KR102159489B1

KR102159489B1 - 연료전지용 가스켓 제조용 금형

Info

Publication number: KR102159489B1
Application number: KR1020170081100A
Authority: KR
Inventors: 박희관; 정혜미; 양재춘
Original assignee: 주식회사 엘지화학
Priority date: 2017-06-27
Filing date: 2017-06-27
Publication date: 2020-09-25
Also published as: KR20190001304A

Abstract

본 발명은 연료전지용 가스켓 제조용 금형에 관한 것으로, 본 발명의 일 측면에 따르면, 채널부가 마련된 중앙부 및 중앙부를 둘러싸는 가장자리를 갖는 분리판의 일면에 가스켓을 성형하기 위한 금형으로서, 분리판의 일면과 마주하는 면에, 가장자리를 따라 연장 형성된 제1 홈부; 및 제1 홈부 내에, 가장자리 측에서 중앙부 측으로 연장되고, 중앙부를 향하는 방향을 따라 분리판의 일면으로부터 멀어지도록 마련된 제2 홈부를 포함하는 연료전지용 가스켓 제조용 금형이 제공된다.

Description

연료전지용 가스켓 제조용 금형{Mold for manufacturing fuel cell gasket}

본 발명은 연료전지용 가스켓 제조용 금형에 관한 것이다.

일반적으로 연료전지(fuel cell)는 연료와 산화제의 전기 화학반응을 통해 전기에너지를 발생시키는 에너지 변환 장치이며, 연료가 계속적으로 공급되는 한 지속적으로 발전이 가능한 장점이 있다.

수소 이온을 투과시킬 수 있는 고분자막을 전해질로 사용하는 고분자 전해질 연료전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell, PEMFC)는 다른 형태의 연료전지에 비해 낮은 약 100℃ 이하의 작동온도를 가지며, 에너지 전환 효율과 출력밀도가 높고 응답특성이 빠른 장점이 있다. 뿐만 아니라, 소형화가 가능하기 때문에 휴대용, 차량용 및 가정용 전원장치로 제공될 수 있다.

고분자 전해질 연료전지 스택은 고분자 물질로 구성된 전해질막을 중심으로 애노드(anode)와 캐소드(cathode)가 각각 도포되어 형성된 전극층을 구비하는 막-전극 접합체(Membrane Electrode Assembly, MEA), 반응 기체들을 반응 영역 전체에 걸쳐 고르게 분포시키고, 애노드 전극의 산화반응에 의해 발생된 전자를 캐소드 전극 쪽으로 전달하는 역할의 가스 확산층(Gas Diffusion Layer, GDL), 반응 기체들을 가스 확산층으로 공급하고, 전기화학반응에 의해 발생된 물을 외부로 배출시키는 분리판(bipolar plate), 분리판 또는 막-전극 접합체의 반응 영역 외주에 배치되어 반응 기체 및 냉각수의 누출을 방지하는, 탄성을 갖는 고무 소재의 가스켓(gasket)을 포함할 수 있다.

도 1은 일반적인(종래) 분리판(100) 및 가스켓(200)을 나타내는 평면도이고, 도 2는 바이패스 구간(L)을 나타내는 도 1의 확대도이며, 도 3은 가스켓(200)을 성형하는 방법을 설명하기 위한 개략도이고, 도 4는 도 3에 도시된 금형(300)을 나타내는 요부 사시도이다.

연료전지 스택 제작에 있어서, 전지 스택 부피를 줄이기 위하여 금속 분리판(100)이 사용되고 있으며, 금속 분리판(100)은 스탬핑(stamping) 공정으로 유로(채널부)를 형성한다. 이때, 스탬핑 분리판(100)은 실링(sealing)을 위해 분리판 상에 가스켓(200) 성형 공정을 거치게 된다. 가스켓(200)은 탄성 복원력이 우수한 실리콘계, 불소계 등을 사용하는데, 금속 분리판(100)의 경우 가스켓(200)을 위치시키기 위한 홈 형성이 어렵고, 고무 재질의 가스켓(200)을 접착시키기 어렵기 때문에, 액상 고무 소재를 도포, 사출하여 금속 분리판(100) 표면에서 경화하여 접착시키는 방법이 사용된다.

분리판(100)은 중앙부에 채널부(110)를 가지며, 채널부(110) 측으로 반응 가스를 공급하기 위한 공급 매니폴드와 이어진 분배홀(120)을 갖는다.

또한, 분리판(100)의 가장자리에 가스켓(200)이 위치하게 되며, 가스켓(200)은 채널부(110)에서 소정 간격(L)만큼 이격된 위치에 마련된다.

