연료전지용 서브가스켓 성형장치{MOLDING MACHINE FOR SUBGASKET OF FUEL CELL}

본 발명은 연료전지용 서브가스켓 사출성형 시 수지의 과압 및 고열에 따른 연료전지 반응층의 변형과 수지의 침투현상을 방지하여 불량률을 개선하는 연료전지용 서브가스켓 성형장치에 관한 것이다.

일반적으로 연료전지란 반응물의 산화, 환원반응에서 발생하는 전자의 이동을 통하여 전기에너지를 발생시키는 장치로서, 반응물로부터 생성되는 이온이 전해질막을 통하여 각각의 전극 상호간으로 이동하고, 반응물의 화학반응으로부터 발생하는 전자는 각 반응물측에 구비되는 전극을 통하여 이동한다. 이 때, 반응물이 되는 기체의 반응속도를 향상시키기 위하여 기체확산층(GDL)이 각 전극의 외면에 구비된다.

여기서 전해질막과 각각의 전극은 면착되어 이온의 이동이 용이하도록 구비되는데, 이를 막-전극 접합체(MEA)라 한다. 막-전극 접합체는 두께가 얇고 강성이 낮으므로 접합시키는 과정에서 변형 또는 파손이 쉽게 일어나 불량률이 높으며, 취급 시에도 변형이나 파손이 용이하여 특별한 주의가 요구된다.

상기 막-전극 접합체의 취급 및 접합방식의 문제를 해결하기 위하여 현재 사용되는 방식으로는, 막-전극 접합체와 기체확산층을 적층하여 일체로서 접합시키는 기술이 있다. 특히 막-전극 접합체와 기체확산층을 적층하여 그 외주면에 수지를 이용한 서브가스켓을 사출성형함으로써 일체화하는 방식이 있으며, 그 외 다수 기업에서도 지속적으로 막-전극 접합체 및 기체확산층의 일체화 공정 개발에 힘쓰고 있다.

이와 관련하여 한국등록특허공보 제 10-1315712호인 '연료전지 막전극 접합체 제조용 서브가스켓 접합 장치'가 참조될 수 있다.

그러나, 위와 같은 서브가스켓 사출성형 방식은 고압의 수지가 형틀내로 유입되면서 연료전지 반응층의 측부에 과도하게 침투하여 연료전지 반응층의 기능을 상실시키고, 반응층의 변형을 일으켜 불량률을 높이는 원인이 되는 문제점이 있다.

상기의 배경기술로서 설명된 사항들은 본 발명의 배경에 대한 이해 증진을 위한 것일 뿐, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이미 알려진 종래기술에 해당함을 인정하는 것으로 받아들여져서는 안 될 것이다.

본 발명은 연료전지용 서브가스켓 사출성형 시 수지의 과압 및 고열에 따른 연료전지 반응층의 변형과 수지의 침투현상을 방지하여 불량률을 개선하는 연료전지용 서브가스켓 성형장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 연료전지용 서브가스켓 성형장치는 연료전지 반응층이 내부에 안착되고, 합성수지의 유동공간을 구비하는 형틀; 형틀의 일측에 구비되어 형틀 내부로 합성수지를 주입하는 게이트; 형틀 내부에서 게이트와 연료전지 반응층의 측면 사이에 마련되어 게이트로부터 주입되는 합성수지가 직진하여 직접 연료전지 반응층의 측면을 가압하는 것을 차단하는 돌기부; 및 돌기부와 연료전지 반응층 사이의 공간으로서 합성수지의 유동공간 일부를 구성하며, 돌기부에 의하여 직진이 차단된 합성수지가 돌기부를 우회하여 진입하는 진입공간;을 포함한다.

연료전지 반응층은 막-전극 접합체 및 막-전극 접합체의 상면 및 하면에 기체확산층이 구성된 것을 특징으로 할 수 있으며,

돌기부의 폭은 게이트의 폭 이상으로 할 수 있다.

