경도가 70 이상으로서, 내충격성 및 강성을 부여하게 된다.
이러한 강화 플라스틱이나 고경도 고무와 같이 강성을 부여할 수 있는 소재로 제1가스켓(120)이 우선적으로 형성됨으로써 금속 본체(110)에 강성을 부여할 수 있게 되고, 이를 통하여, 제2가스켓(130)의 형성 과정이나 금속 분리판의 제작시 금속 본체가 변형되는 것을 방지할 수 있으며, 또한 매니폴드 부분의 변형이나 스프링백 현상 등을 저감할 수 있게 된다.
금속 본체(110)는 채널 및 매니폴드를 포함하며, 이들은 금속 분리판의 미리 지정된 영역에 배치된다. 채널은 반응가스 채널 및 냉각수 채널을 포함하고, 매니폴드는 반응가스 유입 매니폴드, 냉각수 유입 매니폴드, 반응가스 배출 매니폴드, 냉각수 배출 매니폴드 등을 포함할 수 있다.
이때, 제1가스켓(120)은 전술한 바와 같이, 금속 본체(110), 특히 제1가스켓(120)은 두께 0.3mm 이하의 박판형 금속 본체에 강성을 부여하기 위한 것으로, 가벼우면서도 고강도를 가지는 강화 플라스틱이나 고경도 고무 등으로 이루어질 수 있으며, 사출성형이나 기타 다른 방법을 통하여 형성할 수 있다.
다음으로, 제1가스켓(120)의 상부에는 2가스켓(130)이 형성되어 있다. 제2가스켓(130)은 채널과 매니폴드 등의 기밀성을 확보하기 위한 것으로, 성형이 용이한 고무 재질로 형성될 수 있다. 이러한 제2가스켓(130) 형성용 고무는 실리콘 고무를 예로 들 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
이때, 제2가스켓(130)은 금속 본체(110)의 기밀성을 높이기 위하여, 즉 채널 및 매니폴드의 반응가스 및 냉각수를 완전히 기밀하기 위하여, 도 1에 도시된 바와 같이, 제1가스켓(110)에 두께 방향으로 일부가 매립되어 있을 수 있다. 이는 사출성형의 예를 들면, 고무 재질로 제2가스켓(130) 형성을 위한 사출성형시에 제1가스켓(110)의 성형 압력보다 더 높게 성형 압력을 설정함으로써 이루어질 수 있다.
도 2는 금속 분리판의 채널 및 매니폴드 각각의 테두리에 본 발명에 따른 가스켓이 형성된 것을 개략적으로 나타낸 것이다.
도 2를 참조하면, 금속 분리판은 채널 영역(211) 및 매니폴드(212a,212b)가 형성되어 있는 금속 본체(210), 상기 금속 본체(210)의 채널 영역(211)에 형성되는 채널과 상기 금속 본체(210)의 복수의 매니폴드(212a,212b)를 포함한다. 채널 영역(211)에 형성되는 채널은 반응가스 채널과 냉각수 채널을 포함할 수 있으며, 복수의 매니폴드(212a,212b)는 반응가스 유입 매니폴드, 냉각수 유입 매니폴드, 반응가스 배출 매니폴드, 냉각수 배출 매니폴드 등이 될 수 있다.
이때, 상기 채널과 매니폴드 각각을 둘러싸는 테두리 영역에는 제1가스켓(220)이 형성되어 있으며, 상기 제1가스켓(220)의 상부에는 제2가스켓(230)이 형성되어 있다. 물론, 채널 및 매니폴드 각각의 테두리 영역 뿐만 아니라 금속 분리판에서 실링이 요구되는 부분이 있을 경우 그 부분에도 제1가스켓이 형성될 수 있다.
제1가스켓(220)은 강화 플라스틱이나 고경도 고무 등과 같이 강성을 부여할 수 있는 소재로 형성되어 있다. 제1가스켓(220)은 사출성형이나 기타 다른 방법 등으로 채널 및 매니폴드들 각각의 테두리에 형성되며, 제1가스켓(220)을 통하여 금속 본체(210)에 강성을 부여한다.
따라서, 강화 플라스틱이나 고경도 고무 재질 등으로 이루어진 제1가스켓(220)이 형성됨으로 인하여, 금속 분리판의 박판화 경향에 따른 두께 0.3mm 이하의 금속 본체에도 충분한 강성을 부여할 수 있게 되고, 이에 따라 제2가스켓(230)의 형성시 등에 금속 본체의 변형을 방지할 수 있는 효과가 있다.
제2가스켓(230)은 고무와 같이, 기밀성을 부여할 수 있는 재질로 형성될 수 있으며, 이러한 고무는 실리콘 고무 등이 될 수 있다. 제2가스켓(220)은 사출성형 방법 등으로 제1가스켓(220)의 상부에 형성되며, 제2가스켓(230)을 통하여 금속 본체(210), 구체적으로는 채널 및 매니폴드들 각각에 기밀성을 부여한다.