이는 금형(300)의 격벽 두께(d)로 인해 그 두께만큼 최소한 이격되어 있어야 금형(300)에 의해 분리판(100)의 채널부(110)가 파손되지 않으며, 가스켓(200) 성형 시 분리판(100)과 금형(300) 배치간 발생할 수 있는 오차를 감안하여 금형 두께(d) 보다 큰 간격(L)으로 이격시켜야 금형(300)에 의한 분리판(100)의 손상을 방지할 수 있다. 또한, 금형(300)은 가스켓 원료가 유동하는 제1 홈(310)을 가지며, 제1 홈(310)의 두께(t)는 가스켓(200)의 두께와 동일하게 형성된다.

이와 같이 채널부(110)와 제1 홈(310) 사이의 간격(L)만큼 이격 거리가 발생하게 된다. 이러한 이격거리(L)로 인해, 가스켓(200)과 채널부(110) 사이에, 바이패스 구간(유로)이 형성된다. 도 1에서, 도면부호 A는 원하는 유체방향을 나타내고, B는 바이패스 유체방향을 나타낸다. 이러한 바이패스 구간으로 흘러가는 유체는 반응에 사용되지 않고, 그래도 출구 나가버리게 된다.

바이패스 되는 연료가 많을수록 연료전지의 성능이 떨어지게 되며, 스택 전압 강하를 일으키게 된다.

그러나 가스켓 성형 시 바이패스 구간을 줄여야 하지만, 금형으로 가스켓을 제작하는 이상 스탬핑 분리판의 손상을 방지하기 위하여 가스켓 사출 위치와 채널부(110) 사이 간격을 최소한으로 유지하여야 하는 제약이 따른다.

본 발명은 가스켓과 채널부 사이에 형성된 바이패스 구간을 최소로 하여 반응가스 이용률 및 출력을 향상시킬 수 있는 연료전지용 가스켓 제조용 금형을 제공하는 것을 해결하고자 하는 과제로 한다.

상기한 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 일 측면에 따르면, 채널부가 마련된 중앙부 및 중앙부를 둘러싸는 가장자리를 갖는 분리판의 일면에 가스켓을 성형하기 위한 금형으로서, 분리판의 일면과 마주하는 면에, 가장자리를 따라 연장 형성된 제1 홈부 및 제1 홈부 내에, 가장자리 측에서 중앙부 측으로 연장되고, 중앙부를 향하는 방향을 따라 분리판의 일면으로부터 멀어지도록 마련된 제2 홈부를 포함하는 연료전지용 가스켓 제조용 금형이 제공된다.

이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명의 적어도 일 실시예와 관련된 연료전지용 가스켓 제조용 금형은 다음과 같은 효과를 갖는다.

금형을 이용하여 분리판의 일면에 가스켓을 성형 시, 분리판에 손상을 가하지 않도록 금형과의 최소 거리를 확보한 상태에서, 가스켓과 분리판의 채널부 사이에 형성된 바이패스 구간을 최소로 하여 반응가스 이용률 및 출력을 향상시킬 수 있다.

도 1은 일반적인 분리판 및 가스켓을 나타내는 평면도이다.
도 2는 바이패스 구간을 나타내는 도 1의 확대도이다.
도 3은 가스켓을 성형하는 방법을 설명하기 위한 개략도이다.
도 4는 도 3에 도시된 금형을 나타내는 요부 사시도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예와 관련된 분리판 및 가스켓을 나타내는 평면도이다
도 6은 도 5에 도시된 가스켓을 성형하는 방법을 설명하기 위한 개략도이다.
도 7은 도 6에 도시된 금형을 나타내는 요부 사시도이다.
도 8은 도 7에 도시된 금형의 모식도이다.
도 9는 본 발명의 또 다른 실시예와 관련된 가스켓을 나타내는 측면도이다.
도 10은 종래 가스켓과 본 발명에 따른 가스켓의 효과를 비교하기 위한 그래프이다.

이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지용 가스켓 제조용 금형을 첨부된 도면을 참고하여 상세히 설명한다.

또한, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 대응되는 구성요소는 동일 또는 유사한 참조번호를 부여하고 이에 대한 중복 설명은 생략하기로 하며, 설명의 편의를 위하여 도시된 각 구성 부재의 크기 및 형상은 과장되거나 축소될 수 있다.

도 5는 본 발명의 일 실시예와 관련된 분리판 및 가스켓을 나타내는 평면도이고, 도 6은 도 5에 도시된 가스켓을 성형하는 방법을 설명하기 위한 개략도이다.

또한, 도 7은 도 6에 도시된 금형을 나타내는 요부 사시도이고, 도 8은 도 7에 도시된 금형의 모식도이며, 도 9는 본 발명의 또 다른 실시예와 관련된 가스켓을 나타내는 측면도이다.

