KR20200072197A - 연료전지용 탄성체 셀 프레임 및 그 제조방법과 이를 이용한 단위 셀 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 한 쌍의 시트형 탄성체 프레임을 사용하여 별도의 접착부재 없이 막전극접합체 및 기체확산층과 일체로 접합되는 연료전지용 탄성체 셀 프레임 및 그 제조방법과 이를 이용한 단위 셀에 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; 상기 인서트의 외곽영역에서 상기 인서트의 테두리 하면과 상면에 각각 배치되는 한 쌍의 시트형 탄성체 프레임이 상호 간에 열융착되어 일체로 형성되는 탄성체 프레임을 포함한다.
본 발명의 일 실시형태에 따른 연료전지용 탄성체 셀 프레임은 연료전지의 단위 셀을 구성하는 셀 프레임으로서, 막전극접합체와, 그 양면에 배치되는 한 쌍의 기체확산층이 접합된 인서트와; 상기 인서트의 외곽영역에서 상기 인서트의 테두리 하면과 상면에 각각 배치되는 한 쌍의 시트형 탄성체 프레임이 상호 간에 열융착되어 일체로 형성되는 탄성체 프레임을 포함한다.
Description
본 발명은 연료전지용 탄성체 셀 프레임 및 그 제조방법과 이를 이용한 단위 셀에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 한 쌍의 시트형 탄성체 프레임을 사용하여 별도의 접착부재 없이 막전극접합체 및 기체확산층과 일체로 접합되는 연료전지용 탄성체 셀 프레임 및 그 제조방법과 이를 이용한 단위 셀에 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 접합을 위하여 별도의 접착 부재 및 실링 부재가 필요하였다. 이러한 공정은 재료비용 및 생산비용을 상승시키는 원인이 되었다.
본 발명은 한 쌍의 시트형 탄성체 프레임을 사용하여 별도의 접착부재 없이 막전극접합체 및 기체확산층과 일체로 접합되는 연료전지용 탄성체 셀 프레임 및 그 제조방법과 이를 이용한 단위 셀을 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; 상기 인서트의 외곽영역에서 상기 인서트의 테두리 하면과 상면에 각각 배치되는 한 쌍의 시트형 탄성체 프레임이 상호 간에 열융착되어 일체로 형성되는 탄성체 프레임을 포함한다.
상기 탄성체 프레임은, 상기 인서트의 테두리 하면 및 측면을 둘러싸도록 배치되는 제 1 탄성체 프레임과; 상기 인서트의 테두리 상면 및 측면을 둘러싸도록 배치되어 상기 인서트의 외곽영역에서 상기 제 1 탄성체 프레임의 상면과 대면되는 제 2 탄성체 프레임으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
상기 제 1 탄성체 프레임에는 상기 인서트가 배치되는 제 1 반응면 관통홀이 형성되고, 상기 제 1 반응면 관통홀의 내주면에는 상기 인서트의 하면 및 측면을 감싸는 제 1 단턱부가 형성되며, 상기 제 2 탄성체 프레임에는 상기 인서트가 배치되는 제 2 반응면 관통홀이 형성되고, 상기 제 2 반응면 관통홀의 내주면에는 상기 인서트의 상면 및 측면을 감싸는 제 2 단턱부가 형성되는 것을 특징으로 한다.
상기 인서트, 제 1 탄성체 프레임 및 제 2 탄성체 프레임 사이에는, 상기 인서트의 외곽영역에서 상기 제 1 탄성체 프레임의 상면과 제 2 탄성체 프레임의 하면이 대면되어 열융착되는 제 1 융착부와; 상기 제 1 탄성체 프레임의 제 1 단턱부와 상기 인서트의 하면이 대면되어 열융착되는 제 2 융착부와; 상기 제 2 탄성체 프레임의 제 2 단턱부와 상기 인서트의 상면이 대면되어 열융착되는 제 3 융착부와; 상기 제 1 단턱부 및 제 2 단턱부와 상기 인서트의 측면이 대면되어 열융착되는 제 4 융착부가 형성되는 것을 특징으로 한다.
상기 제 1 탄성체 프레임의 일측에는 반응가스 및 냉각수가 유입되는 복수의 제 1 유입매니폴드 관통홀이 형성되고, 타측에는 반응가스 및 냉각수가 배출되는 복수의 제 1 배출매니폴드 관통홀이 형성되며, 상기 제 2 탄성체 프레임의 일측에는 상기 제 1 유입매니폴드 관통홀과 연통되는 복수의 제 2 유입매니폴드 관통홀이 형성되고, 타측에는 상기 제 1 배출매니폴드 관통홀과 연통되는 복수의 제 2 배출매니폴드 관통홀이 형성되는 것을 특징으로 한다.
상기 제 1 탄성체 프레임의 하면 및 상기 제 2 탄성체 프레임의 상면 중 적어도 어느 한 면에는 인서트의 외곽영역을 따라 상기 인서트를 둘러싸는 적어도 하나 이상의 돌기씰이 형성되는 것을 특징으로 한다.
