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KR100966710B1 - 연료 전지용 세퍼레이터 - Google Patents

연료 전지용 세퍼레이터 Download PDF

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KR100966710B1
KR100966710B1 KR1020047016403A KR20047016403A KR100966710B1 KR 100966710 B1 KR100966710 B1 KR 100966710B1 KR 1020047016403 A KR1020047016403 A KR 1020047016403A KR 20047016403 A KR20047016403 A KR 20047016403A KR 100966710 B1 KR100966710 B1 KR 100966710B1
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KR
South Korea
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separator
passage
outer peripheral
fuel cell
elastic member
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KR1020047016403A
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기무라미키히코
가와치신야
안도게이스케
니시야마다다시
오코노기다이스케
Original Assignee
혼다 기켄 고교 가부시키가이샤
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Publication date
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Publication of KR20040101473A publication Critical patent/KR20040101473A/ko
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Abstract

외주부(30)에 반응 가스를 안내하는 가스 통로(31, 31)와, 반응 생성물을 안내하는 반응 생성물 통로(33)를 가진 연료 전지용 세퍼레이터(20)를 제공한다. 이 세퍼레이터(20)는, 금속재로 이루어진 중앙부(22)와 수지재로 이루어진 상기 외주부(30)와, 이 중앙부와 외주부를 결합하는 탄성 부재(40)로서 이루어진다. 외주부를 수지재로 함으로써, 상기 가스 통로 및 생성물 통로는 내식성을 갖는다.

Description

연료 전지용 세퍼레이터{SEPARATOR FOR FUEL CELL}
본 발명은, 세퍼레이터의 외주부(外周部)에 복수의 통로를 설치하고, 이것들 통로를 이용해서 반응 가스나 반응 생성물을 안내하는 연료 전지용 세퍼레이터에 관한 것이다.
도 10은 종래의 연료 전지를 나타내고 있다. 이 연료 전지(100)는, 전해질 막(膜)(101)의 상면 측과 하면 측에 각각 음극(陰極)(102)과 양극(陽極)(103)을 배치하고, 음극(102)의 위쪽에 세퍼레이터(105)를 포개는 동시에, 전해질 막(101)의 외주(外周) 근방과 위쪽 세퍼레이터(105)의 외주 근방에서 위쪽 개스킷(106)을 끼워 지지하고, 양극(103)의 아래쪽에 세퍼레이터(105)를 포개는 동시에, 전해질 막(101)의 외주 근방과 아래쪽 세퍼레이터(105)의 외주 근방에서 아래쪽 개스킷(106)을 끼워 지지한 것이다.
이 연료 전지(100)에 의하면, 수소 가스는, 복수의 수소 가스 통로(107)를 통과해서 화살표 a와 같이 공급된다. 수소 가스 통로(107)의 수소 가스는 위쪽 세퍼레이터(105)의 중앙부(105a)를 향해서 화살표와 같이 안내된다. 산소 가스는, 복수의 산소 가스 통로(108)를 통과해서 화살표 b와 같이 공급된다. 산소 가스 통로(108)의 산소 가스는 아래쪽 세퍼레이터(105)의 중앙부(105a)에 화살표와 같이 안내된다.
수소 가스가 위쪽 중앙부(105a)에 안내됨으로써 음극(102)에 포함하는 촉매에 수소 분자(H2)가 접촉하고, 산소 가스가 아래쪽 중앙부(105a)에 안내됨으로써 양극(103)에 포함하는 촉매에 산소 분자(02)가 접촉하여, 전자 e-는 화살표와 같이 흘러서 전류가 발생한다.
이때, 수소 분자(H2)와 산소 분자(02)로부터 생성수(生成水)(H20)가 생성되고, 이 생성수는 복수의 생성수 통로(109)를 통과해서 화살표 c와 같이 흐른다.
상기 연료 전지(100)는 가스 통로(107, 108)나 생성수 통로(109)의 내식성(耐蝕性)을 유지하기 위해서, 가스 통로(107, 108)나 생성수 통로(109)를 밀봉할 필요가 있다. 이 때문에, 연료 전지(100)를 제조할 때, 전해질 막(101)의 외주 근방과 위쪽 세퍼레이터(105)의 외주 근방과의 사이의 간극에 위쪽 개스킷(106)을 끼우는 동시에, 전해질 막(101)의 외주 근방과 아래쪽 세퍼레이터(105)의 외주 근방과의 사이의 간극에 아래쪽 개스킷(106)을 끼울 필요가 있다.
여기서, 연료 전지(100)는 콤팩트인 것이 바람직하여, 상하 개스킷(106)을 얇게 형성할 필요가 있다. 이 때문에, 상하 개스킷(106)의 취급이 어렵고, 상하 개스킷(106)을 정규(正規) 부위에 배치하기 위해서 시간이 걸리며, 그것이 연료 전지의 생산성을 높이는 데 방해가 되고 있다.
이 문제를 해소하는 방법으로서, 예를 들면, 일본국 특개평11-309746호의 「실리콘 수지-금속 복합체의 제조 방법」이 제안되어 있다. 이 방법에 의하면, 세퍼레이터의 외주부에 실리콘 수지(이하에, 「밀봉재」라고 한다)를 성형함으로써 개스킷을 제거할 수 있다. 이하에, 종래의 연료 전지용 세퍼레이터를 제조하는 사출 성형 금형을 도 11에 나타내서, 종래의 세퍼레이터의 제조 방법에 대해서 설명한다.