또한, 돌기부의 끝단과 형틀의 내면 사이에는 이격공간이 형성될 수 있고,

돌기부의 높이는 게이트의 높이 이상으로 할 수 있으며,

돌기부는 연료전지 반응층이 위치하는 방향에서 바라볼 때 게이트의 단면을 전부 가릴 수 있는 크기로 형성될 수 있다.

한편, 돌기부의 게이트를 마주하는 측면부에는 게이트 방향으로 돌출된 곡면 또는 경사면이 형성됨으로써 게이트를 통하여 유입된 합성수지의 굴절을 안내하도록 구성할 수 있으며,

형틀의 내부 높이는 연료전지 반응층이 위치하는 부분의 높이보다 게이트측 부분의 높이가 더 낮도록 할 수 있고,

형틀의 내부공간은 연료전지 반응층에서 게이트 방향으로 갈수록 상면과 하면의 간격이 좁아지는 경사부를 포함할 수 있다.

게이트는 형틀 내부공간의 측면 중 하단에 위치하고, 돌기부는 형틀 내부공간의 하면부에서 상방으로 돌출되도록 마련될 수 있다.

상술한 바와 같은 구조로 이루어진 연료전지용 서브가스켓 성형장치에 따르면, 연료전지용 서브가스켓 사출성형 시 수지의 과압 및 고열에 따른 연료전지 반응층의 변형과 수지의 침투현상을 방지하여 불량률을 개선할 수 있다.

특히, 형틀 내부에서 게이트와 연료전지 반응층의 측면 사이에 마련되는 돌기부와 형틀의 내부공간에 형성되는 경사부에 의하여 합성수지가 고압상태에서 직진하여 직접 연료전지 반응층의 측면을 가압하는 것을 차단한다.

또한, 돌기부의 측면에 형성되는 돌출된 곡면 또는 경사면에 의하여 직진이 차단된 수지가 돌기부를 우회하여 진입공간에 충진되도록 하여 연료전지 반응층의 변형과 수지의 침투현상을 방지함으로써 불량률을 개선할 수 있는 것이다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 연료전지용 서브가스켓 성형장치를 나타낸 평면도.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 연료전지용 서브가스켓 성형장치를 나타낸 단면도.
도 3은 도 1의 또 다른 실시예에 따른 연료전지용 서브가스켓 성형장치를 나타낸 도면.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 연료전지용 서브가스켓 성형장치의 합성수지의 유동흐름을 나타낸 도면.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 살펴본다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 연료전지용 서브가스켓 성형장치를 나타낸 평면도이고, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 연료전지용 서브가스켓 성형장치를 나타낸 단면도이며, 도 3은 도 1의 또 다른 실시예에 따른 연료전지용 서브가스켓 성형장치를 나타낸 도면이다. 또한, 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 연료전지용 서브가스켓 성형장치의 합성수지의 유동흐름을 나타낸 도면이다.

도 1 내지 2와 같이, 본 발명에 따른 연료전지용 서브가스켓 성형장치(100)는, 연료전지 반응층(200)이 내부에 안착되고, 합성수지의 유동공간을 구비하는 형틀(120); 형틀(120)의 일측에 구비되어 형틀(120) 내부로 합성수지를 주입하는 게이트(140); 형틀(120) 내부에서 게이트(140)와 연료전지 반응층(200)의 측면 사이에 마련되어 게이트(140)로부터 주입되는 합성수지가 직진하여 직접 연료전지 반응층(200)의 측면을 가압하는 것을 차단하는 돌기부(160); 및 돌기부(160)와 연료전지 반응층(200) 사이의 공간으로서 합성수지의 유동공간 일부를 구성하며, 돌기부(160)에 의하여 직진이 차단된 합성수지가 돌기부(160)를 우회하여 진입하는 진입공간(122);을 포함한다.

본 발명의 연료전지용 서브가스켓 성형장치(100)는 형틀(120), 게이트(140) 및 돌기부(160)로 구성되고, 형틀(120)과 돌기부(160)는 일체의 형상으로 제조되거나 돌기부(160)를 형틀(120)에 조립 또는 접착하여 구비할 수 있다.