상기 탄성체 프레임은, 상기 인서트의 테두리 하면 및 측면을 둘러싸도록 배치되고, 상기 인서트가 배치되는 제 3 반응면 관통홀이 형성되고, 상기 제 3 반응면 관통홀의 내주면에는 상기 인서트의 하면 및 측면을 감싸는 제 3 단턱부가 형성되는 제 3 탄성체 프레임과; 상기 인서트의 테두리 상면을 둘러싸도록 배치되어 상기 인서트의 테두리에서 상기 제 3 탄성체 프레임의 제 3 단턱부의 내주면과 대면되는 제 4 탄성체 프레임으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
상기 인서트, 제 3 탄성체 프레임 및 제 4 탄성체 프레임 사이에는, 상기 제 3 탄성체 프레임의 제 3 단턱부와 상기 인서트의 하면이 대면되어 열융착되는 제 5 융착부와; 상기 제 4 탄성체 프레임과, 상기 인서트의 상면이 대면되어 열융착되는 제 6 융착부와; 상기 제 3 탄성체 프레임의 제 3 단턱부와 상기 인서트의 측면이 대면되어 열융착되는 제 7 융착부와; 상기 제 3 탄성체 프레임의 제 3 단턱부와 상기 제 4 탄성체 프레임의 측면이 대면되어 열융착되는 제 8 융착부가 형성되는 것을 특징으로 한다.
상기 제 3 탄성체 프레임의 일측에는 반응가스 및 냉각수가 유입되는 복수의 제 3 유입매니폴드 관통홀이 형성되고, 타측에는 반응가스 및 냉각수가 배출되는 복수의 제 3 배출매니폴드 관통홀이 형성되며, 상기 제 4 탄성체 프레임는 상기 인서트와 외주면의 크기가 동일한 것을 특징으로 한다.
상기 제 3 탄성체 프레임의 하면 및 상면 중 적어도 어느 한 면에는 상기 인서트의 외곽영역을 따라 상기 인서트를 둘러싸는 적어도 하나 이상의 돌기씰이 형성되는 것을 특징으로 한다.
상기 탄성체 프레임을 형성하는 한 쌍의 시트형 탄성체 프레임은 상호 간에 대면되는 영역이 곡면으로 형성되는 것을 특징으로 한다.
상기 탄성체 프레임을 형성하는 한 쌍의 시트형 탄성체 프레임은 상호 간에 대면되는 영역이 서로 대응되는 요철구조로 형성되는 것을 특징으로 한다.
상기 탄성체 프레임을 형성하는 한 쌍의 시트형 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 시트형 탄성체 프레임을 준비하는 탄성체 프레임 준비단계와; 상기 인서트를 사이에 두고 상기 한 쌍의 탄성체 프레임을 배치하는 배치단계와; 상기 한 쌍의 탄성체 프레임에 열을 가하면서 압착하여 상호 간을 열융착시켜서 일체로 형성하는 접합단계를 포함한다.
상기 탄성체 프레임 준비단계에서 상기 탄성체 프레임은 열가소성 탄성체(TPE)를 시트의 형태로 성형하여 준비하는 것을 특징으로 한다.
상기 접합단계는 상기 한 쌍의 탄성체 프레임 사이에 상기 인서트가 개재된 상태에서 상기 인서트의 외곽영역에 해당되는 영역 중 일부 또는 전부에 열을 가하면서 압착하여 한 쌍의 탄성체 프레임을 접합시키는 것을 특징으로 한다.
상기 접합단계에서 한 쌍의 탄성체 프레임에 가해지는 열은 상기 탄성체 프레임의 용융온도보다 높은 온도인 것을 특징으로 한다.
상기 접합단계에서는 별도의 접착부재 없이 한 쌍의 탄성체 프레임이 상호 간에 열융착되면서 접합되는 것을 특징으로 한다.
한편, 본 발명의 일 실시형태에 따른 연료전지용 단위 셀은 막전극접합체와, 그 양면에 배치되는 한 쌍의 기체확산층이 접합된 인서트와; 상기 인서트의 외곽영역에서 상기 인서트의 테두리 하면과 상면에 각각 배치되는 한 쌍의 시트형 탄성체 프레임이 상호 간에 열융착되어 일체로 형성되는 탄성체 프레임을 포함하는 탄성체 셀 프레임과; 상기 셀 프레임의 양면에 배치되어 반응가스 및 냉각수를 유동을 유도하는 한 쌍의 분리판을 포함한다.
상기 탄성체 셀 프레임과 분리판은 상기 탄성체 셀 프레임이 열융착되어 접합되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시예에 따르면 다음과 같은 효과가 있다.
첫째, 분리판 또는 인서트와의 계면 접합을 위해 별도의 접착 부재가 불필요하고, 이에 따라 재료비 저감 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 저감 및 씰링 부재 성형 공정 등을 삭제하여 제조 비용을 절감할 수 있다.
