KR101199736B1 - 연료전지용 구성 부품 - Google Patents

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Abstract

MEA(2)에 대하여 개스킷(3)을 일체 성형하여 이루어지는 연료전지용 구성부품(1)으로서, 개스킷(3)의 성형을 1회로 마무리할 수 있으며, MEA(2)에 스루홀을 형성할 필요가 없고, MEA(2) 압축시의 클램핑력이 작아도 좋은 연료전지용 구성부품(1)을 제공한다. 이것을 위하여, 한 쌍의 세퍼레이터(4) 사이에 배치되어 셀 조립시에 압축되는 MEA(2)와, MEA(2)의 외주 가장자리부에 개스킷 성형재료인 고무의 일부를 함침시킴으로써 형성된 고무 함침부(5)와, 상기 고무 함침부(5)의 외주 측에 일체 성형된 상기 고무로 이루어지는 평 개스킷부(6)와, 상기 평 개스킷부(6) 상에 형성된 립(7) 및 상기 립(7) 압축시의 여유공간을 위한 오목부(8)를 가진다. 고무 함침부(5) 및 평 개스킷부(6)의 두께(d3)를 셀 조립시에서의 상기 MEA(2)의 두께(d2)와 동일하게 설정한다.

Description

연료전지용 구성 부품{COMPONENT FOR CONSTITUTING FUEL CELL}
본 발명은, 연료전지의 구성 요소를 이루는 연료전지용 구성 부품에 관한 것으로서, 더욱 구체적으로는, MEA에 대하여 개스킷(gasket)을 일체로 성형하여 이루어지는 연료전지용 구성 부품에 관한 것이다.
연료전지 스택(stacks) 내의 각 셀(cell)의 가스 유로용 개스킷으로서는, 고무 등의 탄성체로 이루어지는 개스킷을 세퍼레이터(separator) 상에 일체로 성형하는 구조가 가장 일반적이다. 또, MEA의 일부를 이루는 다공질재로 이루어지는 GDL 상에 개스킷의 립(lip)을 형성하는 동시에 GDL의 립 형성부에 액상 고무를 함침(含浸)시킴으로써 GDL 단독으로의 시일성(sealing capability)을 확보하는 것으로 세퍼레이터에 대한 시일성형을 없애고, 셀 구조의 간소화를 도모하는 기술도 개발되어 있다(특허 문헌 1 참조).
그러나, 상기 종래 기술의 경우, MEA의 이온교환막 양측의 GDL에 대하여 각각 함침/립 형성을 행할 필요가 있기 때문에, 개스킷의 성형이 2회 필요하거나, 또는, 성형을 1회로 마무리하려고 하면 MEA에 스루홀을 형성하지 않으면 안되는 등의 문제점이 있다. 또, 함침상태에 의한 누설이 염려되는 동시에, MEA 압축시에 GDL의 함침부 반력(反力)에 의한 과대한 클램핑력(clamping force)을 필요로 하는 문제점 도 있다.
[특허문헌 1] 일본 특허 공개 2004-95565호 공보
본 발명은 이상의 점을 감안하여, MEA에 대하여 개스킷을 일체 성형하여 이루어지는 연료전지용 구성부품에 있어서, 개스킷의 성형을 1회로 마무리할 수 있으며, MEA에 스루홀을 형성할 필요가 없고, MEA 압축시의 클램핑력이 작아도 무방한 연료전지용 구성 부품을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 연료전지용 구성부품은, MEA에 대하여 개스킷을 일체 성형하여 이루어지는 연료전지용 구성부품에 있어서, 한 쌍의 세퍼레이터 사이에 배치되어 셀 조립시에 압축되는 MEA와, 상기 MEA의 외주 가장자리부에 개스킷 성형재료인 고무의 일부를 함침시킴으로써 형성된 고무 함침부와, 상기 고무 함침부의 외주(外周) 측에 일체 성형된 상기 고무로 이루어지는 평(平, flat) 개스킷부와, 상기 평 개스킷부 상에 형성된 립 및 상기 립 압축시의 여유공간(clearance)을 위한 오목부를 가지며, 상기 고무 함침부 및 평 개스킷부의 두께를 셀 조립시에서의 상기 MEA의 두께와 동일하게 설정한 것을 특징으로 하는 것이다.