도 11을 참조하면, 사출 성형 금형(110)을 형체결함으로써 고정 금형(111)과 가동 금형(112)과의 사이에 세퍼레이터(113)를 삽입하는 동시에, 고정 금형(111)과 가동 금형(112)으로 캐비티(cavity)(114)를 형성하고, 캐비티(114)에 화살표와 같이 용융 수지를 충전(充塡)함으로써, 세퍼레이터(113)의 외주부(113a)에 밀봉재(115)를 성형한다.
이렇게, 세퍼레이터(113)의 외주부(113a)를 따라 밀봉재(115)를 성형함으로써, 도 10에 나타내는 상하 개스킷(106, 106)을 불필요하게 할 수 있다. 따라서, 연료 전지를 제조할 때에, 상하 개스킷(106, 106)을 붙이는 공정을 생략할 수 있다.
세퍼레이터(113)의 가스 통로나 생성수 통로가 가스나 생성수로 부식되는 것을 방지하기 위해서는, 가스 통로나 생성수 통로의 전면(全面)을 피복할 필요가 있다. 이 때문에, 세퍼레이터(113)의 외주부(113a)의 상면 및 하면을 밀봉재(115)로 피복할 뿐만 아니라, 외주부(113a)의 가스 통로나 생성수 통로의 벽면도 밀봉재(115)로 피복할 필요가 있다.
이렇게, 외주부(113a)의 가스 통로나 생성수 통로의 전면을 밀봉재(115)로 피복해서 내식성을 높이기 위해서는, 사출 성형 금형(110) 등의 설비의 정밀도를 높일 필요가 있어, 설비비가 많아지고, 그것이 비용을 억제하는 데 방해가 된다.
또한, 설비의 정밀도를 높였다고 해도, 외주부(113a)의 가스 통로나 생성수 통로의 전면을 밀봉재(115)로 확실하게 피복하는 것은 어렵고, 세퍼레이터를 생산할 때에 있어서의 제품 수율의 저하가 생각되며, 그것이 생산성을 향상시키는 데 방해가 되고 있었다. 그래서, 세퍼레이터의 내식성을 확보할 수 있고, 또한 비용을 억제하는 동시에 생산성을 높일 수 있는 연료 전지용 세퍼레이터가 기대되고 있다.
본 발명에 있어서는, 외주부에 반응 가스를 안내하는 가스 통로를 설치함과 더불어 반응 생성물을 안내하는 반응 생성물 통로를 설치하고, 상기 가스 통로로부터 중앙부에 반응 가스를 안내하여, 반응 가스의 반응에서 생성된 생성물을 상기 반응 생성물 통로에 안내하는 연료 전지용 세퍼레이터에 있어서, 상기 중앙부를 금속제 부재로 함과 더불어 상기 외주부를 수지제 부재로 하고, 이 수지제 부재를 상기 금속성 부재에 탄성 부재를 통해서 결합한 연료 전지용 세퍼레이터로서, 상기 탄성 부재는, 상기 금속성 부재의 개구부에 충전되어 상기 금속성 부재가 상기 탄성 부재로부터 빠져나가는 것을 방지하는 제1앵커와, 상기 외주부의 개구부에 충전되어 상기 외주부가 상기 탄성 부재로부터 빠져나가는 것을 방지하는 제2앵커를 구비하는 것을 특징으로 하는 연료 전지용 세퍼레이터를 제공한다.
이렇게, 세퍼레이터의 외주부 전체를 수지제 부재로 하고, 이 외주부에 가스 통로나 생성수 통로를 형성함으로써, 가스나 생성수에 대한 가스 통로 및 생성수 통로의 내식성을 확보할 수 있다.
또한, 세퍼레이터의 외주부를 수지제 부재로 하고, 이 외주부를 탄성 부재로 중앙부에 결합하도록 구성하였다. 이것에 의해, 종래 기술과 같이 세퍼레이터의 가스 통로나 생성수 통로의 벽면에 밀봉재를 피복할 필요가 없고, 보통 정밀도의 성형 금형으로 외주부나 탄성 부재를 성형할 수 있다. 이 때문에, 고정밀도의 성형 금형을 사용할 필요가 없으므로, 성형 금형 등의 설비비를 억제할 수 있다.
또한, 세퍼레이터의 외주부를 탄성 부재로 중앙부에 결합하도록 구성함으로써, 세퍼레이터를 비교적 간단히 제조할 수 있다. 따라서, 세퍼레이터를 생산할 때에 있어서의 제품 수율을 높일 수 있다.