셋째, 반응영역에서 생성된 수분이 전해질막을 통하여 셀 외부로 확산되는 것을 원천 차단할 수 있기에 셀 간 전기적 쇼트를 방지할 수 있고, 수분에 누출에 의한 연료전지 스택이 부식되는 것을 방지할 수 있다.
넷째, 반응영역 이외의 영역에 사용되던 전해질막을 사용하지 않아도 되기 때문에, 재료비 측면에서 원가를 절감시킬 수 있다.
다섯째, 종래의 플라스틱 프레임 대비 셀 피치 저감에 유리하고, 부피 저감을 통한 스택 소형화를 이룰 수 있다.
여섯째, 종래의 플라스틱 프레임에 접착 부재 및 실링 부재를 사용하는 것과 비교하여 중량 저감의 효과를 기대할 수 있다.
일곱째, 연료전지의 스택 적층시 일체화 공정 축소로 생산 라인 단순화 및 스택 생산성(셀 적층성)을 향상시킬 수 있다.
여덟째, 단위 셀 구성 부품을 금형 내 안착 후 열융착하여 일체화함으로써, 인서트와의 접합 정밀도를 향상시킬 수 있어 불량률 저감 및 대량생산을 기대할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지용 탄성체 셀 프레임을 보여주는 분해사시도이고,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지용 탄성체 셀 프레임을 보여주는 요부 단면도이며,
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지용 탄성체 셀 프레임을 보여주는 분해사시도이고,
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지용 탄성체 셀 프레임을 보여주는 요부 단면도이며,
도 5 및 도 6은 본 발명의 변형예에 따른 연료전지용 탄성체 셀 프레임을 보여주는 요부 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지용 탄성체 셀 프레임을 보여주는 요부 단면도이며,
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지용 탄성체 셀 프레임을 보여주는 분해사시도이고,
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지용 탄성체 셀 프레임을 보여주는 요부 단면도이며,
도 5 및 도 6은 본 발명의 변형예에 따른 연료전지용 탄성체 셀 프레임을 보여주는 요부 단면도이다.
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 일 실시예에 따른 연료전지용 탄성체 셀 프레임을 보여주는 분해사시도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지용 탄성체 셀 프레임을 보여주는 요부 단면도이다. 이때, 도 2는 도 1의 A-A에 대한 단면도이다.
도면에 도시된 바와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지용 탄성체 셀 프레임은 한 쌍의 분리판과 함께 연료전지의 단위 셀을 구성하는 요소로서, 막전극접합체(110)와 그 양면에 배치되는 한 쌍의 기체확산층(120)이 접합된 인서트(100)와; 열융착에 의해 상기 인서트(100)의 외곽영역에 일체로 형성되는 탄성체 프레임(210, 220)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.
탄성체 프레임(210, 220)은 인서트(100)의 기밀 유지 및 적층 공정에서의 편의를 위하여 인서트(100)의 외곽영역에 일체로 형성되는 수단으로서, 탄성체 프레임(210, 220)은 소정의 형상을 유지하면서 별도의 접착부재 없이 열융착에 의해 접착하기 위하여 열가소성 탄성체(TPE; Thermo Plastic Elastomer)로 형성된다.
부연하자면, 탄성체 프레임(210, 220)은 인서트(100)의 외곽영역에서 인서트(100)의 테두리 하면과 상면에 각각 배치되는 한 쌍의 시트형 탄성체 프레임(210, 220)이 상호 간에 열융착되어 일체로 형성된다. 여기서 인서트(100)의 '외곽영역'이란 인서트의 가장자리 영역과 그 주변의 공간을 포함하는 영역을 의미하고, 인서트(100)의 '테두리'란 인서트(100)의 가장자리 영역을 의미한다.
예를 들어, 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이 탄성체 프레임(210, 220)은 인서트(100)의 테두리 하면 및 측면을 둘러싸도록 배치되는 제 1 탄성체 프레임(210)과; 인서트(100)의 테두리 상면 및 측면을 둘러싸도록 배치되는 제 2 탄성체 프레임(220)으로 이루어진다. 이때 인서트(100)의 외곽영역에서 제 1 탄성체 프레임(210)의 상면과 제 2 탄성체 프레임(220)의 하면이 서로 대면된다.
특히, 제 1 탄성체 프레임(210)과 제 2 탄성체 프레임(220)에는 인서트(100)와의 기밀한 접착을 위하여 인서트(100)와의 계면을 확장시킬 수 있다.
예를 들어, 제 1 탄성체 프레임(210)에는 인서트(100)가 배치되는 제 1 반응면 관통홀(213)이 형성되고, 제 1 반응면 관통홀(213)의 내주면에는 인서트(100)의 하면 및 측면을 감싸는 제 1 단턱부(214)가 형성되며, 제 2 탄성체 프레임(220)에는 인서트(100)가 배치되는 제 2 반응면 관통홀(223)이 형성되고, 제 2 반응면 관통홀(223)의 내주면에는 인서트(100)의 상면 및 측면을 감싸는 제 2 단턱부(224)가 형성된다. 그래서 제 1 탄성체 프레임(210)과 제 2 탄성체 프레임(220)은 인서트(100)가 배치되는 면을 기준으로 서로 대칭되는 구조를 갖는다.
