JP6677401B2 - チャンネルプレートの製造装置及び製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、チャンネルプレートの製造装置及び製造方法に関するものである。特に、燃料電池用分離板の製造装置及び製造方法に関するものである。
本出願は、２０１５年１０月３０日付韓国特許出願第１０−２０１５−０１５２５４５号に基づく優先権の利益を主張し、その韓国特許出願の文献に開示されたすべての内容は、本明細書の一部として含まれる。
一般的に、燃料電池システムは、燃料電池スタックと燃料電池スタックに水素を含む燃料を供給する燃料供給部及び燃料電池スタックの電気化学反応に必要な酸素を含む酸化剤を供給する空気供給部を含み得る。前記のような構造を有する燃料電池システムは、燃料と空気の電気化学的な反応によって電気エネルギーを発生させ、反応副産物として熱と水を排出することになる。
燃料電池スタックは、分離板が連続的に配列されることによって形成され、膜−電極アセンブリ（ＭＥＡ：Ｍｅｍｂｒａｎｅ−Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ）を挟んで膜−電極アセンブリの両側にそれぞれ分離板が配置され得る。
前記分離板は、一対の金属プレートを含み得、前記分離板には、燃料及び空気をそれぞれ膜−電極アセンブリに供給する水素流路と空気流路及び冷却媒体（例えば、冷却水）を流動させるための冷却水流路がそれぞれ設けられる。このとき、冷却水流路は、冷却媒体が一対のプレートの間の空間に流動するように設けられ得る。このとき、それぞれの流路は、チャンネル及び/またはリブによって形成される。
従来の燃料電池用分離板の製作方法としては、一般的なメタルラス（Ｍｅｔａｌ Ｌａｔｈ）または拡張メタルラス工程を一部変形/改造した方法が用いられている。しかし、従来のメタルラスまたは拡張メタルラスの方法によって金属多孔質分離板を製造する場合、成形プレス装置及び精密金型の構築/製作に必要となる時間/費用が増加することになり、生産効率が減少することになるなどの技術的な問題が発生する。
本発明は、チャンネルプレート、特に燃料電池用分離板を製造するにおいて、生産性及び経済性を同時に向上させることができるチャンネルプレートの製造装置及び製造方法を提供することが、解決しようとする課題である。
前記の課題を解決するために、本発明の一側面によると、プレートに物質の伝達のためのチャンネルを形成するための製造装置であって、前記チャンネルプレートの製造装置は、打孔ユニット及び加圧ユニットを含む。具体的に、前記チャンネルプレートの製造装置は、プレートを通過させるように配置された一対の第１ローラーを含み、前記プレートの移送過程でプレートに複数の開口部を形成するためにそれぞれの第１ローラーの外周面に複数の陽刻パターンが設けられた打孔ユニットと、打孔ユニットを通過したプレートの開口部領域を所定の角度及び方向に曲げるように加圧することにより、プレートにチャンネルを形成するように設けられた加圧ユニットを含む。
また、複数の陽刻パターンは、長さ、幅、及び厚さが同じに設けられ得る。
また、複数の陽刻パターンは、長さ、幅、または厚さの中の少なくとも一つが互いに異なるように設けられ得る。
また、一対の第１ローラーは、同じ構造を有し得る。また、プレートの特定地点に接触する上部第１ローラーの陽刻パターンと下部第１ローラーの陽刻パターンが同じになるように設けられ得る。
また、加圧ユニットは、プレートを通過させるように配置された一対の第２ローラーを含み、少なくとも一つの第２ローラーは、外周面に複数の陽刻パターンを有し得る。
また、一対の第２ローラーは、同じ陽刻パターンを有し、プレートの特定地点に接触する上部第２ローラーの陽刻パターンと下部第２ローラーの陽刻パターンが同じになるように設けられ得る。
また、一対の第２ローラーは、互いに異なる陽刻パターンを有し、プレートの特定地点に接触する上部第２ローラーの陽刻パターンと下部第２ローラーの陽刻パターンが異なるように設けられ得る。