상기 구성을 구비한 본 발명의 연료전지용 구성 부품에 있어서는, MEA의 외주 가장자리부에 고무 함침부가 형성되는 동시에 그 외주 측에 평 개스킷부가 형성되며, 평 개스킷부 상에 립 및 오목부가 형성되는 구조이므로, MEA의 평면 양측이 아니라, MEA의 외주부에 개스킷이 일괄하여 일체 성형되게 된다. 또, 고무 함침부 및 평 개스킷부의 두께가 셀 조립시에서의 MEA의 두께와 동일하게 설정되는 구조이므로, 셀 조립시, MEA와 개스킷의 립은 압축되지만, 고무 함침부 및 평 개스킷부는 압축되지 않게 된다.
본 발명은 이하의 효과를 나타낸다.
즉, 상기한 바와 같이 본 발명에서는, MEA의 외주부에 개스킷이 일괄하여 일체 성형되므로, 개스킷의 성형을 1회로 마무리할 수 있으며, MEA에 스루홀을 형성할 필요가 없다. 또한, 셀 조립시, MEA와 개스킷의 립은 압축되지만, 고무 함침부 및 평 개스킷부는 압축되지 않기 때문에, 이들이 전부 압축되는 경우와 비교하여, MEA 압축시의 클램핑력을 작게 할 수 있다. 따라서, 이들로부터 소기의 목적대로, MEA에 대하여 개스킷을 일체 성형하여 이루어지는 연료전지용 구성부품에 있어서, 개스킷의 성형을 1회로 마무리할 수 있으며, MEA에 스루홀을 형성할 필요가 없고, MEA 압축시의 클램핑력이 작아도 무방한 연료전지용 구성부품을 제공할 수 있다.
또한, 셀의 조립시에 MEA 및 립을 압축해가면, 이 MEA 및 립에 의한 반력이 발생하지만, MEA의 두께가 압축 예정값에 도달하면 고무 함침부 및 평 개스킷부가 압축되기 시작하기 때문에, 이러한 고무 함침부 및 평 개스킷부에 의한 반력이 MEA 및 립에 의한 반력에 가해지게 되어, 반력의 크기가 단번에 증대한다. 따라서, 이러한 현상을 셀 조립시의 정(定)치수 관리(dimension control)에 이용할 수 있게 되고, 즉 반력이 단번에 증가하는 시점에 압축을 정지함으로써, 셀 조립시의 치수 관리를 용이하게 행할 수 있다.
도 1은, 본 발명의 실시예에 관한 연료정지용 구성부품의 주요부 단면도로서, 도 1(A)는 셀 조립 전의 상태를 나타내는 주요부 단면도이고, 도 1(B)는 셀 조립시의 상태를 나타내는 주요부 단면도이다.
도 2는, 상기 연료전지용 구성 부품의 제조방법을 나타내는 설명도이다.
- 부호의 설명 -
1 연료전지용 구성 부품
2 MEA(Membrane-Electrode Assembly)
3 개스킷
4 세퍼레이터
5 고무 함침부
6 평 개스킷부
7 립
8 오목부
10 성형 몰드(forming mold)
11 파팅부(parting portion)
12, 13 공간
14 MEA 압축부
또한, 본건 출원에는 이하의 실시형태가 포함된다.
(1) MEA 둘레부 전체 둘레부에 MEA 압축시와 동일한 두께의 함침부를 형성하는 동시에, 그 외측에 평 개스킷을 형성, 또한 평 개스킷 상에 립 및 립 양쪽에 립 압축시의 여유공간을 위한 오목부를 가지는 구성으로 한다. 아울러 또, MEA 함침부 및 평 개스킷의 두께를 셀 조립시의 MEA와 동일한 두께로 한다.