여기서, 수지제 부재는 금속제 부재와 열팽창률이 다르기 때문에, 중앙부의 금속제 부재에 외주부의 수지제 부재를 직접 결합하면, 외주부와 중앙부와의 열팽창 차(差)로 중앙부가 변형하거나, 외주부가 피로(疲勞) 파괴될 우려가 있다. 그래서, 본 발명에 있어서는, 외주부를 탄성 부재를 통해서 중앙부에 결합하도록 하였다. 이것에 의해, 외주부와 중앙부와의 열팽창 차를 탄성 부재에서 흡수할 수 있으므로, 각각의 열팽창 차로 중앙부가 변형하거나, 외주부가 피로 파괴되는 것을 방지할 수 있다. 또한, 탄성 부재가 금속제 부재의 개구부에 충전된 제1앵커와, 외주부의 개구부에 충전된 제2앵커를 구비한다. 이에 의해, 금속 부재가 탄성 부재로부터 빠져나오는 것을 방지함과 더불어, 외주부가 탄성 부재로부터 빠져나오는 것을 방지할 수 있고, 또한 금속제 부재에 외주부를 강고하게 결합할 수 있다.
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또한, 본 발명에 있어서는, 바람직하게는, 상기 외주부에, 상기 가스 통로 및 반응 생성물 통로를 각각 둘러싸는 돌기 형상의 통로용 밀봉부가 설치된다. 이렇게, 외주부에 가스 통로 및 반응 생성물 통로를 각각 둘러싸는 돌기 형상의 통로용 밀봉부를 설치하면, 세퍼레이터를 붙일 때, 가스 통로나 반응 생성물 통로를 둘러싸기 위한 통로용 개스킷을 붙일 필요가 없다. 이것에 의해, 연료 전지를 붙일 때에, 통로용 개스킷을 붙이는 수고를 생략할 수 있다. 추가해서, 세퍼레이터를 연료 전지에 붙일 때에, 돌기 형상의 통로용 밀봉부로 가스 통로나 반응 생성물 통로를 확실하게 밀봉할 수 있다.
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도 1은 본 발명에 관련한 연료 전지용 세퍼레이터를 구비한 연료 전지의 분해 사시도.
도 2는 도 1의 2-2선 단면도.
도 3A는 도 2의 3A-3A선 단면도이며, 도 3B는 도 2의 3B-3B선 단면도.
도 4A 및 도 4B는, 본 발명에 관련한 연료 전지용 세퍼레이터의 제조 공정을 나타내는 제1작용 설명도로서, 도 4A는 세퍼레이터의 중앙부 주변부에 프라이머 처리(primer treatment)를 실행한 상태를 나타내고, 도 4B는 턴테이블(turntable)에 설치된 고정 금형에 프라이머 처리를 실행한 세퍼레이터를 탑재하는 상태를 나타낸 도면.
도 5A 및 도 5B는, 본 발명에 관련한 연료 전지용 세퍼레이터의 제조 공정을 나타내는 제2작용 설명도로서, 도 5A는 외주부용 성형 금형의 고정 금형에 세퍼레이터를 탑재한 상태를 나타내고, 도 5B는 가동 금형을 하강해서 외주부용 성형 금형을 형체결한 상태의 단면도.
도 6A 및 도 6B는, 본 발명에 관련한 연료 전지용 세퍼레이터의 제조 공정을 나타내는 제3작용 설명도로서, 도 6A는 도 5B의 6A 부분의 확대 단면도, 도 6B는 세퍼레이터의 외주부를 성형한 상태를 나타내는 단면도.
도 7A 및 도 7B는, 본 발명에 관련한 연료 전지용 세퍼레이터의 제조 공정을 나타내는 제4작용 설명도로서, 도 7A는 세퍼레이터의 탄성 부재를 성형할 때의 턴테이블 및 탄성 부재용 사출 장치를 나타낸 도면, 도 7B는 세퍼레이터가 탑재된 고정 금형과 제2가동 금형을 하강할 때의 탄성 부재용 성형 금형의 단면도.
도 8A 및 도 8B는, 본 발명에 관련한 연료 전지용 세퍼레이터의 제조 공정을 나타내는 제5작용 설명도로서, 도 8A는 탄성 부재용 성형 금형을 형체결한 상태의 단면도, 도 8B는 도 8A의 8B 부분의 확대 단면도.
도 9A 및 도 9B는, 본 발명에 관련한 연료 전지용 세퍼레이터의 제조 공정을 나타내는 제6작용 설명도로서, 도 9A는 탄성 부재를 성형해서 금형을 여는 상태를 나타낸 단면도, 도 9B는 본 발명의 세퍼레이터의 제조를 완료하고, 고정 금형으로부터 세퍼레이터를 꺼내는 상태를 나타낸 도면.
도 10은 종래의 연료 전지를 나타내는 분해 사시도.
도 11은 사출 성형 금형으로 세퍼레이터의 외주부에 밀봉재를 성형하는 종래의 연료 전지용 세퍼레이터의 제조 금형을 나타내는 단면도.
도 1에 나타내는 본 발명에 관련한 연료 전지(10)는, 전해질 막(11)의 상면(11a) 측과 하면(11b)(도 2 참조) 측에 각각 음극(15)과 양극(16)을 배치하고, 음극(15)에, 위쪽 세퍼레이터(20)(연료 전지용 세퍼레이터)를 포개는 동시에, 양극(16)에 아래쪽 세퍼레이터(20)를 포갠 구조를 하고 있다.