また、一つの第２ローラーは、外周面に複数の陽刻パターンを有し、残りの第２ローラーは、外周面に陽刻パターンを有しないことがあり得る。
また、チャンネルプレートは、燃料電池用分離板であり得る。
また、前記製造装置は、プレートの移送のための複数の移送ロールを追加で含み得る。
また、加圧ユニットは、一対の第３ローラーを含み得る。また、一対の第３ローラーは、回転軸方向に沿ってそれぞれ一つ以上の段差を有するように設けられ得る。
また、前記製造装置は、加圧ユニットを通過したプレートを圧延させるための圧延ユニットを追加で含み得る。
また、圧延ユニットは、回転可能に設けられた一対の圧延ロールを含み得る。
また、一対の第３ローラーは、プレートの特定地点に接触する上部第３ローラーの直径と下部第３ローラーの直径が異なるように設けられ得る。
また、本発明の他の側面によると、プレートに物質の伝達のためのチャンネルを形成するためのチャンネルプレートの製造方法であって、プレートの移送過程で所定のパターンを有するように設けられた一対の第１ローラーを用いて前記プレートに複数の開口部を形成する打孔段階と、打孔が完了したプレートの開口部領域を一対の第２ローラーで加圧して所定の角度及び方向に曲げることにより、前記プレートにチャンネルを形成するための加圧段階を含むチャンネルプレートの製造方法が提供される。
また、前記製造方法は、加圧段階が完了した後、プレートの移送過程で前記プレートを圧延させるための圧延段階を追加で含み得る。
また、前記製造方法は、加圧段階が完了した後、プレートの移送過程で前記プレートの曲がった領域を少なくとも一部伸ばすためのスプレッディング段階を追加で含み得る。
以上で説明したように、本発明の一実施例と関連するチャンネルプレートの製造装置及び製造方法は、次のような効果を有する。
燃料電池の反応面内の反応ガスの物質（酸化剤、例えば酸素）伝達促進（反応ガスの利用率の向上）及び水のバランスを制御するための３次元金属多孔質分離板の微細流路（チャンネル）形状を設計することができる。
また、金属多孔質分離板を具現するにおいて、ロータリー（Ｒｏｔａｒｙ）製作技術を通じて、生産性と経済性を同時に向上させることができる。
また、製作工程の特性上、流動摩擦抵抗が少ない波状の断面形状を有する微細流路で構成された金属多孔質分離板の製作が可能である。
以下、本発明の一実施例によるチャンネルプレートの製造装置及び製造方法を添付された図面を参照して詳細に説明する。
また、図面符号にかかわらず、同一または対応する構成要素は、同一または類似の参照番号を付与してこれに対する重複説明は省略することにし、説明の便宜のために、図示された各構成部材の大きさ及び形状は、誇張または縮小されることができる。
図１は本発明の一実施例と関連するチャンネルプレートの製造装置を示す斜視図であり、図２は図１に図示された打孔ユニットを示す斜視図であり、図３は図１に図示された加圧ユニットを示す正面図である。
また、図４は図３に図示された加圧ユニットを通過したプレートの正面図であり、図５はスプレッディング（Ｓｐｒｅａｄｉｎｇ）工程を経たプレートの正面図である。
図１を参照すると、本発明の一実施例と関連するチャンネルプレートの製造装置１００は、プレートに物質の伝達のためのチャンネルを形成するための製造装置と関連する。特に、前記チャンネルプレートの製造装置１００には、ロータリー（Ｒｏｔａｒｙ）製作方式が適用される。また、本文書でチャンネルプレートは、燃料電池用分離板であり得る。このとき、前記チャンネルは、反応ガス及び/または水（生成水）が流動する流動チャンネルを意味する。
前記製造装置１００は、打孔ユニット１１０及び加圧ユニット１２０を含む。
前記打孔ユニット１１０は、プレートＰを通過させるように配置された一対の第１ローラー１１１、１１４を含む。また、前記プレートＰの移送過程で、プレートに複数の開口部Ｏを形成するために、それぞれの第１ローラー１１１、１１４の外周面には、複数の陽刻パターンが設けられる。また、加圧ユニット１２０は、打孔ユニット１１０を通過したプレートＰ１の開口部Ｏの領域を所定の角度及び方向に曲げるように加圧することにより、プレートＰ１にチャンネルを形成するように設けられる。一方、前記"開口部領域"という用語は、開口部及び開口部の隣接領域を含む意味で使われることができる。