(2) MEA 둘레부 전체 둘레 2mm 정도에 MEA 압축시와 동일한 두께의 함침부분을 형성하고, 그 외측에 평 개스킷을 형성한다. 또한, 평 개스킷 상에 립 및 립 양쪽에 립 압축시의 여유공간을 위한 오목부를 가지는 구성의 개스킷을 형성한다. 게다가, MEA 함침부 및 평 개스킷부 두께를 셀 조립시의 MEA 두께와 동일한 치수로 함으로써, 셀 조립시의 정치수 관리를 용이하게 행할 수 있는 것을 특징으로 한다.
(3) 상기 (1) 또는 (2)의 구성에 의하면, 셀 조립시에 립 부분만 압축하기 때문에, 낮은 클램핑력으로 조립이 가능함과 동시에, 함침부 및 고무 평 개스킷부의 두께가 셀 조립시의 MEA 압축 두께와 동일한 두께이므로, 정치수 관리를 용이하게 할 수 있다. 즉, 셀 조립시에 MEA를 압축할 때, 고무 함침부 및 고무 평 개스킷부를 압축하지 않고 립부분만 압축하기 때문에, 낮은 클램핑력으로 압축이 가능하게 된다. 또한, 함침부 및 평 개스킷부의 두께가 압축시 MEA의 두께와 동일한 두께이므로, 셀 조립시의 셀 두께를 정치수로 관리하는 경우에, 립부 반력과 평 개스킷 반력의 차이에 의해, 조립시의 치수 관리를 용이하게 행할 수 있다.
[실시예]
다음으로, 본 발명의 실시예를 도면에 따라서 설명한다.
도 1은, 본 발명의 실시예에 관한 연료전지용 구성 부품(MEA 일체 개스킷이라고도 한다)(1)의 주요부 단면도를 나타내고 있으며, 도 1(A)는 셀 조립 전의 상 태, 도 1(B)는 셀 조립시(즉, 셀 조립 후)의 상태를 각각 나타내고 있다.
도시한 바와 같이, 해당 실시예에 관한 연료전지용 구성 부품(1)은, MEA(막전극 복합체(2)에 대하여 개스킷(3)을 일체 성형하여 이루어지는 연료전지용 구성부품(1)으로서, 한 쌍의 세퍼레이터(4,4) 사이에 배치되어 셀 조립 시에 압축되는 MEA(2)를 가지고 있으며, 이 MEA(2)의 외주 가장자리부에 개스킷 성형재료인 고무의 일부를 함침시킴으로써 고무 함침부(5)가 형성되어 있다. 또, 이 고무함침부(5)의 외주측에 상기 고무로 이루어지는 평 개스킷부(6)가 일체 성형되어 있으며, 이 평 개스킷부(6)의 평면상에 세퍼레이터(4)에 밀착접촉하여 시일기능을 나타내기 위한 립(7)과, 립(7) 압축시에 이 립(7)의 변형을 허용하기 위한 오목부(8)가 형성되어 있다.
MEA(2)는, 예컨대 이온교환막의 상하 양면에 각각 전극층을 통하여 GDL(gas diffusion layer, 가스 확산층)을 배치한 것으로서, GDL이 카본 섬유(carbon fiber) 등의 다공질재에 의해 성형되어 있기 때문에, 그 내부에 고무를 함침시키는 것이 가능하게 되어 있으며, 또한 셀 조립시에 그 두께를 d1(도 1(A)) 내지 d2(도 1(B))로 줄이도록 압축되는 것이 가능하게 되어 있다. 셀 조립 전에서의 MEA(2)의 두께(d1)는, 예컨대 1mm 정도이며, 셀 조립시에서의 MEA(2)의 두께(d2)는, 예컨대 0.6 ~ 0.7mm 정도이다.
이와 같이 압축되어 두께가 변화하는 MEA(2)에 대하여, 고무 함침부(5) 및 평 개스킷부(6)는, 그 두께(d3)를 성형 당초부터 셀 조립시에서의 MEA(2)의 두 께(d2)와 동일하게 설정하고 있으며(d3 = d2), 이와 같이 치수 설정된 평 개스킷부(6)의 상하 양면에 각각 립(7)이 일체 성형되어 있고, 립(7)의 내,외주에 각각 오목부(8)가 형성되어 있다. 립(7)의 높이(h)는, 예컨대 0.3mm 정도로 되어 있다. 또, 고무 함침부(5)의 폭(w1)은, 예컨대 1 ~ 3mm 정도로 되어 있으며, 평 개스킷부(6)(즉 개스킷(3))의 폭(w2)은, 예컨대 3mm 정도로 되어 있다.