이에 따라, 인서트(100), 제 1 탄성체 프레임(210) 및 제 2 탄성체 프레임(220) 사이에는, 각각 계면에 열융착에 의한 융착부가 형성되어 상호간에 견고한 접합 및 일체화가 이루어진다.
부연하자면, 도 2에 도시된 바와 같이 인서트(100)의 외곽영역에서 제 1 탄성체 프레임(210)의 상면과 제 2 탄성체 프레임(220)의 하면이 대면되어 열융착되는 제 1 융착부(H1)와; 제 1 탄성체 프레임(210)의 제 1 단턱부(214)와 인서트(100)의 하면이 대면되어 열융착되는 제 2 융착부(H2)와; 제 2 탄성체 프레임(220)의 제 2 단턱부(224)와 인서트(100)의 상면이 대면되어 열융착되는 제 3 융착부(H3)와; 제 1 단턱부(214) 및 제 2 단턱부(224)와 인서트(100)의 측면이 대면되어 열융착되는 제 4 융착부(H4)가 형성된다.
한편, 탄성체 프레임(210, 220)에는 인서트(100)에 의해 형성되는 반응면으로 반응가스 및 냉각수를 유입시키고 배출시키는 매니폴드를 형성하기 위한 유입매니폴드 관통홀과 배출매니폴드 관통홀이 형성된다.
예를 들어 제 1 탄성체 프레임(210)의 일측에는 반응가스 및 냉각수가 유입되는 복수의 제 1 유입매니폴드 관통홀(211)이 형성되고, 타측에는 반응가스 및 냉각수가 배출되는 복수의 제 1 배출매니폴드 관통홀(212)이 형성된다. 그리고, 제 2 탄성체 프레임(220)의 일측에는 복수의 제 2 유입매니폴드 관통홀(221)이 형성되고, 타측에는 복수의 제 2 배출매니폴드 관통홀(222)이 형성된다.
그래서, 제 1 탄성체 프레임(210)에 형성된 복수의 제 1 유입매니폴드 관통홀(211)과 제 2 탄성체 프레임(220)에 형성된 복수의 제 2 유입매니폴드 관통홀(221)은 서로 대응되는 위치에 배치되어 서로 연통된다. 그리고, 제 1 탄성체 프레임(210)에 형성된 복수의 제 1 배출매니폴드 관통홀(212)과 제 2 탄성체 프레임(220)에 형성된 복수의 제 2 배출매니폴드 관통홀(222)도 서로 대응되는 위치에 배치되어 서로 연통된다.
한편, 탄성체 프레임(210, 220)에는 분리판과의 기밀 및 접착을 위한 수단이 형성될 수 있다.
예를 들어 제 1 탄성체 프레임(210)의 하면에는 인서트(100)의 외곽영역을 따라 인서트를 둘러싸는 적어도 하나 이상의 제 1 돌기씰(215)이 형성될 수 있다. 그리고 제 2 탄성체 프레임(220)의 상면에는 인서트(100)의 외곽영역을 따라 인서트(100)를 둘러싸는 적어도 하나 이상의 제 2 돌기씰(225)이 형성될 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 탄성체 프레임은 그 형상을 변경하여 구현될 수 있다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지용 탄성체 셀 프레임을 보여주는 분해사시도이고, 도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지용 탄성체 셀 프레임을 보여주는 요부 단면도이다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지용 탄성체 셀 프레임은 전술된 실시예와 마찬가지로 인서트(100)와 탄성체 프레임(310, 320)을 포함한다. 이때 인서트(100)는 전술된 실시예의 인서트(100)와 동일하다.
다만, 탄성체 프레임(310, 320)은 인서트(100)의 테두리 하면 및 측면을 둘러싸도록 배치되되는 제 3 탄성체 프레임(310)과; 인서트(100)의 테두리 상면을 둘러싸도록 배치되는 제 4 탄성체 프레임(320)으로 이루어진다. 이때 인서트(100)의 테두리에서 제 3 탄성체 프레임(310)의 측면과 제 4 탄성체 프레임(320)의 측면이 서로 대면된다.
예를 들어, 도 4에 도시된 바와 같이 제 3 탄성체 프레임(310)에는 인서트(100)가 배치되는 제 3 반응면 관통홀(313)이 형성되고, 제 3 반응면 관통홀(313)의 내주면에는 인서트(100)의 하면 및 측면을 감싸는 제 3 단턱부(314)가 형성된다. 이때 제 3 단턱부(314)에 의해 형성되는 인서트(100)가 안착되는 영역의 깊이는 인서트의 두께와 제 4 탄성체 프레임(320)의 두께의 합과 동일하게 형성되는 것이 바람직하다.