여기서, 일반적으로는 전해질 막(11), 음극(15), 양극(16), 상하 세퍼레이터(20, 20)를 포갠 연료 전지(10)를 셀(cell)이라 칭하고, 셀을 복수 개 스택(stack) 형상으로 포갠 것을 연료 전지라고 하지만, 본 명세서에서는 이해를 쉽게 하기 위해서 셀을 연료 전지로서 설명한다.
전해질 막(11)은, 그 외주부에, 수소 가스(반응 가스)를 안내하는 복수의 수소 가스 통로(가스 통로)(12)와, 산소 가스(반응 가스)를 안내하는 복수의 산소 가스 통로(가스 통로)(13)와, 생성수(반응 생성물)를 안내하는 복수의 생성수 통로(반응 생성물 통로)(14)를 갖는다.
음극(15) 및 양극(16)은, 각각 전해질 막(11)보다 한층 작게 형성되어 있다. 음극(15) 및 양극(16)의 외주는, 상기 수소 가스 통로(12), 산소 가스 통로(13), 및 생성수 통로(14)의 내측에 위치한다.
각각의 세퍼레이터(20)는, 금속제의 중앙부(22)와, 그 주변의 수지제의 외주부(30)와, 중앙부(22)와 외주부(30)를 결합하는 탄성 부재(40)를 갖고 있다.
외주부(30)는, 수소 가스를 안내하는 복수의 수소 가스 통로(가스 통로)(31)와, 산소 가스를 안내하는 복수의 산소 가스 통로(가스 통로)(32)와, 생성수를 안내는 복수의 생성수 통로(반응 생성물 통로)(33)를 갖는다.
각각의 세퍼레이터(20)의 외주부(30)를 수지제 부재로 하고, 이 외주부(30)에 상기 수소 가스 통로(31), 산소 가스 통로(32) 및 생성수 통로(33)를 구비함으로써, 가스나 생성수에 대한 수소 가스 통로(31), 산소 가스 통로(32) 및 생성수 통로(33)의 내식성을 확보한다.
각각의 세퍼레이터(20)의 외주부(30)에 형성된 복수의 수소 가스 통로(31) 및 산소 가스 통로(32)는, 연료 전지(10)를 조립하였을 때, 전해질 막(11)의 외주 부분에 형성된 복수의 수소 가스 통로(12) 및 산소 가스 통로(13)와 겹치는 부위에 형성된다.
또한, 각각의 세퍼레이터(20)에 형성된 복수의 생성수 통로(33)는, 연료 전지(10)를 조립하였을 때, 전해질 막(11)에 형성된 복수의 생성수 통로(14)와 겹치는 부위에 형성된다.
이 연료 전지(10)에 의하면, 수소 가스는, 상기 수소 가스 통로(31, 12)를 통과해서 화살표 A와 같이 공급되고, 화살표 B로서 나타내는 바와 같이 음극(15)과 위쪽 세퍼레이터(20)의 중앙부와의 사이를 향해서 안내된다. 산소 가스는, 상기 산소 가스 통로(32, 13)를 통과해서 화살표 C와 같이 공급되고, 화살표 D로서 나타내는 바와 같이 양극(16)과 아래쪽 세퍼레이터(20)의 중앙부(22)와의 사이를 향해서 안내된다.
수소 가스를 중앙부(22)에 안내함으로써 음극(15)에 포함하는 촉매에 수소 분자(H2)를 접촉시키는 동시에, 산소 가스를 중앙부(22)에 안내함으로써 양극(16)에 포함하는 촉매에 산소 분자(02)를 접촉시켜, 전자 e-를 화살표와 같이 흘려서 전류를 발생시킨다.
이 때, 수소 분자(H2)와 산소 분자(02)로부터 생성수(H20)가 생성된다. 이 생성수는, 중앙부(22)로부터 화살표 E와 같이 생성수 통로(14, 33)에 안내되어, 화살표 F에 나타낸 바와 같이 흐른다.
도 2는, 각각의 연료 전지용 세퍼레이터(20)를 금속제의 중앙부(22), 수지제의 외주부(30) 및 탄성 부재(40)로 구성한 상태를 나타낸다.
중앙부(22)는, 금속제 부재로서, 상면(22a) 및 하면(22b)에, 수소 가스를 안내하는 복수의 유로(流路)(23)나 산소 가스를 안내하는 복수의 유로(24)를 형성하는 동시에, 생성수를 안내하는 유로(도시하지 않음)를 형성하고, 상면(22a) 및 하면(22b)에 각각 내식용 도금 처리를 실행한 스테인리스제의 플레이트이다.
이 중앙부(22)는, 그 주변부(22c)를 따른 상ㆍ하면에 각각 프라이머 처리를 실행한 프라이머 처리부(25a, 25b)를 갖고, 프라이머 처리부(25a, 25b)에 소정 간격을 두고 복수의 제1개구부(26)를 갖는다.
이 제1개구부(26)의 형상은 구멍, 긴 구멍이나 구형(矩形)이 해당되지만, 이것에 한정하는 것은 아니다. 또한, 프리이머 처리부(25a, 25b) 및 제1개구부(26)를 구비하는 이유에 대해서는 후술한다.
