CN110341107B - 燃料电池用复合分离板的预制件制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供如下燃料电池用复合分离板的预制件制造方法及系统：能够提供将石墨和树脂粉末放入模具而加压成型的燃料电池分离板的预制件的厚度及密度均匀性。本发明分析燃料电池分离板预制件的厚度及密度不均匀的原因，基于该原因，根据扫描位置调节设置于使预制件成型的模具的料斗刮片的扫描路径高度，从而将成型的预制件的厚度和密度整体均匀化。掌握了预制件的密度和厚度相比于中心部而越朝向端部越增加的现象，并认为其原因在于料斗刮片的扫描及材料填充过程中端部侧被更强地加压，为解决该问题，不使料斗刮片的扫描路径持续保持水平，而使其高度越靠近中心部越高且向端部逐渐降低至原位置，从而在中心部填充更多的烧结材料，之后进行加压烧结。

Description

燃料电池用复合分离板的预制件制造方法
技术领域
本发明涉及一种燃料电池用复合分离板的预制件制造技术，尤其涉及一种包含石墨和氟系树脂的复合分离板预制件的制造技术。
背景技术
燃料电池将氢和氧供应至燃料极和空气极而直接生成电能。燃料电池较为环保并且能够设置在所需的位置，因此具有无须设置送电距离的优点，从而商用化为车辆用和建筑物用。这种燃料电池借助分离板而构成为多个叠层(stack)，并且用于使分离板的导电性和耐蚀性共存的材料和结构的开发正持续地进行。最近，包含石墨和氟系树脂的复合分离板以作为燃料电池分离板具有适当的的物性的方式被调整成分比而提供，并且混合各个粉末并经过利用几百吨的高压烧结的过程而被制造。在韩国授权专利10-1380401中提出过如下的复合分离板：在由金属制成的本体填充金属粉末浆料，并将包含石墨和树脂的石墨层熔接。这种结构导致制造工序变复杂，从而在分离板的量产和制造成本上升方面存在问题。
相较于此，混合石墨和树脂而制造的燃料电池分离板可以以较高的生产性和较低的制造成本制造，并且可以调节两者的组成比而具备燃料电池分离板的导电性、耐蚀性、轻量性等物性。如上所述的混合石墨和树脂的燃料电池分离板首先将石墨粉末和树脂粉末以适当的组成比配合而按压成型，从而制造成预制件，然后经过后续加工而完成。在预制件制作步骤中，加压成型以如下方式进行：将石墨和树脂的复合材料用刮片以类似涂覆的方式在模具展开，然后以700吨左右的压力加压而烧结。为了进一步增加燃料电池的容量，倾向于进一步大面积化。问题在于，随着增加预制件的面积，难以维持厚度及密度均匀性。欲要填充到模具的烧结材料通过使连接于模具的料斗刮片经过模具上方而被填充，但是检查烧结后制造的预制件的厚度及密度的结果为，大部分预制件的厚度向中心部逐渐变薄，并且密度降低。对于具有如上所述的厚度偏差和密度偏差的预制件的中心部而言，在被加工成燃料电池分离板的步骤中，中心部可能会提供腐蚀的起始点，不仅如此，在被用于燃料电池分离板的情况下，中心部也可能会提供腐蚀的起始点，并且可能会表现出导电性的不均匀性，其结果可能表现为脆性。
发明内容
因此，本发明的目的在于提供一种如下的预制件制造方法及装置：能够提供用于将石墨和树脂粉末放入模具而加压成型的燃料电池分离板的预制件的厚度及密度均匀性。
根据上述目的，本发明中，首先分析燃料电池分离板预制件的厚度及密度不均匀的原因，并以此为基础而根据扫描位置调节设置于使预制件成型的模具的料斗刮片的扫描路径高度，从而将成型的预制件的厚度和密度整体地均匀化。