具体的に、前記製造装置１００は、プレートＰの移送過程で、プレートＰに複数の開口部Ｏを形成するための所定のパターンを有する一対の第１ローラー１１１、１１４を含む打孔ユニット１１０を含む。一対の第１ローラー１１１、１１４は、回転することにより、その間の空間にプレートＰを通過させ、プレートＰが通過する過程で、前記パターンによってプレートＰに複数の開口部Ｏが形成される。
また、前記製造装置１００は、チャンネルを形成するために前記打孔ユニット１１０を通過したプレートＰ１のそれぞれの開口部Ｏの領域を加圧することにより、所定の角度及び方向に曲げるように設けられた一対の第３ローラー１２１、１２２を含む加圧ユニット１２０を含む。
また、前記製造装置１００は、プレートＰの移送のための複数の移送ロール１４０を追加で含み得る。
図１及び図３を参照すると、一対の第３ローラー１２１、１２２は、回転軸方向（ｘ軸方向）に沿ってそれぞれ一つ以上の段差を有するように設けられる。また、一対の第３ローラー１２１、１２２は、プレートＰ２の特定地点に接触する上部第３ローラー１２１の直径と下部第３ローラー１２２の直径が異なるように設けられ得る。前記加圧ユニット１２０を通過する過程で、開口部Ｏの領域に曲がりが発生し、これによって３次元形状のチャンネルが形成される。特に、加圧ユニット１２０を通過する過程で、前記プレートＰ２にストレッチ（Ｓｔｒｅｔｃｈ）/エキスパンディング（Ｅｘｐａｎｄｉｎｇ）が行われ、これらの加工を通じて３次元微細流路形状が具現されることができる。一方、未説明符号１２３は、プレートが通過する空間を示す。
図４を参照すると、拡張メタルラスの成形製作品と類似した高さ方向の段差を有する波状断面の連続部材が形成されることを確認することができる。
また、前記製造装置１００は、加圧ユニット１２０を通過したプレートを圧延させるための圧延ユニット１３０を追加で含み得る。また、圧延ユニット１３０は、回転可能に設けられた一対の圧延ロールを含み得る。前記圧延ロールを通過することによって、隣接構成要素（膜−電極接合体、ガス拡散層など）との接触面積を確保することができる。同時に、接触抵抗を減少させ、加工/製作段階で発生し得るバー（Ｂｕｒｒ）を制御することもできる。一方、加圧段階が完了した後、プレートＰ２の移送過程で前記プレートの曲がった領域を少なくとも一部伸ばすためのスプレッディング段階が必要に応じて選択的に実行されることができる。スプレッディング段階を経たプレートの正面は、図５に図示されるとおりである。
図２を参照すると、打孔ユニット１１０は、プレートを通過させるように配置された一対の第１ローラー１１１、１１４を含み、それぞれの第１ローラー１１１、１１４は、外周面に複数の陽刻パターン１１２、１１３を有する。
また、複数の陽刻パターン１１２、１１３は、長さ、幅、及び厚さが同じに設けられ得る。これとは別の方法で、複数の陽刻パターン１１２、１１３は、長さ、幅、または厚さの中の少なくとも一つが互いに異なるように設けられ得る。
また、一対の第１ローラー１１１、１１４は、同じ構造を有し得る。また、開口部Ｏを形成するためにプレートＰの特定地点に接触する上部第１ローラー１１１の陽刻パターンと下部第１ローラー１１４の陽刻パターンが同じになるように設けられ得る。コイル形態で装着された打孔ユニット１１０に連続移送する薄板移送段階が実行され、前記打孔ユニット１１０は、モーターによって時計/反時計方向にそれぞれ回転する上部及び下部の第１ローラーの整合によって微細流路/リブの幅及び配列形態に合致する切断線（開口部）が形成される。一方、切断線の間のストリップ（Ｓｔｒｉｐ）領域が微細流路の高さに合わせてストレッチ/エキスパンディングされる区間であり得る。
また、図６から図８は、加圧ユニットの様々な実施例を説明するための斜視図である。