외주부(30)는, 중앙부(22)보다 한층 크게 형성한 프레임(frame)이며, 이 프레임에 복수의 수소 가스 통로(31), 산소 가스 통로(32) 및 생성수 통로(33)[통로(32, 33)는 도 1에 나타낸다]를 설치한 엔지니어링 플라스틱제의 프레임이다.
그리고, 외주부(30)의 상면(30a)에는, 상기 수소 가스 통로(31), 산소 가스 통로(32) 및 생성수 통로(33)의 각각의 주변을 따라, 수소 가스 통로(31), 산소 가스 통로(32) 및 생성수 통로(33)를 개별로 둘러싸도록 돌기 형상의 복수의 통로 밀봉부(34)를 구비한다.
또한, 외주부(30)의 하면(30b)에는, 수소 가스 통로(31), 산소 가스 통로(32) 및 생성수 통로(33)의 각각의 주변을 따라, 수소 가스 통로(31), 산소 가스 통로(32) 및 생성수 통로(33)를 둘러싸도록 복수의 통로용 오목부(35)를 구비한다.
추가해서, 이 외주부(30)는, 상면(30a) 및 하면(30b)에 각각 내주(內周) 가장자리(30c)를 따라 상하 오목부(36a, 36b)를 형성함으로써, 내주 가장자리(30c)를 따른 부위를 엷은 박육부(薄肉部)(37)로 하고, 이 박육부(37)에 소정 간격을 두고 복수의 제2개구부(開口部)(38)를 구비한다.
상기 복수의 제2개구부(38)의 형상은 구멍, 긴 구멍이나 구형(矩形)이 해당되지만, 이것에 한정하는 것은 아니다. 또한, 상기 제2개구부(38)를 구비한 이유에 대해서는 후술한다.
외주부(30)의 프레임를 중앙부(22)보다 한층 크게 형성함으로써, 외주부(30)의 내주 가장자리(30c)와 중앙부(22)의 주변(22c)과의 사이에 간극(S)을 둘 수 있다.
돌기 형상의 상기 통로 밀봉부(34)는, 연료 전지(10)를 붙였을 때에, 전해질 막(11)의 통로(12, 13, 14)[통로(13, 14)는 도 1 참조]를 통해서 위쪽에 배치한 세퍼레이터(20)의 상기 통로용 오목부(35)에 압압(押壓)되도록 형성되어 있다.
외주부에 수소 가스 통로(31), 산소 가스 통로(32) 및 생성수 통로(33)를 개별로 둘러싸도록 돌기 형상의 통로용 밀봉부(34)를 설치하였으므로, 세퍼레이터(20)를 연료 전지(10)에 붙일 때에, 수소 가스 통로(31), 산소 가스 통로(32) 및 생성수 통로(33)를 둘러싸기 위한 통로용 개스킷을 붙일 필요가 없다. 이것에 의해, 연료 전지(10)를 붙일 때에, 통로용 개스킷을 붙이는 수고를 생략할 수 있다.
추가해서, 수소 가스 통로(31), 산소 가스 통로(32) 및 생성수 통로(33)를 개별로 둘러싸도록 돌기 형상의 통로용 밀봉부(34)를 설치하였으므로, 세퍼레이터(20)를 연료 전지(10)에 붙일 때에, 돌기 형상의 통로용 밀봉부(34)를 통로용 오목부(35)에 압압해서 수소 가스 통로(31), 산소 가스 통로(32) 및 생성수 통로(33)를 확실하게 밀봉할 수 있다.
탄성 부재(40)는, 중앙부(22)의 프라이머 처리부(25a, 25b) 및 외주부(30)의 박육부(37)를 피복하는 동시에, 간극(S), 제1개구부(26) 및 제2개구부(38)에 충전(充塡)하고, 상면(40a)에 중앙부(22)를 둘러싸는 돌기 형상의 중앙 밀봉부(41)(도 1도 참조)를 설치한 실리콘 고무제의 결합 부재이다.
탄성 부재(40)에 중앙부(22)를 둘러싸는 돌기 형상의 중앙 밀봉부(41)를 설치하였으므로, 연료 전지(10)를 붙일 때에, 중앙부(22)를 둘러싸기 위한 중앙부용 개스킷을 붙일 필요가 없다. 이것에 의해, 연료 전지(20)를 붙일 때에, 중앙부용 개스킷을 붙이는 수고를 생략할 수 있다.
추가해서, 세퍼레이터(20)를 붙일 때에, 돌기 형상의 중앙 밀봉부(41)를 전해질 막(11)에 압압해서 중앙부(22)를 확실하게 밀봉할 수 있다. 이것에 의해, 중앙부(22)에 안내한 수소 가스나 산소 가스를 정규 위치에 확실하게 안내하는 동시에, 중앙부(22)에서 생성한 생성수를 정규 위치에 확실하게 안내할 수 있다.
또한, 탄성 부재(40) 및 중앙 밀봉부(41)를 실리콘 고무(고무 재료)로서 일체로 형성하였으므로, 탄성 부재(40) 및 중앙 밀봉부(41)를 동시에 형성할 수 있다. 이 때문에, 탄성 부재(40) 및 중앙 밀봉부(41)를 시간을 들이지 않고 간단히 형성할 수 있다.