특히, 지금까지는 서브가스켓 성형의 정밀성과 유동공간에의 충진률 향상을 위하여 게이트(140)를 통하여 형틀(120)로 유입되는 수지가 과압 및 과열된 상태로 인서트된 연료전지 반응층(200)의 측면을 직접 가압하여 수지의 과도한 침투현상이 발생하고 반응층(200)의 변형이 발생하는 것이 일반적이었다. 본 발명은 형틀(120) 내부에 마련된 돌기부(160)에 의하여 수지가 고온, 고압상태로 직접 연료전지 반응층(200)을 가압하는 것을 차단하는 바, 수지의 침투현상과 반응층(200)의 변형을 방지하여 사출성형 시 발생하는 불량률을 개선할 수 있도록 한다.

구체적으로, 형틀(120)은 연료전지 반응층(200)이 내부에 안착될 수 있는 공간을 구비하면서 연료전지 반응층(200)의 측면을 따라서 합성수지의 유동공간을 구비할 수 있다. 연료전지 반응층(200)이 안착될 수 있는 공간에서 형틀(120)은 연료전지 반응층(200)의 상면 및 하면과 밀착되도록 형성될 수 있다.

이에 따라, 합성수지의 유입으로 연료전지 반응층(200)의 상면과 하면에 합성수지층이 생겨 반응물이 되는 기체가 연료전지 반응층(200)의 상면과 하면에 접촉하는 것이 차단되는 것을 방지할 수 있다.

또한, 게이트(140)는 형틀(120)의 일측에 구비되어 형틀(120) 내부로 합성수지를 주입한다. 게이트(140)는 형틀(120)의 측면부 또는 합성수지 유동공간의 상면 또는 하면에 구비될 수 있으며, 형틀(120)은 복수의 게이트(140)를 구비할 수 있다.

게이트(140)를 통하여 유입되는 합성수지는 형틀(120) 내부에서의 유동 과정 중 점차 냉각되어 합성수지가 충진되어야 하는 공간까지 도달하지 못하고 경화되거나, 합성수지가 유입되는 압력이 지나치게 낮아 합성수지의 유동공간 일부에 합성수지가 충진되지 못하는 경우가 발생할 수 있다.

이에 따라, 게이트(140)를 통하여 주입되는 합성수지는 일반적으로 고온, 고압의 상태로 주입되며, 필요에 따라서는 형틀(120)의 각 부위별로 복수의 게이트(140)를 구비할 수 있는 것이다.

한편, 돌기부(160)는 형틀(120) 내부에서 게이트(140)와 연료전지 반응층(200)의 측면 사이의 공간에서 형틀(120)의 상부 또는 하부에 마련될 수 있으며, 바람직하게는 기둥 형상으로 구비될 수 있다.

종래의 인서트 사출방식은 형틀(120) 내부공간을 합성수지로 온전히 충진시키기 위하여 고온, 고압상태의 합성수지가 직접 인서트물의 외면을 가압하도록 하였는데, 인서트물의 재질이나 형상에 따라서는 고압의 합성수지가 인서트물의 내부로 침투될 수 있고, 고온에 의하여 인서트물과 합성수지의 접촉부 중심으로 인서트물의 변형이 발생할 수 있다.

따라서, 돌기부(160)는 인서트물이 되는 연료전지 반응층(200)과 게이트(140)의 사이에 마련되어 고압으로 주입된 합성수지가 직접 연료전지 반응층(200)의 측면을 가압하는 것을 차단하며, 직진이 차단된 합성수지는 돌기부(160)의 외면을 따라 우회하여 유동함으로써 압력이 저감된 상태로 연료전지 반응층(200)과 접촉하여 연료전지 반응층(200)으로의 합성수지 침투 현상을 방지할 수 있는 것이다.