그리고, 제 4 탄성체 프레임(320)은 인서트(100)가 배치되는 제 4 반응면 관통홀(323)이 형성되고, 인서트(100)와 외주면의 크기가 동일하게 형성되어 인서트(100)와 함께 제 3 탄성체 프레임(310)의 제 3 단턱부(314)에 안착된 상태에서 제 3 탄성체 프레임(310)의 상면과 제 4 탄성체 프레임(320)의 상면이 동일 평면에 형성되는 것이 바람직하다. 이때 인서트(100)의 테두리에서 제 3 탄성체 프레임(310)의 제 3 단턱부(314)의 내주면과 제 4 탄성체 프레임(320)의 외주면이 대면된다.
이에 따라, 인서트(100), 제 3 탄성체 프레임(310) 및 제 4 탄성체 프레임(320) 사이에는, 각각 계면에 열융착에 의한 융착부가 형성되어 상호간에 견고한 접합 및 일체화가 이루어진다.
부연하자면, 도 4에 도시된 바와 같이 제 3 탄성체 프레임(310)의 제 3 단턱부(314)와 인서트(100)의 하면이 대면되어 열융착되는 제 5 융착부(H5)와; 제 4 탄성체 프레임(320)과, 인서트(100)의 상면이 대면되어 열융착되는 제 6 융착부(H6)와; 제 3 탄성체 프레임(310)의 제 3 단턱부(314)와 인서트(100)의 측면이 대면되어 열융착되는 제 7 융착부(H7)와; 제 3 탄성체 프레임(310)의 제 3 단턱부(314)와 제 4 탄성체 프레임(320)의 측면이 대면되어 열융착되는 제 8 융착부(H8)가 형성된다.
한편, 제 3 탄성체 프레임(310)과 제 4 탄성체 프레임(320)으로 이루어지는 탄성체 프레임(310, 320)에도 인서트(100)에 의해 형성되는 반응면으로 반응가스 및 냉각수를 유입시키고 배출시키는 매니폴드를 형성하기 위한 유입매니폴드 관통홀과 배출매니폴드 관통홀이 형성된다.
예를 들어, 제 3 탄성체 프레임(310)의 일측에는 반응가스 및 냉각수가 유입되는 복수의 제 3 유입매니폴드 관통홀(311)이 형성되고, 타측에는 반응가스 및 냉각수가 배출되는 복수의 제 3 배출매니폴드 관통홀(312)이 형성된다.
또한, 제 3 탄성체 프레임(310)과 제 4 탄성체 프레임(320)으로 이루어지는 탄성체 프레임에도 분리판과의 기밀 및 접착을 위한 수단이 형성될 수 있다.
예를 들어 제 3 탄성체 프레임(310)의 하면 및 상면 중 적어도 어느 한 면에는 인서트(100)의 외곽영역을 따라 인서트(100)를 둘러싸는 적어도 하나 이상의 제 3 돌기씰(315)이 형성될 수 있다.
한편, 제 3 탄성체 프레임(310)과 제 4 탄성체 프레임(320)의 견고한 밀착을 위하여 제 4 탄성체 프레임(320)은 제 3 탄성체 프레임(310)보다 탄성이 작은 소재를 사용하여 형성하는 것이 바람직하다.
한편, 도 5 및 도 6은 본 발명의 변형예에 따른 연료전지용 탄성체 셀 프레임을 보여주는 요부 단면도로서, 탄성체 프레임을 형성하는 한 쌍의 시트형 탄성체 프레임의 계면 형상을 변경하여 상호 간의 접착력을 향상시킬 수 있다.
도 5에 도시된 바와 같이 한 쌍의 시트형 탄성체 프레임은 상호 간에 대면되는 영역을 곡면으로 형성하여 시트형 탄성체 프레임(410, 420)의 계면 면적을 확장할 수 있다.
예를 들어 탄성체 프레임(410, 420)은 인서트(100)의 테두리 하면 및 측면을 둘러싸도록 배치되는 제 5 탄성체 프레임(410)과; 인서트(100)의 테두리 상면 및 측면을 둘러싸도록 배치되는 제 6 탄성체 프레임(420)으로 이루어진다. 이때 인서트(100)의 외곽영역에서 제 5 탄성체 프레임(410)의 상면과 제 6 탄성체 프레임(420)의 하면이 서로 대면된다.
다만, 제 5 탄성체 프레임(410)의 상면은 평면이 아니라 곡면(416)으로 형성되고, 제 6 탄성체 프레임(420)의 하면은 제 5 탄성체 프레임(410)의 상면과 대응하는 곡면(426)으로 형성하여 제 5 탄성체 프레임(410)의 상면과 제 6 탄성체 프레임(420)의 하면의 계면이 곡면의 형태로 대면하도록 한다.
또한, 도 6에 도시된 바와 같이 한 쌍의 시트형 탄성체 프레임(510, 520)은 상호 간에 대면되는 영역을 서로 대응되는 요철구조로 형성하여 시트형 탄성체 프레임(510, 520)의 계면 면적을 확장할 수 있다.