여기서, 세퍼레이터(20)는, 중앙부(22)의 상하 프라이머 처리부(25a, 25b)를 탄성 부재(40)로 피복하는 동시에, 외주부(30)의 박육부(37)를 탄성 부재(40)로 피복할 때에, 제1개구부(26) 및 제2개구부(38)에 각각 탄성 부재(40)를 충전함으로써, 제1개구부(26)에 제1앵커(anchor)(42)를 설치할 수 있고, 제2개구부(38)에 제2앵커(43)를 설치할 수 있다.
이것에 의해, 중앙부(22)가 탄성 부재(40)로부터 빠져나가는 것을 방지하는 동시에, 외주부(30)가 탄성 부재(40)로부터 빠져나가는 것을 방지하여, 중앙부(22)에 외주부(30)를 강고(强固)하게 결합할 수 있다.
그런데, 외주부(30)의 엔지니어링 플라스틱 재(材)는 중앙부(22)의 스테인리스 재와 열팽창률이 다르기 때문에, 중앙부(22)에 외주부(30)를 직접 결합하면, 외주부(30)와 중앙부(22)와의 열팽창 차로서 중앙부(22)가 변형하거나, 외주부(30)가 피로 파괴되는 것이 생각된다.
그래서, 외주부(30)를 탄성 부재(40)를 통해서 중앙부(22)에 결합함으로써, 외주부(30)와 중앙부(22)와의 열팽창 차를 탄성 부재(40)에서 흡수하도록 하였다. 이것에 의해, 외주부(30)와 중앙부(22)와의 열팽창 차로서 중앙부(22)가 변형하거나, 외주부(30)가 피로 파괴되는 것을 방지할 수 있다.
또한, 돌기 형상의 중앙 밀봉부(41)는, 연료 전지(10)를 붙일 때에, 전해질 막(11)에 압압되도록 형성되어 있다.
도 3A 및 도 3B는, 도 2의 3A-3A선 단면도 및 3B-3B선 단면도를 나타낸다.
도 3A는, 제1개구부(26)를, 일례(一例)로서 긴 구멍으로 형성하고, 이 긴 구멍에 탄성 부재(40)를 충전함으로써, 제1개구부(26)에 제1앵커(42)를 설치한 상태를 나타낸다.
도 3B는, 제2개구부(38)를, 일례로서 긴 구멍으로 형성하고, 이 긴 구멍에 탄성 부재(40)를 충전함으로써, 제2개구부(38)에 제2앵커(43)를 설치한 상태를 나타낸다.
이어서, 연료 전지용 세퍼레이터(10)의 제조 공정에 대해서 도 4A∼도 9B에 근거해서 설명한다.
도 4A 및 도 4B는, 본 발명에 관련한 연료 전지용 세퍼레이터의 제조 공정을 나타내는 제1작용 설명도이다.
도 4A에 있어서, 금속제 부재인 중앙부(22)의 주변(22c)을 따라, 상ㆍ하면(22a, 22b)에 플라이머 처리를 실행한다. 즉, 상ㆍ하면(22a, 22b)에, 각각 150℃의 온도로 실리콘 고무를 녹여 붙여서 프라이머 처리부(25a, 25b)를 형성한다.
도 4B에 있어서, 프라이머 처리부(25a, 25b)를 구비한 중앙부(22)를, 턴테이블(50)을 구비한 고정 금형(51)에 화살표 ①과 같이 탑재한다. 이어서, 턴테이블(50)을 화살표 ②와 같이 회전시킴으로써, 고정 금형(51)을 제1가동 금형(52)의 아래쪽에 정지시킨다.
고정 금형(51) 및 제1가동 금형(52)으로, 도 1 및 도 2에 나타내는 세퍼레이터(20)의 외주부(30)를 사출 성형하는 외주부용 성형 금형을 구성한다.
도 5A 및 도 5B는, 본 발명에 관련한 연료 전지용 세퍼레이터의 제조 공정을 나타내는 제2작용 설명도이다.
도 5A에 있어서, 제1가동 금형(52)을 화살표 ③과 같이 하강시킴으로써, 외주부용 성형 금형을 형체결한다.
도 5B에 있어서, 도 4B에 나타내는 외주부용 사출 장치(55)의 플런저(56)를 조작함으로써, 엔지니어링 플라스틱의 용융 수지(57)를 화살표 ④와 같이 외주부용 캐비티(58) 내에 충전한다.
도 6A 및 도 6B는, 본 발명에 관련한 연료 전지용 세퍼레이터의 제조 공정을 나타내는 제3작용 설명도이며, 도 6A는 도 5B의 6A 부분에 대한 확대도를 나타낸다.
도 6A에 있어서, 외주부용 캐비티(58) 내에 고정 금형(51)의 복수의 돌기(51a)를 가동 금형(52)까지 돌출(突出)시키는 동시에, 복수의 융기부(隆起部)(51b)를 외주부용 캐비티(58) 내에 융기시킨 상태에서, 외주부용 캐비티(58) 내에 용융 수지(57)를 충전하였다.