또한, 돌기부(160)와 접촉하여 열을 빼앗긴 합성수지의 일부는 다른 부위에 우선하여 돌기부(160)의 주변에서 경화되므로, 이후에 주입되는 합성수지의 유동이 돌기부(160) 근방에서 굴절되는 것을 안내하는 형상으로 경화된다.

게다가, 형틀(120) 내부를 유동하는 합성수지의 유동경로는 돌기부(160)에 의해 우회경로를 가지면서 직선으로 유동하는 경우와 비교하여 냉각구간이 증가하게 되므로, 연료전지 반응층(200)과 접촉하는 합성수지의 온도가 더 낮아지는 효과를 가질 수 있다.

즉, 돌기부(160)는 게이트(140)로부터 주입되는 합성수지의 직진을 차단하고 돌기부(160)의 외면을 따라 우회경로를 갖게 함으로써 합성수지의 온도와 압력을 낮추어 연료전지 반응층(200)의 변형률과 수지 침투현상을 개선하게 되는 것이다.

한편, 도 1과 같이 합성수지의 유동공간 일부를 구성하는 진입공간(122)은 돌기부(160)와 연료전지 반응층(200) 사이의 공간으로서, 돌기부(160)에 의하여 직진이 차단된 합성수지는 돌기부(160)의 외면을 따라 우회하여 진입공간(122)에 충진되고 연료전지 반응층(200)의 측면에 접촉하게 된다.

특히, 합성수지는 돌기부(160)에 의하여 직진이 차단됨과 동시에 돌기부(160)와 멀어지는 방향으로 유동하지만, 타 게이트에서 유입되는 합성수지의 영향과 합성수지의 점성에 의하여 다시 돌기부(160)를 중심으로 모이는 유동흐름을 가진다. 즉, 합성수지는 돌기부(160)를 지나면서 돌기부(160)의 외면과 상응하는 유동흐름를 가지는 것이다.

따라서, 도 4와 같이 합성수지는 연료전지 반응층(200)과 접촉 시, 반응층(200)의 측면에 나란한 방향의 유동흐름을 가짐으로써 연료전지 반응층(200)의 측면에 수직하여 작용하는 가압이 저감되어 합성수지의 침투현상이 개선되는 것이다.

한편, 도 2와 같이, 연료전지 반응층(200)은 막-전극 접합체(210) 및 막-전극 접합체(210)의 상면과 하면에 마련되는 기체확산층(220)을 포함할 수 있다. 전해질막은 얇은 필름형상이며 전극 또한 얇은 금속재질로 구성되어 막-전극 접합체(210)는 연성이 높고 열에 취약할 수 있다. 따라서 막-전극 접합체(210)의 취급에 있어서 상당한 주의를 요하고 서브가스켓을 성형하는 과정에서도 불량률이 높다.

이에 따라, 기체확산층(220)을 막-전극 접합체(210)의 상면 및 하면에 적층하여 외면에 서브가스켓을 성형함으로써, 서브가스켓에 의한 형상규제 효과와 합성수지의 앵커효과를 통하여 막-전극 접합체(210)를 기체확산층(220)과 면착된 일체로서 성형할 수 있고, 이를 통하여 취급의 안정성과 사출성형의 불량률을 개선할 수 있는 것이다.

한편, 도 1과 같이, 돌기부(160)의 폭은 게이트(140)의 폭 이상으로 구비될 수 있다. 돌기부(160)의 폭이 게이트(140)보다 작은 경우, 게이트(140)를 통하여 주입되는 합성수지의 일부가 돌기부(160)에 의하여 차단됨이 없이 직진하여 유동할 수 있는 바, 합성수지의 직진을 온전히 차단하기 위하여 돌기부(160)의 폭은 게이트(140)의 폭 이상으로 구비될 수 있는 것이다.