상기 구성의 연료전지용 구성 부품(1)을 제조하는데 있어서, 도 2에 나타내는 바와 같은 성형 몰드(10) 내부에 MEA(2)를 인서트(insert)하고, 이러한 상태에서 개스킷 성형재료인 고무를 주입하여 개스킷(3)을 성형한다. 일부의 고무는 MEA(2)의 외주부에 함침하여 고무 함침부(5)를 형성한다. 또한, 도시한 바와 같이 성형 몰드(10)의 파팅부(11)에는, MEA(2)를 인서트하기 위한 공간(12)이나 개스킷(3)을 성형하기 위한 공간(13) 외에, 함침을 막기 위한 돌기 형상을 나타내는 MEA 압축부(14)를 설치하는 것이 바람직하다.
상기 구성의 연료전지용 구성 부품(1)에 있어서는, 상기한 바와 같이 MEA(2)의 외주 가장자리부에 고무 함침부(5)가 형성되는 동시에 또한 그 외주측에 평 개스킷부(6)가 형성되어, 평 개스킷부(6)의 평면상에 립(7) 및 오목부(8)가 형성되는 구조이므로, 도 1(A)에 나타낸 바와 같이, MEA(2)의 평면 양측이 아니라 MEA(2)의 외주부에 개스킷(3)이 일괄하여 일체 성형된다. 따라서, 도시한 바와 같은 성형 몰드(10)를 이용하여 개스킷(3)의 성형을 1회로 마무리할 수 있으며, MEA(2)에 스루홀 등의 재료 연통부(material communicating portion)를 형성할 필요도 없다.
또한, 고무 함침부(5) 및 평 개스킷부(6)의 두께(d3)가 셀 조립시에서의 MEA(2)의 두께(d2)와 동일하게 설정되는 구조이므로, 도 1(B)에 나타낸 바와 같이, 셀 조립시, MEA(2)와 개스킷(3)의 립(7)은 압축되지만, 고무 함침부(5) 및 평 개스킷부(6)는 압축되지 않게 된다. 따라서, 이들 모두가 동시에 압축되는 경우와 비교하여, MEA(2) 압축시의 클램핑력을 작게 할 수 있다.
따라서, 이들로부터 소기의 목적대로, MEA(2)에 대하여 개스킷(3)을 일체 성형하여 이루어지는 연료전지용 구성부품(1)에 있어서, 개스킷(3)의 성형을 1회로 마무리할 수 있으며, MEA(2)에 스루홀 등을 형성할 필요가 없고, MEA(2) 압축시의 클램핑력이 작아도 무방한 연료전지용 구성부품(1)을 제공할 수 있다.
또, 이미 설명한 바와 같이, 압축시의 반력이 단번에 증대하는 현상을 이용하여 셀 조립시의 치수관리를 용이하게 행할 수도 있다.

Claims (1)

  1. MEA(2)에 대하여 개스킷(3)을 일체 성형하여 이루어지는 연료전지용 구성부품(1)으로서,
    한 쌍의 세퍼레이터(4) 사이에 배치되어 셀 조립시에 압축되는 MEA(2)와, 상기 MEA(2)의 외주(外周) 가장자리부에 개스킷 성형재료인 고무의 일부를 함침(含浸)시킴으로써 형성된 고무 함침부(5)와, 상기 고무 함침부(5)의 외주 측에 일체 성형된 상기 고무로 이루어지는 평(平, flat) 개스킷부(6)와, 상기 평 개스킷부(6) 상에 형성된 립(7) 및 상기 평 개스킷부(6)의 두께방향 내측으로 단차(段差)형상으로 형성된, 상기 립(7) 압축시의 여유공간(clearance)을 위한 오목부(8)를 가지며,
    상기 고무 함침부(5) 및 평 개스킷부(6)의 두께(d3)를 셀 조립시에서의 상기 MEA(2)의 두께(d2)와 동일하게 설정한 것을 특징으로 하는 연료전지용 구성부품.
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