이것에 의해, 외주부(30)를 성형할 때에, 수소 가스 통로(31), 산소 가스 통로(32) 및 생성수 유로(33)[유로(32, 33)는 도 1에 나타낸다]를 형성하는 동시에, 이것들 유로(31, 32, 33)의 주변에 통로용 오목부(35)를 성형할 수 있다.
또한, 고정 금형(51)으로부터 코어(core)(59)를 외주부용 캐비티(58) 내에 약간 돌출시켜, 제1가동 금형(52)의 돌기부(52a)를 코어(59)까지 돌출시키는 동시에 융기부(52b)를 외주부용 캐비티(58) 내에 약간 돌출시킴으로써, 박육부(37)를 성형하는 동시에, 박육부(37)에 제2개구부(38)를 성형할 수 있다.
그리고, 외주부용 캐비티(58) 내의 용융 수지(57)가 응고한 후, 코어(59)를 화살표 ⑤와 같이 외주부용 캐비티(58) 내에서 퇴피(退避)시킨다.
도 6B에 있어서, 제1가동 금형(52)을 화살표 ⑥과 같이 상승시킴으로써, 외주부용 성형 금형을 연다. 이것에 의해, 외주부(30)의 사출 성형 공정이 완료된다.
도 7A 및 도 7B는, 본 발명에 관련한 연료 전지용 세퍼레이터의 제조 공정을 나타내는 제4작용 설명도이다.
도 7A에 있어서, 턴테이블(50)을 화살표 ⑦과 같이 회전시킴으로써, 고정 금형(51)이 제2가동 금형(61)의 아래쪽에 정지한다.
고정 금형(51) 및 제2가동 금형(61)으로, 도 1 및 도 2에 나타내는 세퍼레이터(20)의 탄성 부재(40)를 사출 성형하는 탄성 부재용 성형 금형을 구성한다.
도 7B에 있어서, 제2가동 금형(61)을 화살표 ⑧과 같이 하강시킴으로써, 탄성 부재용 성형 금형을 형체결한다.
도 8A 및 도 8B는, 본 발명에 관련한 연료 전지용 세퍼레이터의 제조 공정을 나타내는 제5작용 설명도이다.
도 8A에 있어서, 탄성 부재용 성형 금형을 형체결함으로써, 고정 금형(51)과 제2가동 금형(61)으로 탄성 부재용 캐비티(67)를 형성하는 동시에, 제2가동 금형(61)과 외주부(30)로 형성된 밀봉용 캐비티(68)를 형성한다.
이 상태에서, 도 7A에 나타내는 탄성 부재용 사출 장치(64)의 플런저(65)를 조작함으로써, 실리콘 고무의 용융 수지(66)를 화살표 ⑨와 같이 탄성 부재용 캐비티(67) 및 밀봉용 캐비티(68)에 충전한다.
도 8B에 있어서, 탄성 부재용 캐비티(67) 내에 용융 수지(66)를 충전함으로써, 중앙부(22)의 상ㆍ하 프라이머 처리부(25a, 25b)를 탄성 부재(40)로 피복하는 동시에, 외주부(30)의 박육부(37)를 탄성 부재(40)로 피복하는 동시에 중앙 밀봉부(41)를 성형할 수 있다.
여기서, 중앙부(22)는 금속제 부재이지만, 중앙부(22)의 외주에 상ㆍ하 프라이머 처리부(25a, 25b)를 만들어 두었으므로, 중앙부(22)에 탄성 부재(40)를 적절하게 부착시킬 수 있다.
추가해서, 제1개구부(26) 및 제2개구부(38)에 각각 탄성 부재(40)를 충전함으로써, 제1개구부(26) 및 제2개구부(38)에 각각 제1앵커(42) 및 제2앵커(43)를 형성할 수 있다.
이것에 의해, 중앙부(22)가 탄성 부재(40)로부터 빠져나가는 것을 방지할 수 있는 동시에, 외주부(30)가 탄성 부재(40)로부터 빠져나가는 것을 방지할 수 있다.
또한, 탄성 부재용 캐비티(67) 내에 용융 수지(66)를 충전하는 동시에, 제2가동 금형(61)과 외주부(30)로 형성한 밀봉용 캐비티(68)에, 용융 수지(66)를 충전함으로써 통로 밀봉부(34)를 성형한다.
이것에 의해, 탄성 부재(40)를 성형할 때에, 통로 밀봉부(34) 및 중앙 밀봉부(41)를 실리콘 고무(고무 재료)로 동시에 성형할 수 있다. 따라서, 탄성 부재(40), 통로 밀봉부(34) 및 중앙 밀봉부(41)를 시간을 들이지 않고 간단히 형성할 수 있다.
도 9A 및 도 9B는, 본 발명에 관련한 연료 전지용 세퍼레이터의 제조 공정을 나타내는 제6작용 설명도이다.
도 9A에 있어서, 탄성 부재용 캐비티(67) 내의 용융 수지(66) 및 밀봉용 캐비티(68) 내의 용융 수지(66)를 응고시킨 후, 제2가동 금형(61)을 화살표와 같이 상승시킴으로써, 탄성 부재용 성형 금형을 연다.
이것에 의해, 탄성 부재(40) 및 통로 밀봉부(34)의 사출 성형 공정이 완료되어, 연료 전지용 세퍼레이터(20)를 얻을 수 있다.