即，本发明中，掌握了预制件的密度和厚度相比于预制件的中心部，向预制件的端部逐渐增加的现象，并且认为其原因是料斗刮片的扫描及材料填充过程中，端部侧被更强地加压，为了解决上述问题，不使料斗刮片的扫描路径持续保持水平，而使其高度越靠近中心部越高，并向端部逐渐降低至原位置，从而在中心部填充更多的烧结材料，然后进行加压烧结。
通过变更驱动模块，从将支撑料斗刮片并使其移动的驱动部仅沿着水平(x)方向驱动的现有的方式改为还能够沿着竖直(z)方向驱动，并将现有制作方式中的预制件的厚度及密度变化分析结果统计处理，并据此以根据分析结果控制竖直路径的方式进行编程，从而驱动了驱动部。
根据本发明，混合石墨和树脂的复合分离板的预制件即使被大面积化也能够制造成厚度及密度从端部到中心部都均匀。这种产品的均匀性在日后应用于加工步骤和燃料电池时能够降低次品率。
附图说明
图1是示出根据现有技术而制造的燃料电池分离板预制件的密度不均匀性的图形及表。
图2是示出根据本发明而制造燃料电池分离板的预制件时，在使料斗刮片水平移动的同时沿着竖直方向调节高度的情形的示意性的顺序图。
图3是示出根据本发明而制作的预制件的厚度及密度校正实验结果的图形。
具体实施方式
以下，参照附图对本发明的优选实施例进行详细说明。
图1是示出根据现有技术而制作燃料电池分离板的预制件的情况下，密度朝向中心部逐渐变小的情形的图。如上所述，将石墨粉末和树脂粉末(氟系树脂，或热固性环氧树脂等)以大约70至90:30至10重量％混合的烧结材料在模具扫描料斗刮片而填充，然后加压烧结而制成。加压烧结大致施加700吨左右的压力而进行。料斗刮片的扫描速度被均匀地控制为大约为20至30L/min，从而能够确认，其厚度和密度在中心部大幅降低。虽然认为其原因是料斗刮片的不良，从而替换料斗刮片并将扫描速度降低为10至20L/min，但结果如右侧所示，依然表现出厚度偏差，并且密度偏差完全没有改善。即，通过刮片的移送速度改善无法大幅改善厚度偏差，并且完全无法改善密度偏差。
因此，发明人判断为预制件的厚度和密度偏差的产生原因如图2所示地起因于不同的点，从而考虑了其他改善方案。
即，随着料斗刮片沿着水平方向被扫描移送，起到在端部更进一步地对填充于模具的烧结材料进行加压的作用。即，烧结材料在扫描移送的过程中在端部相比于中心部受到更多的横向压力，因此相比于中心部而更厚地填充，且实现高密度化。
为了解决上述问题，发明人令在模具的中心部填充更多的量的烧结材料。为此，对与模具的上端部相接而扫描的料斗刮片的驱动进行水平方向的控制，除此之外还能够进行竖直方向的控制，从而可以在模具中心部调高高度而在中心部填充更多的烧结材料。更具体地说，可以根据如图1所示的密度分布，将料斗刮片的高度控制为与密度分布相互对称，以使料斗刮片能够补偿该密度分布。为了料斗刮片的竖直方向的驱动控制，将图1的密度分布输入到控制模块，并将料斗刮片的竖直方向的路径编程为与所述密度分布对称，从而自动控制。将模具的两端部四等分而从出发点标度为1、2、3、4、5，由于在3至4区间表现出最低的密度分布，因此为了进行补偿而在3至4区间以最高的高度驱动料斗刮片。可以使料斗刮片的水平扫描速度按各个区间而不同，即在3至4区间最缓慢地行进，但是在这种情况下，编程可能更为复杂，并且随着料斗刮片扫描，可能将堆在中心部的烧结材料流向端部侧，因此不优选。