또한, 도 10은 종래 가스켓과 본 발명에 따른 가스켓의 효과를 비교하기 위한 그래프이다.

본 발명의 일 실시예와 관련된 연료전지용 가스켓 제조용 금형(400)은 채널부(110)가 마련된 중앙부 및 중앙부를 둘러싸는 가장자리를 갖는 분리판의 일면에 가스켓(200)을 성형하기 위한 금형이다.

또한, 본 발명의 일 실시예와 관련된 가스켓(200)은 바이패스 차단부(210)를 가지며, 상기 금형(400)은 바이패스 차단부(210)를 성형할 수 있는 구조를 갖는다.

도 5를 참조하면, 가스켓(200)의 바이패스 차단부(210)는 바이패스 구간을 가로막도록 형성되며, 이에 따라 연료가 바이패스 구간으로 유입되는 것을 방지할 수 있다. 또한, 상기 바이패스 차단부(210)는 분리판(100)의 일면에 복수로 구비될 수 있고, 예를 들어, 공급 매니폴드 측 및 출구 매니폴드 측에 각각 구비될 수 있다.

상기 금형(400)은 분리판(100)의 일면과 마주하는 면에, 가장자리를 따라 연장 형성된 제1 홈부(410)를 포함한다. 상기 제1 홈부(410)를 통해 가스켓 원료가 유동하며, 분리판(100)의 가장자리 방향을 따라 띠 형상의 가스켓이 성형된다.

또한, 상기 금형(400)은 제1 홈부(410) 내에, 분리판의 가장자리 측에서 중앙부(채널부 측) 측으로 연장되고, 분리판의 중앙부를 향하는 방향을 따라 분리판(100)의 일면으로부터 멀어지도록 마련된 제2 홈부(450)를 포함한다. 제2 홈부(450)에 가스켓 원료가 유입되며, 전술한 바이패스 차단부(210)가 형성된다.

또한, 제2 홈부(450)는 제1 홈부(410)에 대하여 소정 각도(θ)로 기울어질 수 있다. 도 6을 참조하면, 금형(400)과 채널부(110)의 최소 간격(L)을 확보한 상태에서, 바이패스 차단부(210)의 길이는 H/cos(θ)가 된다. 그 결과, 가스켓(200) 성형 후, 금형(400) 제거 시 바이패스 차단부(210)의 길이는 H보다 크게 되며, 바이패스 구간을 차단할 수 있다. 상기 부호 H는 제2 홈부(450)를 분리판(100)의 일면에 정사영 시켰을 때, 분리판 상의 그 길이를 나타낸다.

예를 들어, 금형(400)과 채널부(110)의 최소 간격(L)이 1mm, H가 1mm인 경우, 각도(θ)가 60°이면, 바이패스 차단부(210)의 길이는 2mm가 되므로, 바이패스 차단부(210)와 채널부(110)의 이격거리는 0mm가 된다. 하지만, 스택 압축 시 가스켓(200) 및 바이패스 차단부(210)의 팽창되는 길이를 고려하여 약간의 마진을 부여하는 것이 바람직하다.

한편, 상기 각도(θ)를 작게 하면, H 길이를 증가시켜야 하고, 가스켓 성형 완료 후, 금형(400)을 수직으로 제거하여야 하므로, 바이패스 차단부(210)에 손상이 발생할 수도 있다. 이와 다르게, 상기 각도(θ)를 크게 하면, 금형(400)의 탈착을 용이해지고, H 길이를 줄일 수 있지만, 바이패스 차단부(210) 부착시 가스켓 응력에 의해 잘 붙지 않을 수도 있으므로, 적절한 각도를 설정하는 것도 중요하다.

또한, 제1 홈부(410)를 따라 유동하는 가스켓 원료가 제2 홈부(450)에도 유입될 수 있도록, 제1 홈부(410)와 제2 홈부(450)는 연통된다.

또한, 제2 홈부(450)는 소정 각도(θ)의 경사면을 갖는다. 또한, 제1 홈부(410)와 제2 홈부(450)의 두께는 서로 다르게 형성될 수 있다. 이때, 가장자리 측 띠 형상의 가스켓(200)의 두께와 바이패스 차단부(210)의 두께는 서로 달라질 수 있다. 또한, 제1 홈부(410), 제2 홈부(450)의 입구 영역(440, 연통 영역) 및 제2 홈부(450)의 두께를 조절하여, 바이패스 차단부(210)도 길이방향을 따라 서로 다른 두께(t1, t2)를 갖도록 마련될 수 있다(도 9 참조). 이러한 경우, 바이패스 차단부(210)는 길이방향을 따라 서로 다른 두께를 갖는 복수의 영역(210a, 210b, 210c)으로 구분될 수 있다.