도 2에 도시된 제1가스켓(220) 및 제2가스켓(230) 2중 구조는 다양한 방법으로 형성할 수 있으며, 대표적으로 2중 사출성형을 제시할 수 있다. 즉, 강화 플라스틱이나 고경도 고무 등으로 1차 사출성형하여 채널 및 매니폴드를 포함하는 금속 본체에 강성을 부여하는 제1가스켓을 형성한 후, 실리콘 고무 등으로 2차 사출성형하여 제1가스켓 상에 금속 본체에 기밀성을 부여하는 제2가스켓을 형성하는 것이다.
도 3은 본 발명에 따른 2중 구조를 갖는 가스켓이 적용된 연료전지용 금속 분리판의 예를 도시한 평면도이다.
도 3을 참조하면, 금속 분리판은 직사각형 형태의 금속 본체(300)를 기준으로 길이 방향의 일측에 제1반응가스 유입 매니폴드(320), 냉각수 유입 매니폴드(324) 및 제2반응가스 유입 매니폴드(328)가 형성되어 있다. 상기 일측과 대향하는 타측에는 제1반응가스 배출 매니폴드(360), 냉각수 배출 매니폴드(364) 및 제2반응가스 배출 매니폴드(368)가 형성되어 있다. 금속 본체(300)의 중심부에는 반응가스 채널(340) 및 냉각수 채널(345)이 형성되어 있다. 여기서, 도 3에서는 직사각형 형태의 금속 본체(300)의 장방향의 일부를 생략하였다.
반응가스 채널(340)은 금속 본체의 제1면에서 제2면으로 돌출되는 형태로, 프레스 기계에 의한 스탬핑 공정으로 형성될 수 있으며, 냉각수 채널(345)은 반응가스 채널(340)의 둘출된 부분 사이에 형성된다.
다음으로, 제1반응가스 유입 매니폴드(320), 냉각수 유입 매니폴드(324) 및 제2반응가스 유입 매니폴드(328)는 일체화된 고분자 틀 구조에 의해 정의될 수 있다. 마찬가지로, 제1반응가스 배출 매니폴드(360), 냉각수 배출 매니폴드(364) 및 제2반응가스 배출 매니폴드(368) 역시 일체화된 고분자 틀 구조에 의해 정의될 수 있다.
이때, 제1반응가스 유입 매니폴드(320), 냉각수 유입 매니폴드(324) 및 제2반응가스 유입 매니폴드(328)는 금속 본체 자체에서 최초부터 분할된 것들이 아닐 수 있다. 즉, 금속 본체 자체는 하나의 매니폴드로 형성될 수 있고, 이후, 매니폴드 형성을 위한 틀 구조에서 제1반응가스 유입 매니폴드(320) 및 냉각수 유입 매니폴드(324)를 분할하는 하나의 분할부(322)와, 냉각수 유입 매니폴드(324) 및 제2반응가스 유입 매니폴드(328)를 분할하는 다른 하나의 분할부(326)를 포함함으로써 복수의 매니폴드로 분할될 수 있다. 이는 제1반응가스 배출 매니폴드(360), 냉각수 배출 매니폴드(364) 및 제2반응가스 배출 매니폴드(368)에서도 분할부들(362,366)을 통하여 마찬가지로 적용될 수 있다.
또한, 복수의 매니폴드(320,324,328,360,364,368)와 반응가스 채널(340) 사이의 영역에는 반응가스 유입홀(335) 및 반응가스 배출홀(350)이 형성된다.
이러한 구조의 금속 분리판은 분할부들(322,326,362,366) 및 반응가스 유출입홀들(335,350)이 금속 본체에 형성되는 것이 아니라, 매니폴드 형성을 위한 고분자 틀 구조에 일체화할 수 있으므로, 금속 분리판 전체의 강성 및 기밀성을 보다 향상시킬 수 있는 장점이 있으며, 이러한 금속 분리판의 특성 향상을 통하여 연료전지의 전지 효율, 수명 특성 등도 향상시킬 수 있다.
한편, 반응가스 채널(340) 및 냉각수 채널(345)을 포함하는 채널이 형성되는 채널 영역의 4측면과 복수의 매니폴드들 각각이 기밀성을 확보하도록 하는 가스켓이 형성된다. 이때, 가스켓은 채널 영역 및 복수의 매니폴드 각각의 테두리를 에워싸도록 형성되는 제1가스켓(330) 및 상기 제1가스켓(330) 상에 형성되는 제2가스켓(331)의 2중 구조로 형성된다.
제1가스켓(330)은 강화 플라스틱이나 고경도 고무 등으로 형성되어 금속 본체(300)의 강성을 부여하는 역할을 하고, 제1가스켓(330) 상에 형성되는 제2가스켓(331)은 실리콘 고무와 같은 기밀성을 부여할 수 있는 재질로 형성되어 채널 및 복수의 매니폴드 각각에 기밀성을 부여한다. 이러한 제1가스켓(330) 및 제2가스켓(331)은 전술한 바와 같이 이중사출이나 기타 다른 방법 등을 통하여 형성될 수 있다.