또한, 도 2와 같이, 돌기부(160)의 높이(h3)는 게이트(140)의 높이(h1) 이상으로 구비될 수 있다. 게이트(140)는 바람직하게는 형틀(120)의 측면에 구비될 수 있는데, 형틀(120)의 상면 또는 하면에 구비되는 돌기부(160)의 높이(h3)가 게이트(140)의 직경에 대응하는 게이트(140)의 높이(h1)보다 작은 경우, 경우에 따라서 게이트(140)를 통하여 주입되는 합성수지의 일부가 돌기부(160)에 의하여 차단됨이 없이 직진하여 유동할 수 있다. 따라서, 합성수지의 직진을 온전히 차단하기 위하여 돌기부(160)의 높이(h3)는 게이트(140)의 높이(h1) 이상으로 구비될 수 있다.

즉, 돌기부(160)는 연료전지 반응층(200)이 위치하는 방향에서 바라볼 때 게이트(140)의 단면을 전부 가릴 수 있는 크기로 형성될 수 있는 것이다.

이에 따라, 게이트(140)를 통하여 주입되는 합성수지의 고압, 고온을 감소시키기 위하여 합성수지의 직진을 차단하는 돌기부(160)의 기능이 충실히 발현될 수 있도록 하는 것이다.

한편, 도 2와 같이, 형틀(120)의 상면 또는 하면에 구비되는 돌기부(160)의 끝단과 형틀(120)의 내면 사이에는 이격공간(162)이 형성될 수 있다. 바람직하게는 이격공간(162)은 돌기부(160)의 끝단과 형틀(120)의 상면 또는 하면 사이에서 형성될 수 있으며, 돌기부(160)에 의하여 직진이 차단되는 합성수지의 일부는 돌기부(160)를 넘어 돌기부(160)와 형틀(120)의 내면 사이의 공간으로 유동된다.

연료전지 반응과정에서 연료전지 반응층(200)의 상면에서 유동하는 반응기체와 연료전지 반응층(200)의 하면에서 유동하는 반응기체가 상호 연통되는 경우, 연료전지로서의 기능이 저감 또는 상실될 수 있다.

따라서, 돌기부(160)에 의하여 서브가스켓의 일부가 합성수지로 충진되지 못하고 연료전지 반응층(200)의 상면 및 하면이 연통되는 공간이 생성되는 것을 방지하기 위하여, 돌기부(160)와 형틀(120)의 내면 사이에 구비된 이격공간(162)에 합성수지를 충진시킴으로써 연료전지 반응층(200)의 상면과 하면에 존재하는 각각의 반응기체 유동공간을 상호 격밀하도록 하는 것이다.

한편, 도 3과 같이, 돌기부(160)의 게이트(140)를 마주하는 측면부에는 게이트(140) 방향으로 돌출된 곡면 또는 경사면(164)이 형성될 수 있다. 곡면 또는 경사면(164)은 돌기부(160)의 게이트(140)를 마주하는 측면부의 전면에 형성될 수 있고, 측면부의 일부가 돌기 형상으로 마련될 수 있다.

이러한 돌기부(160)의 곡면 또는 경사면(164)은 게이트(140)를 통하여 주입되어 돌기부(160)에 의해 직진이 차단된 합성수지를 돌기부(160)의 외면을 따라서 굴절하도록 안내함으로써, 합성수지가 연료전지 반응층(200)의 측면과 나란하게 유동하여 진입공간(122)으로 충진되는 것을 보다 용이하게 하는 것이다.

또한, 도 2와 같이, 형틀(120)의 내부 높이는 연료전지 반응층(200)이 위치하는 부분의 높이(h4)보다 게이트(140)측의 높이(h2)가 더 낮도록 구비될 수 있다. 따라서 연료전지 반응층(200)이 위치하는 공간의 단면적은 게이트(140)측보다 크게 형성된다.

이에 따라, 게이트(140)를 통하여 주입된 합성수지는 게이트(140)측에서 연료전지 반응층(200)을 향할수록 유동면적이 커짐에 따라서 유압이 저감되는 효과를 가지게 되고, 결국 연료전지 반응층(200)의 측면부를 가압하는 합성수지의 유압이 저감되어 연료전지 반응층(200)에 대한 합성수지의 침투현상을 개선할 수 있는 것이다.