또한, 제2 홈부(450)의 두께는 제1 홈부(410)의 두께보다 작을 수 있다.

또한, 상기 금형(400)은 제1 홈부(410) 및 제1 홈부(410) 내에, 중앙부 측으로 갈수록 제1 홈부에서 멀어지는 제1 경사면(421)을 갖는 함몰부(420)가 각각 마련된 제1 부재를 포함한다. 또한, 제1 부재에 장착되고, 제1 경사면(421)과 마주하는 제2 경사면(431)을 갖는 제2 부재(430)를 포함한다. 이때, 제2 부재(430)는, 제1 경사면(421)과 제2 경사면(431)이 소정 간격 이격되도록 함몰부(420)에 삽입되어, 제2 홈부(450를 형성한다. 또한, 제1 경사면(421)과 제2 경사면(431) 사이의 공간은 제2 홈부(450)를 형성한다. 또한, 제1 경사면(421)과 제2 경사면(431)은 동일한 경사를 가질 수 있다. 제1 경사면(421)과 제2 경사면(431) 사이 간격은 제1 홈부(410)의 두께보다 작을 수 있다.

또한, 제2 부재(430)는 제2 경사면(431) 양 측에 제1 경사면(421)과 접촉하는 격벽(432)을 갖는다. 또한, 상기 격벽(432)의 높이(t)만큼 제1 경사면(421)과 제2 경사면(431) 사이는 이격될 수 있다.

도 10을 참조하면, 기존예는 바이패스 차단부(210)를 갖지 않는 종래 가스켓을 사용한 경우의 그래프이고, 실시예는 바이패스 차단부(210)를 갖는 가스켓을 사용한 경우의 그래프이다.

도 10의 (a)를 참조하면, 바이패스 구간을 차단한 후 저유량 구간에서 보이던 전압강하 현상이 발생하지 않음을 확인할 수 있고, 도 10의 (b)를 참조하면, 바이패스 구간을 차단함으로써 차압이 상승함을 확인할 수 있다.

위에서 설명된 본 발명의 바람직한 실시예는 예시의 목적을 위해 개시된 것이고, 본 발명에 대한 통상의 지식을 가지는 당업자라면 본 발명의 사상과 범위 안에서 다양한 수정, 변경, 부가가 가능할 것이며, 이러한 수정, 변경 및 부가는 하기의 특허청구범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다.

100: 연료전지용 분리판
110: 채널부
120: 공급 매니폴드
200: 가스켓
210: 바이패스 차단부
300, 400: 금형

Claims

채널부가 마련된 중앙부 및 중앙부를 둘러싸는 가장자리를 갖는 분리판의 일면에 가스켓을 성형하기 위한 금형으로서,
분리판의 일면과 마주하는 면에, 가장자리를 따라 연장 형성된 제1 홈부; 및
제1 홈부 내에, 가장자리 측에서 중앙부 측으로 연장되고, 중앙부를 향하는 방향을 따라 분리판의 일면으로부터 멀어지도록 마련된 제2 홈부를 포함하는 연료전지용 가스켓 제조용 금형.
제 1 항에 있어서,
제2 홈부는 제1 홈부에 대하여 소정 각도로 기울어진 연료전지용 가스켓 제조용 금형.
제 1 항에 있어서,
제1 홈부와 제2 홈부는 연통된 연료전지용 가스켓 제조용 금형.
제 1 항에 있어서,
제2 홈부는 경사면을 갖는 연료전지용 가스켓 제조용 금형.
제 1 항에 있어서,
제1 홈부와 제2 홈부의 두께는 서로 다른 연료전지용 가스켓 제조용 금형.
제 5 항에 있어서,
제2 홈부의 두께는 제1 홈부의 두께보다 작은 연료전지용 가스켓 제조용 금형.
제 1 항에 있어서,
제1 홈부 및 제1 홈부 내에, 중앙부 측으로 갈수록 제1 홈부에서 멀어지는 제1 경사면을 갖는 함몰부가 각각 마련된 제1 부재;
제1 부재에 장착되고, 제1 경사면과 마주하는 제2 경사면을 갖는 제2 부재를 포함하며,
제1 경사면과 제2 경사면 사이의 공간은 제2 홈부를 형성하는 연료전지용 가스켓 제조용 금형.
제 7 항에 있어서,
제2 부재는 제2 경사면 양 측에 제1 경사면과 접촉하는 격벽을 갖는 연료전지용 가스켓 제조용 금형.
제 7 항에 있어서,
제1 경사면과 제2 경사면은 동일한 경사를 갖는 연료전지용 가스켓 제조용 금형.
제 7 항에 있어서,
제1 경사면과 제2 경사면 사이 간격은 제1 홈부의 두께보다 작은 연료전지용 가스켓 제조용 금형.