如图2所示，为了使与模具上端部相接而扫描的料斗刮片根据地点而竖直上升及下降，本发明使模具本身上升及下降。由于模具壁的上升，料斗刮片使更多的分量的烧结材料填充到相应位置。模塑壁的包括上升及下降的轨迹为了根据如上所述的图1的预制件密度分析结果进行补偿而被控制为对称。即，根据图1的密度分布图形以及上下对称的轨迹而控制模具壁及料斗刮片的移送轨迹。因此，填充于模具的烧结材料的轮廓也因为在中心部堆砌更高，从而形成为与图1的密度分布图形上下对称。此后，利用加压件进行加压并高温烧结而制作预制件。料斗刮片的扫描速度(x方向)被均匀地控制为20至30L/min，并且在实验例中为25L/min。
如上所述地制作的燃料电池分离板的预制件的密度测量结果图示于图3。
相比于现有技术，在3至4区间内表现出低密度的现象得到改善，从而能够确认整体表现出几乎均匀的密度分布。
本发明由作为课题编号为20163010032040号的韩国产业通商资源部的新再生能源核心技术开发事业的“磷酸型燃料电池用大型分离板国产化技术开发”课题提出。
本发明的权利不限于上述的实施例，而由权利要求书定义，在本发明的领域中具有基本知识的人员显然能够在权利要求书中记载的权利范围内进行多样的变形和制造。

Claims (6)

1.一种燃料电池分离板的预制件制造方法，其特征在于，为了使燃料电池分离板的预制件成型而包括如下步骤：
准备烧结材料；
为了将所述烧结材料填充到模具，在与模具壁的上端相接而扫描移送的料斗刮片的料斗中放入所述烧结材料；
将所述料斗刮片驱动为沿着模具壁上端扫描移送并使所述料斗刮片随着向模具的中心部行进而其高度相比于在模具的端部时的高度更高，从而使填充于模具的中心部的烧结材料比填充于模具的端部的烧结材料更多；
在完成将烧结材料填充到模具之后通过加压烧结使燃料电池分离板的预制件成型。
2.如权利要求1所述的燃料电池分离板的预制件制造方法，其特征在于，
分析通过不使所述料斗刮片的高度变化而进行扫描移送来制作的燃料电池分离板的预制件的密度，并测量根据预制件的位置而表现出的密度变化，从而得出密度变化轨迹，并将料斗刮片驱动部控制为沿着与该密度变化轨迹相反的轨迹驱动。
3.如权利要求1所述的燃料电池分离板的预制件制造方法，其特征在于，
为了改变所述料斗刮片的高度而使所述模具壁上升或下降。
4.一种燃料电池分离板的预制件制造系统，其特征在于，为了使燃料电池分离板的预制件成型而包括：
模具，用于将烧结材料装载并加压烧结；
料斗刮片，用于在与所述模具壁上端相接而扫描移送的同时将烧结材料填充在所述模具内；
驱动部，用于控制所述料斗刮片的移送，
其中，所述驱动将所述料斗刮片驱动为沿着所述模具壁上端扫描移送并使所述料斗刮片随着向模具的中心部行进而其高度相比于在模具的端部时的高度更高，从而使填充于模具的中心部的烧结材料比填充于模具的端部的烧结材料更多，
并且在完成将烧结材料填充到模具之后，模具的加压部对烧结材料进行加压烧结而使燃料电池分离板的预制件成型。
5.如权利要求4所述的燃料电池分离板的预制件制造系统，其特征在于，
所述驱动部被设置有如下的程序模块：分析通过不使所述料斗刮片的高度变化而进行扫描移送来制作的燃料电池分离板的预制件的密度，并测量根据预制件的位置而表现出的密度变化，从而得出密度变化轨迹，并将料斗刮片控制为沿着与该密度变化轨迹相反的轨迹驱动。
6.如权利要求4所述的燃料电池分离板的预制件制造系统，其特征在于，
为了改变所述料斗刮片的高度，所述驱动部使所述模具壁上升或下降。
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