예들 들어 탄성체 프레임(510, 520)은 인서트의 테두리 하면 및 측면을 둘러싸도록 배치되는 제 7 탄성체 프레임(510)과; 인서트(100)의 테두리 상면 및 측면을 둘러싸도록 배치되는 제 8 탄성체 프레임(520)으로 이루어진다. 이때 인서트(100)의 외곽영역에서 제 7 탄성체 프레임(510)의 상면과 제 8 탄성체 프레임(520)의 하면이 서로 대면된다.
다만, 제 7 탄성체 프레임(510)의 상면은 평면이 아니라 요철 구조, 즉 돌출부(517) 및 요홈(518)이 형성되고, 제 8 탄성체 프레임(520)의 하면은 제 7 탄성체 프레임(510)의 상면에 형성된 요홈(518) 및 돌출부(517)에 대응하는 요홈(528) 및 돌출부(527)를 형성하여 제 7 탄성체 프레임(510)의 상면과 제 8 탄성체 프레임(520)의 하면의 계면이 요철 구조의 형태로 대면하도록 한다.
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 시트형 탄성체 프레임(210, 220)을 준비하는 탄성체 프레임 준비단계와; 상기 인서트(100)를 사이에 두고 상기 한 쌍의 탄성체 프레임(210, 220)을 배치하는 배치단계와; 상기 한 쌍의 탄성체 프레임(210, 220)에 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.
탄성체 프레임 준비단계는 인서트(100)의 상면과 하면에 배치되는 시트 형태의 탄성체 프레임(210, 220)을 준비하는 단계이다.
이때 탄성체 프레임(210, 220)은 열가소성 탄성체(TPE; Thermo Plastic Elastomer)를 시트의 형태로 성형하여 준비한다. 이때 바람직하게는 열가소성 탄성체를 사출성형에 의해 시트 형태로 성형하여 탄성체 프레임을 준비한다.
배치단계는 인서트(100)의 테두리가 한 쌍의 탄성체 프레임(210, 220)과 중첩되도록 배치한다. 바람직하게는 인서트(100)의 테두리 하면이 제 1 탄성체 프레임(210)의 단턱부(214)에 안착되면서 인서트(100)의 테두리 측면이 제 1 탄성체 프레임(210)의 제 1 반응면 관통홀(213)의 내주면에 대면되도록 한다. 그리고, 인서트(100)의 테두리 상면이 제 2 탄성체 프레임(220)의 단턱부(224)에 안착되면서 인서트(100)의 테두리 측면이 제 2 탄성체 프레임(220)의 제 2 반응면 관통홀(223)의 내주면에 대면되도록 한다.
접합단계는 한 쌍의 탄성체 프레임(210, 220)과 인서트(100)를 탄성체 프레임(210, 220)의 열융착에 의해 상호 간에 접합시키는 단계이다.
이를 위하여 핫프레스 금형 내에 한 쌍의 탄성체 프레임(210, 220)과 인서트(100)를 안착시킨다. 이때 인서트(100)는 한 쌍의 탄성체 프레임(210, 220) 사이에 개재되도록 배치한다.
그리고, 핫프레스 금형을 작동시켜 인서트(100)의 외곽영역에 해당되는 영역 중 일부 또는 전부에 열을 가하면서 압착시킴으로서 한 쌍의 탄성체 프레임(210, 220)이 접합되는 동시에 한 쌍의 탄성체 프레임(210, 220)과 인서트(100)로 서로 접합된다.
그래서, 한 쌍의 탄성체 프레임(210, 220)과 인서트(100)는 별도의 접착부재 없이도 그 계면에서 탄성체 프레임(210, 220)이 열융착되면서 접합된다.
이때 한 쌍의 탄성체 프레임(210, 220)과 인서트(100)의 견고한 접합을 위하여 한 쌍의 탄성체 프레임(210, 220)에 가해지는 열은 상기 탄성체 프레임(100)의 용융온도보다 높은 온도인 것이 바람직하다.
한편, 상기와 같이 구성되는 연료전지용 탄성체 셀 프레임은 분리판과 함께 연료전지용 단위 셀을 구성한다.
부연하자면, 연료전지용 단위 셀은 막전극접합체와, 그 양면에 배치되는 한 쌍의 기체확산층이 접합된 인서트와; 상기 인서트의 외곽영역에서 상기 인서트의 테두리 하면과 상면에 각각 배치되는 한 쌍의 시트형 탄성체 프레임이 상호 간에 열융착되어 일체로 형성되는 탄성체 프레임을 포함하는 탄성체 셀 프레임과; 상기 셀 프레임의 양면에 배치되어 반응가스 및 냉각수를 유동을 유도하는 한 쌍의 분리판을 포함한다.
이때 탄성체 셀 프레임과 분리판의 접합은 탄성체 셀 프레임과 분리판을 대면하여 적층한 상태에서 탄성체 셀 프레임이 열융착되면서 이루어질 수 있다.
또한, 분리판의 냉각면에 가스켓이 형성된 경우에는 탄성체 셀 프레임과 분리판을 대면하여 적층한 상태에서 가스켓에 형성된 영역의 가열에 의해 가스켓과 탄성체 셀 프레임이 열융착되면서 이루어질 수 있다.