本発明のまた他の実施例による製造装置１００は、プレートの移送過程でプレートに複数の開口部を形成するための所定のパターンを有するように設けられた打孔ユニット１１０及びチャンネルを形成するために前記打孔ユニットを通過したプレートの開口部領域を加圧することにより、所定の角度及び方向に曲げるように設けられた加圧ユニット１５０、１６０、１８０を含む。
図６及び図７を参照すると、加圧ユニットは、プレートを通過させるように配置された一対の第２ローラーを含み、少なくとも一つの第２ローラーは、外周面に複数の陽刻パターンを有し得る。
図６を参照すると、加圧ユニット１５０は、プレートを通過させるように配置された一対の第２ローラー１５１、１５３を含み、上部及び下部第２ローラー１５１、１５３は、外周面に複数の陽刻パターン１５２、１５４を有し得る。このとき、一対の第２ローラー１５１、１５４は、同じ陽刻パターンを有し、プレートの特定地点に接触する上部第２ローラー１５１の陽刻パターン１５２と下部第２ローラー１５３の陽刻パターン１５４が同じになるように設けられ得る。
図７を参照すると、加圧ユニット１５０は、プレートを通過させるように配置された一対の第２ローラー１５１、１５３を含み、一つの第２ローラー１６１（例えば、上部ローラー）は、外周面に複数の陽刻パターン１６２を有し、残りの第２ローラー１６４（例えば、下部ローラー）は、外周面に陽刻パターンを有さないことがあり得る。下部第２ローラーの外周面は、パターンが形成されていない滑らかな面１６４として形成されることができる。
図８を参照すると、加圧ユニット１８０は、プレートを通過させるように配置された一対の第２ローラー１８１、１８３を含み、上部及び下部第２ローラー１８１、１８３は、外周面に複数の陽刻パターン１８２、１８４を有し得る。このとき、一対の第２ローラー１８１、１８３は、互いに異なる陽刻パターンを有し、プレートの特定地点に接触する上部第２ローラー１８１の陽刻パターン１８２と下部第２ローラー１８３の陽刻パターン１８４が異なるように設けられ得る。
一方、加圧ユニットが図６から図８に示すように構成される場合、スプレッディング段階は、省略されることができる。
また、本発明の一実施例と関連するチャンネルプレートの製造方法は、プレートの移送過程で所定のパターンを有するように設けられた一対の第１ローラーを用いて前記プレートに複数の開口部を形成する打孔段階と、打孔が完了したプレートの開口部領域を一対の第２ローラーで加圧して所定の角度及び方向に曲げることにより、前記プレートにチャンネルを形成するための加圧段階を含む。
また、前述したように、前記製造方法は、加圧段階が完了した後、プレートの移送過程で前記プレートを圧延させるための圧延段階を追加で含み得る。
また、前記製造方法は、加圧段階が完了した後、プレートの移送過程で前記プレートの曲がった領域を少なくとも一部伸ばすためのスプレッディング段階を追加で含み得る。
前記で説明された本発明の好ましい実施例は、例示の目的のために開示されたものであって、本発明に対する通常の知識を有する当業者であれば、本発明の思想と範囲内で様々な修正、変更、付加が可能であり、これらの修正、変更及び付加は、下記の特許請求の範囲に属するものと理解すべきである。
本発明によると、燃料電池の反応面内の反応ガスの物質伝達促進及び水のバランスを制御するための３次元金属多孔質分離板の微細流路の形状を設計することができる。
Claims (17)
- プレートに物質の伝達のためのチャンネルを形成するための製造装置であって、
プレートを通過させるように配置された一対の第１ローラーを含み、前記プレートの移送過程でプレートに複数の開口部を形成するためにそれぞれの第１ローラーの外周面に複数の陽刻パターンが設けられた打孔ユニットと、
打孔ユニットを通過したプレートの開口部領域を所定の角度及び方向に曲げるように加圧することにより、プレートにチャンネルを形成するように設けられた加圧ユニットを含み、
前記加圧ユニットは、上部第３ローラーと下部第３ローラーとを含み、