도 9B에 있어서, 탄성 부재용 성형 금형을 연 후, 턴테이블(50)을 화살표와 같이 회전시킴으로써, 고정 금형(51)을 반입ㆍ반출 영역(68)에 정지시킨다. 이어서, 고정 금형(51)으로부터 연료 전지용 세퍼레이터(20)를 화살표와 같이 꺼낸다. 이것에 의해, 연료 전지용 세퍼레이터(20)의 제조 공정이 완료된다.
도 4A∼도 9B로 설명한 바와 같이, 세퍼레이터(20)의 외주부(30)를 탄성 부재(40)로 중앙부(22)에 결합하도록 구성함으로써, 세퍼레이터(20)를 비교적 간단히 제조할 수 있다.
따라서, 세퍼레이터(20)의 생산할 때에 있어서의 제품 수율을 높일 수 있어, 세퍼레이터(20)의 생산성을 높일 수 있다.
또한, 상기 실시예에서는, 탄성 부재(40) 및 통로 밀봉부(34)로서 실리콘 고무를 예(例)로 해서 설명하였지만, 탄성 부재(40) 및 통로 밀봉부(34)는 이것에 한정하지 않고, 그 밖의 고무나 수지를 사용하는 것도 가능하다.
또한, 상기 실시예에서는, 연료 전지용 세퍼레이터(20)의 중앙부(22)를 형성하는 금속제 부재로서 스테인리스를 예로 설명하였지만, 중앙부(22)를 형성하는 금속제 부재는 이것에 한정하는 것은 아니다.
또한, 상기 실시예에서는, 연료 전지용 세퍼레이터(20)의 외주부(30)를 형성하는 수지제 부재로서 엔지니어링 플라스틱을 예로 설명하였지만, 외주부(30)를 형성하는 수지제 부재는 이것에 한정하는 것은 아니다.
또한, 상기 실시예에서는, 탄성 부재(40)를, 세퍼레이터(20)의 중앙부(22)를 둘러싸는 돌기 형상의 중앙 밀봉부(41)를 설치한 예에 대해서 설명하였지만, 이것에 한정하지 않고, 탄성 부재(40)에 중앙부(22)를 둘러싸는 돌기 형상의 중앙 밀봉부(41)를 설치하지 않아도 좋다.
또한, 상기 실시예에서는, 세퍼레이터(20)의 외주부(30)에 가스 통로(31, 32) 및 생성수 통로(33)를 둘러싸는 돌기 형상의 통로용 밀봉부(34)를 설치한 예에 대해서 설명하였지만, 통로용 밀봉부(34)는 설치하지 않아도 좋다.
또한, 상기 실시예에서는, 탄성 부재(40), 중앙 밀봉부(41) 및 통로용 밀봉부(34)를 고무 재료로 일체로 형성한 예에 대해서 설명하였지만, 이것에 한정하지 않고, 탄성 부재(40), 중앙 밀봉부(41) 및 통로용 밀봉부(34)를 각각 개별로 형성하는 것도 가능하며, 또한 각각의 부재(40, 41, 34)를 각각 상이한 재질로 형성하는 것도 가능하다.
또한, 상기 실시예에서는, 반응 가스로서 수소 가스나 산소 가스를 예로 설명하는 동시에, 반응 생성물로서 생성수를 예로 설명하였지만, 이것에 한정하지 않고, 그 밖의 반응 가스나 반응 생성물에 적용하는 것도 가능하다.
세퍼레이터의 외주부 전체를 수지제 부재로 하고, 이 외주부에 가스 통로나 생성수 통로를 형성함으로써, 가스나 생성수에 대한 가스 통로 및 생성수 통로의 내식성을 확보할 수 있다. 이것 때문에, 연료 전지는 내식성에서 우수한 것이 되고, 특히, 자동차에 이용되는 연료 전지로서 유용하다.

Claims (4)

  1. 외주부에 반응 가스를 안내하는 가스 통로를 설치함과 더불어 반응 생성물을 안내하는 반응 생성물 통로를 설치하고, 상기 가스 통로로부터 중앙부에 반응 가스를 안내하여, 반응 가스의 반응에서 생성된 생성물을 상기 반응 생성물 통로에 안내하는 연료 전지용 세퍼레이터에 있어서,
    상기 중앙부를 금속제 부재로 함과 더불어 상기 외주부를 수지제 부재로 하고, 이 수지제 부재를 상기 금속성 부재에 탄성 부재를 통해서 결합한 연료 전지용 세퍼레이터로서,
    상기 탄성 부재는,
    상기 금속성 부재의 개구부에 충전되어 상기 금속성 부재가 상기 탄성 부재로부터 빠져나가는 것을 방지하는 제1앵커와, 상기 외주부의 개구부에 충전되어 상기 외주부가 상기 탄성 부재로부터 빠져나가는 것을 방지하는 제2앵커를 구비하는 것을 특징으로 하는
    연료 전지용 세퍼레이터.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 외주부에, 상기 가스 통로 및 반응 생성물 통로를 각각 둘러싸는 돌기 형상의 통로용 밀봉부를 설치한 것을 특징으로 하는 연료 전지용 세퍼레이터.
  4. 삭제
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