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(MEA)
120: 기체확산층(GDL)
210, 220, 310, 320, 410, 420, 510, 520: 탄성체 프레임
211, 221, 311: 유입매니폴드 관통홀
212, 222, 312: 배출매니폴드 관통홀
213, 223, 313, 323: 반응면 관통홀
214, 224, 314: 단턱부
215, 225, 315: 돌기씰
416, 426: 곡면
517, 527: 돌출부
518, 528: 요홈
H1 ~ H8: 융착부
110: 막전극접합체(MEA)
120: 기체확산층(GDL)
210, 220, 310, 320, 410, 420, 510, 520: 탄성체 프레임
211, 221, 311: 유입매니폴드 관통홀
212, 222, 312: 배출매니폴드 관통홀
213, 223, 313, 323: 반응면 관통홀
214, 224, 314: 단턱부
215, 225, 315: 돌기씰
416, 426: 곡면
517, 527: 돌출부
518, 528: 요홈
H1 ~ H8: 융착부
Claims (20)
- 연료전지의 단위 셀을 구성하는 셀 프레임으로서,
막전극접합체와, 그 양면에 배치되는 한 쌍의 기체확산층이 접합된 인서트와;
상기 인서트의 외곽영역에서 상기 인서트의 테두리 하면과 상면에 각각 배치되는 한 쌍의 시트형 탄성체 프레임이 상호 간에 열융착되어 일체로 형성되는 탄성체 프레임을 포함하는 연료전지용 탄성체 셀 프레임.
- 청구항 1에 있어서,
상기 탄성체 프레임은,
상기 인서트의 테두리 하면 및 측면을 둘러싸도록 배치되는 제 1 탄성체 프레임과;
상기 인서트의 테두리 상면 및 측면을 둘러싸도록 배치되어 상기 인서트의 외곽영역에서 상기 제 1 탄성체 프레임의 상면과 대면되는 제 2 탄성체 프레임으로 이루어지는 연료전지용 탄성체 셀 프레임.
- 청구항 2에 있어서,
상기 제 1 탄성체 프레임에는 상기 인서트가 배치되는 제 1 반응면 관통홀이 형성되고, 상기 제 1 반응면 관통홀의 내주면에는 상기 인서트의 하면 및 측면을 감싸는 제 1 단턱부가 형성되며,
상기 제 2 탄성체 프레임에는 상기 인서트가 배치되는 제 2 반응면 관통홀이 형성되고, 상기 제 2 반응면 관통홀의 내주면에는 상기 인서트의 상면 및 측면을 감싸는 제 2 단턱부가 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 탄성체 셀 프레임.
- 청구항 3에 있어서,
상기 인서트, 제 1 탄성체 프레임 및 제 2 탄성체 프레임 사이에는,
상기 인서트의 외곽영역에서 상기 제 1 탄성체 프레임의 상면과 제 2 탄성체 프레임의 하면이 대면되어 열융착되는 제 1 융착부와;
상기 제 1 탄성체 프레임의 제 1 단턱부와 상기 인서트의 하면이 대면되어 열융착되는 제 2 융착부와;
상기 제 2 탄성체 프레임의 제 2 단턱부와 상기 인서트의 상면이 대면되어 열융착되는 제 3 융착부와;
상기 제 1 단턱부 및 제 2 단턱부와 상기 인서트의 측면이 대면되어 열융착되는 제 4 융착부가 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 탄성체 셀 프레임.
- 청구항 2에 있어서,
상기 제 1 탄성체 프레임의 일측에는 반응가스 및 냉각수가 유입되는 복수의 제 1 유입매니폴드 관통홀이 형성되고, 타측에는 반응가스 및 냉각수가 배출되는 복수의 제 1 배출매니폴드 관통홀이 형성되며,
상기 제 2 탄성체 프레임의 일측에는 상기 제 1 유입매니폴드 관통홀과 연통되는 복수의 제 2 유입매니폴드 관통홀이 형성되고, 타측에는 상기 제 1 배출매니폴드 관통홀과 연통되는 복수의 제 2 배출매니폴드 관통홀이 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 탄성체 셀 프레임.
- 청구항 2에 있어서,
상기 제 1 탄성체 프레임의 하면 및 상기 제 2 탄성체 프레임의 상면 중 적어도 어느 한 면에는 인서트의 외곽영역을 따라 상기 인서트를 둘러싸는 적어도 하나 이상의 돌기씰이 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 탄성체 셀 프레임.
- 청구항 1에 있어서,
상기 탄성체 프레임은,
상기 인서트의 테두리 하면 및 측면을 둘러싸도록 배치되고, 상기 인서트가 배치되는 제 3 반응면 관통홀이 형성되고, 상기 제 3 반응면 관통홀의 내주면에는 상기 인서트의 하면 및 측면을 감싸는 제 3 단턱부가 형성되는 제 3 탄성체 프레임과;
상기 인서트의 테두리 상면을 둘러싸도록 배치되어 상기 인서트의 테두리에서 상기 제 3 탄성체 프레임의 제 3 단턱부의 내주면과 대면되는 제 4 탄성체 프레임으로 이루어지는 연료전지용 탄성체 셀 프레임.