前記上部第３ローラーおよび前記下部第３ローラーは、回転軸方向に沿ってそれぞれ一つ以上の段差を有し、前記プレートの特定地点に接触する前記上部第３ローラーの直径と前記下部第３ローラーの直径が異なるように設けられる、チャンネルプレートの製造装置。 - 複数の陽刻パターンは、長さ、幅、及び厚さが同じに設けられた請求項１に記載のチャンネルプレートの製造装置。
- 複数の陽刻パターンは、長さ、幅、または厚さの中の少なくとも一つが互いに異なるように設けられた請求項１に記載のチャンネルプレートの製造装置。
- 一対の第１ローラーは、同じ構造を有し、
プレートの特定地点に接触する上部第１ローラーの陽刻パターンと下部第１ローラーの陽刻パターンが同じになるように設けられた請求項１から３のいずれか一項に記載のチャンネルプレートの製造装置。 - 加圧ユニットは、プレートを通過させるように配置された一対の第２ローラーを含み、
少なくとも一つの第２ローラーは、外周面に複数の陽刻パターンを有する、請求項１から４のいずれか一項に記載のチャンネルプレートの製造装置。 - 一対の第２ローラーは、同じ陽刻パターンを有し、
プレートの特定地点に接触する上部第２ローラーの陽刻パターンと下部第２ローラーの陽刻パターンが同じになるように設けられた請求項５に記載のチャンネルプレートの製造装置。 - 一対の第２ローラーは、互いに異なる陽刻パターンを有し、
プレートの特定地点に接触する上部第２ローラーの陽刻パターンと下部第２ローラーの陽刻パターンが異なるように設けられた請求項５に記載のチャンネルプレートの製造装置。 - 一つの第２ローラーは、外周面に複数の陽刻パターンを有し、
残りの第２ローラーは、外周面に陽刻パターンを有さない請求項５に記載のチャンネルプレートの製造装置。 - チャンネルプレートは、燃料電池用分離板である請求項１から８のいずれか一項に記載のチャンネルプレートの製造装置。
- プレートの移送のための複数の移送ロールを追加で含む請求項１から９のいずれか一項に記載のチャンネルプレートの製造装置。
- 前記加圧ユニットは、一対の第３ローラーを含み、
一対の第３ローラーは、回転軸方向に沿ってそれぞれ一つ以上の段差を有するように設けられた請求項１から１０のいずれか一項に記載のチャンネルプレートの製造装置。 - 加圧ユニットを通過したプレートを圧延させるための圧延ユニットを追加で含む請求項１１に記載のチャンネルプレートの製造装置。
- 圧延ユニットは、回転可能に設けられた一対の圧延ロールを含む請求項１２に記載のチャンネルプレートの製造装置。
- 一対の第３ローラーは、プレートの特定地点に接触する上部第３ローラーの直径と下部第３ローラーの直径が異なるように設けられた請求項１１に記載のチャンネルプレートの製造装置。
- プレートに物質の伝達のためのチャンネルを形成するためのチャンネルプレートの製造方法であって、
プレートの移送過程で所定のパターンを有するように設けられた一対の第１ローラーを用いて前記プレートに複数の開口部を形成する打孔段階と、
打孔が完了したプレートの開口部領域を一対の第２ローラーで加圧して所定の角度及び方向に曲げることにより、前記プレートにチャンネルを形成するための加圧段階を含み、
前記一対の第２ローラーは、上部第２ローラーと下部第２ローラーとを含み、
前記上部第２ローラーおよび前記下部第２ローラーは、回転軸方向に沿ってそれぞれ一つ以上の段差を有し、前記プレートの特定地点に接触する上部第２ローラーの直径と前記下部第２ローラーの直径が異なるように設けられる、チャンネルプレートの製造方法。 - 加圧段階が完了した後、プレートの移送過程で前記プレートを圧延させるための圧延段階を追加で含む請求項１５に記載のチャンネルプレートの製造方法。
- 加圧段階が完了した後、プレートの移送過程で前記プレートの曲がった領域を少なくとも一部伸ばすためのスプレッディング段階を追加で含む請求項１６に記載のチャンネルプレートの製造方法。
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