도 3에 도시된 구조로 형성되는 연료전지용 금속 분리판은 복수개가 적층 결합되어 연료전지 스택을 형성하게 되는데, 이때 각 금속 분리판 사이의 영역에 전기 생산을 위한 막-전극 접합체(Membrane Electrode Assembly; MEA)가 삽입된다. 여기서, 도 3에 도시된 분리판의 구조, 특히 2중 가스켓 구조(330,331)는 각 금속 분리판 사이 또는 금속 분리판과 막-전극 접합체 사이의 기밀성을 향상시킬 수 있고, 이에 따라 안정적인 반응가스의 공급 및 배출을 수행할 수 있다.
여기서, 제1반응가스 유입 매니폴드(320) 및 제2반응가스 유입 매니폴드(328)는 금속 본체(300)의 반응가스 채널(340)에 수소 또는 산소와 같은 반응가스를 공급하는 역할을 한다. 이때, 제1반응가스 유입 매니폴드(320)를 통하여 반응가스 채널(340)에 공급되는 제1반응가스가 산소일 경우 제2반응가스 유입 매니폴드(328)를 통하여 반응가스 채널(340)에 공급되는 제2반응가스는 수소가 되고, 반대로 제1반응가스가 수소일 경우 제2반응가스는 산소가 된다.
한편, 냉각수 유입 매니폴드(324)를 통해 금속 본체(300)로 유입된 냉각수는 냉각수 채널(345)을 따라 흐르면서 연료전지의 반응열을 냉각하고, 냉각수 배출 매니폴드(364)를 통해 금속 본체(300) 외부로 배출된다.
각각의 반응가스 유입 매니폴드(320,328)로 유입된 반응가스를 반응가스 채널(340)로 유도시키고, 금속 본체(300) 표면을 따라서 흐르도록 하여 전극(미도시)과 반응시킨다. 이때, 연료전지 스택에서는 상기 금속 본체(300)와 전극 사이에 가스확산층(Gas Diffusion Layer; GDL)을 더 형성하여 반응가스들의 유동이 더 용이해 질 수 있도록 할 수 있다.
금속 재질의 금속 본체(300)는, 연료전지의 스택 부피를 줄이기 위해 두께 0.3mm 이하의 박판형으로 형성될 수 있으며, 이 경우에도 본 발명에 따른 2중 가스켓 구조, 특히 강화 플라스틱이나 고경도 고무 등과 같은 재질의 제1가스켓(330)을 통하여 금속 본체(300)에 강성이 부여되어 금속 본체(300)의 변형을 최대한 방지할 수 있으며, 또한 매니폴드 부분의 변형 방지 및 스프링백 저감 효과를 얻을 수 있다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 하여 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다.
따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 아래의 특허청구범위에 의해서 정하여져야 할 것이다.

Claims (8)

  1. 채널 및 매니폴드를 포함하는 금속 본체의 상기 채널 및 매니폴드 각각의 테두리 영역에 형성되어, 상기 금속 본체에 강성을 부여하는 제1가스켓; 및
    상기 제1가스켓 상에 형성되어, 상기 채널 및 매니폴드에 기밀성을 부여하는 제2가스켓;을 포함하는 것을 특징으로 하는 금속 분리판용 가스켓.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1가스켓은 강화 플라스틱 또는 고경도 고무 재질로 형성된 것을 특징으로 하는 금속 분리판용 가스켓.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 강화 플라스틱은 불포화 폴리에스터(unsaturated polyesters) 수지, 에폭시(epoxy) 수지, 폴리이미드(polyimide) 수지, 페놀(phenol) 수지 중 선택되는 적어도 1종의 매트릭스 수지에 유리섬유(glass fiber), 탄소섬유(carbon fiber) 및 방향족 나일론섬유(aromatic nylon fiber) 중 선택되는 적어도 1종의 보강재가 첨가되어 있는 것을 특징으로 하는 금속 분리판용 가스켓.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제2가스켓은 고무 재질로 형성된 것을 특징으로 하는 금속 분리판용 가스켓.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 금속 본체는 0.3mm 이하의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 금속 분리판용 가스켓.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 채널은 반응가스 채널 및 냉각수 채널을 포함하고,
    상기 매니폴드는 반응가스 매니폴드 및 냉각수 매니폴드를 포함하는 것을 특징으로 하는 금속 분리판용 가스켓.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제2가스켓은 상기 제1가스켓에 두께방향으로 일부가 매립되어 있는 것을 특징으로 하는 금속 분리판용 가스켓.
  8. 채널 및 매니폴드를 포함하는 금속 본체에 강성을 부여하는 제1가스켓을 형성하는 단계; 및
    상기 제1가스켓 상에 상기 금속 본체에 기밀성을 부여하는 제2가스켓을 형성하는 단계;를 포함하고,
    상기 제1가스켓 및 제2가스켓은 사출성형에 의해 각각 형성되는 것을 특징으로 하는 금속 분리판용 가스켓 형성 방법.
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