- 청구항 7에 있어서,
상기 인서트, 제 3 탄성체 프레임 및 제 4 탄성체 프레임 사이에는,
상기 제 3 탄성체 프레임의 제 3 단턱부와 상기 인서트의 하면이 대면되어 열융착되는 제 5 융착부와;
상기 제 4 탄성체 프레임과, 상기 인서트의 상면이 대면되어 열융착되는 제 6 융착부와;
상기 제 3 탄성체 프레임의 제 3 단턱부와 상기 인서트의 측면이 대면되어 열융착되는 제 7 융착부와;
상기 제 3 탄성체 프레임의 제 3 단턱부와 상기 제 4 탄성체 프레임의 측면이 대면되어 열융착되는 제 8 융착부가 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 탄성체 셀 프레임.
- 청구항 7에 있어서,
상기 제 3 탄성체 프레임의 일측에는 반응가스 및 냉각수가 유입되는 복수의 제 3 유입매니폴드 관통홀이 형성되고, 타측에는 반응가스 및 냉각수가 배출되는 복수의 제 3 배출매니폴드 관통홀이 형성되며,
상기 제 4 탄성체 프레임는 상기 인서트와 외주면의 크기가 동일한 것을 특징으로 하는 연료전지용 탄성체 셀 프레임.
- 청구항 7에 있어서,
상기 제 3 탄성체 프레임의 하면 및 상면 중 적어도 어느 한 면에는 상기 인서트의 외곽영역을 따라 상기 인서트를 둘러싸는 적어도 하나 이상의 돌기씰이 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 탄성체 셀 프레임.
- 청구항 1에 있어서,
상기 탄성체 프레임을 형성하는 한 쌍의 시트형 탄성체 프레임은 상호 간에 대면되는 영역이 곡면으로 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 탄성체 셀 프레임.
- 청구항 1에 있어서,
상기 탄성체 프레임을 형성하는 한 쌍의 시트형 탄성체 프레임은 상호 간에 대면되는 영역이 서로 대응되는 요철구조로 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 탄성체 셀 프레임.
- 청구항 1에 있어서,
상기 탄성체 프레임을 형성하는 한 쌍의 시트형 탄성체 프레임은 열가소성 탄성체(TPE)로 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 탄성체 셀 프레임.
- 연료전지 스택의 단위 셀을 구성하는 셀 프레임을 제조하는 방법으로서,
막전극접합체의 양면에 각각 기체확산층을 접합하여 인서트를 준비하는 인서트 준비단계와;
한 쌍의 시트형 탄성체 프레임을 준비하는 탄성체 프레임 준비단계와;
상기 인서트를 사이에 두고 상기 한 쌍의 탄성체 프레임을 배치하는 배치단계와;
상기 한 쌍의 탄성체 프레임에 열을 가하면서 압착하여 상호 간을 열융착시켜서 일체로 형성하는 접합단계를 포함하는 연료전지용 탄성체 셀 프레임의 제조방법.
- 청구항 14에 있어서,
상기 탄성체 프레임 준비단계에서 상기 탄성체 프레임은 열가소성 탄성체(TPE)를 시트의 형태로 성형하여 준비하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 탄성체 셀 프레임의 제조방법.
- 청구항 14에 있어서,
상기 접합단계는 상기 한 쌍의 탄성체 프레임 사이에 상기 인서트가 개재된 상태에서 상기 인서트의 외곽영역에 해당되는 영역 중 일부 또는 전부에 열을 가하면서 압착하여 한 쌍의 탄성체 프레임을 접합시키는 것을 특징으로 하는 연료전지용 탄성체 셀 프레임의 제조방법.
- 청구항 14에 있어서,
상기 접합단계에서 한 쌍의 탄성체 프레임에 가해지는 열은 상기 탄성체 프레임의 용융온도보다 높은 온도인 것을 특징으로 하는 연료전지용 탄성체 셀 프레임의 제조방법.
- 청구항 14에 있어서,
상기 접합단계에서는 별도의 접착부재 없이 한 쌍의 탄성체 프레임이 상호 간에 열융착되면서 접합되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 탄성체 셀 프레임의 제조방법.
- 막전극접합체와, 그 양면에 배치되는 한 쌍의 기체확산층이 접합된 인서트와; 상기 인서트의 외곽영역에서 상기 인서트의 테두리 하면과 상면에 각각 배치되는 한 쌍의 시트형 탄성체 프레임이 상호 간에 열융착되어 일체로 형성되는 탄성체 프레임을 포함하는 탄성체 셀 프레임과;
상기 탄성체 셀 프레임의 양면에 배치되어 반응가스 및 냉각수를 유동을 유도하는 한 쌍의 분리판을 포함하는 연료전지용 단위 셀.
- 청구항 19에 있어서,
상기 탄성체 셀 프레임과 분리판은 상기 탄성체 셀 프레임이 열융착되어 접합되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 단위 셀.
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