특히, 도 2와 같이, 형틀(120)의 내부공간은 연료전지 반응층(200)에서 게이트(140) 방향으로 갈수록 상면과 하면의 간격이 좁아지는 경사부(124)를 포함할 수 있다. 경사부(124)는 형틀(120)의 상면 또는 하면 중 어느 하나 이상의 면이 경사지도록 형성된 공간을 의미한다.

경사부는 형틀(120)의 상면 또는 하면 중 어느 하나의 면은 일정하게 유지하면서 타면을 경사지도록 구비하거나, 상면 및 하면이 함께 경사지도록 구비하여 경사부(124)를 형성할 수 있다. 또한, 경사부(124)는 게이트(140)와 연료전지 반응층(200) 사이의 전 구간에서 형성될 수도 있고, 그 중 일부 구간에서만 형성될 수도 있다.

경사부(124)는 게이트(140)측으로부터 연료전지 반응층(200)을 향할수록 단면이 넓어지도록 구성되는 공간인 바, 합성수지가 게이트(140)측에서 연료전지 반응층(200)을 향하여 유동할수록 유동면적의 차이에 의하여 연료전지 반응층(200)의 측면부를 가압하는 합성수지의 유압이 저감되고 연료전지 반응층(200)에 대한 합성수지의 침투현상이 개선되는 것이다.

한편, 도 2와 같이, 연료전지용 서브가스켓 성형장치(100)는 바람직하게는 게이트(140)를 형틀(120) 내부공간의 측면 중 하단에서 구비하고, 돌기부(160)를 형틀(120) 내부공간의 하면부에서 상방으로 돌출되도록 마련할 수 있다.

게이트(140)로부터 주입되는 합성수지는 형틀(120)의 하면을 향하여 낙하한다. 따라서 돌기부(160)가 상단에 형성되는 경우, 합성수지가 돌기부(160)와 형틀(120)의 하면 사이에 형성된 이격공간(162)을 통하여 직진함으로써 연료전지 반응층(200)의 측면을 직접 가압할 수 있는 바, 연료전지 반응층(200)의 변형 및 합성수지의 침투현상이 발생할 수 있다.

따라서, 돌기부(160)는 형틀(120)의 하면에 구비되어 형틀(120)의 상면을 향하여 돌출되도록 마련되는 것이 게이트(140)를 통하여 유입되는 합성수지가 직진하여 유동하는 것을 차단함에 있어 바람직한 것이다.

또한, 돌기부(160)가 형틀(120)의 하면에서 마련되는 경우라도, 게이트(140)가 형틀(120) 내부공간의 측면 중 상부에 위치하는 경우, 합성수지가 형틀(120)의 하면에 마련되는 돌기부(160)와 형틀(120)의 상면 사이에서 형성되는 이격공간(162)을 통하여 직진하여 연료전지 반응층(200)의 측면을 가압할 수 있어, 연료전지 반응층(200)의 변형 및 합성수지의 침투현상이 발생할 수 있다.

따라서, 게이트(140)는 형틀(120) 내부공간의 측면 중 하부에 위치하는 것이 게이트(140)를 통하여 유입되는 합성수지가 직진하여 유동하는 것을 차단함에 있어 바람직한 것이다.

즉, 게이트(140)가 형틀(120) 내부공간의 측면 중 하단에 위치하고, 돌기부(160)는 형틀(120)의 하면에 마련되어 고온, 고압의 합성수지가 직진하여 연료전지 반응층(200)의 측면을 가압하는 것을 차단하는것이 바람직한 것이다.

본 발명은 특정한 실시예에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 이하의 특허청구범위에 의해 제공되는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 한도 내에서, 본 발명이 다양하게 개량 및 변화될 수 있다는 것은 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.

100 : 서브가스켓 성형장치 140 : 게이트
160 : 돌기부 200 : 연료전지 반응층