KR100817858B1 - 초음파 용착에 의해 밀봉-결합된 연료전지용 금속분리판어셈블리 - Google Patents

Abstract

용접시 소재자체에는 영향을 주지 않고, 용접비용이 저렴하여 경제적이면서 용접속도가 짧아 대량생산이 가능하고, 0.3mm 이하(최적은 0.1mm이하)의 두께를 가진 박판의 금속분리판에 적용하더라도 열변형을 방지할 수 있는 연료전지용 금속분리판 어셈블리가 제공된다. 본 발명에 따른 연료전지용 금속분리판 어셈블리는 0.05~0.3mm의 두께를 가지는 금속 판재의 제1면에 형성되며, 양각-음각 패턴이 교대로 배치되는 요철형상의 공기 또는 수소가스 유로; 상기 판재의 제2면에 형성되며, 제1면의 요철형상에 대응되는 음각-양각 패턴이 교대로 배치되는 요철형상의 냉각수 유로; 제1면과 제2면을 관통하여 형성되는 공기, 냉각수, 및 수소 가스 매니폴더부; 유로들과 매니폴더부들 외곽인 판재의 테두리부에 적층면의 반대면으로 돌출되도록 형성되는 가스켓 장착부를 각각 포함하는 두 장의 연료전지용 금속분리판이 적층되어 있고, 두 장의 연료전지용 금속분리판이 적층되면서 생기는 가스켓 장착부 영역의 공간 내부에는 고분자 재질의 가스켓이 삽입되어 있으며, 가스켓과 두 장의 연료전지용 금속분리판 각각의 가스켓 장착부가 초음파 용착에 의해 금속-고분자 계면 용접되어 있는 것을 특징으로 한다.

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Description

초음파 용착에 의해 밀봉-결합된 연료전지용 금속분리판 어셈블리{Metal separator assembly for fuel cell that sealed and assembled by ultrasonic-welding}

본 발명은 연료전지용 금속분리판 어셈블리(metal separator assembly)에 관한 것으로, 보다 상세하게는 초음파 용착(ultrasonic welding)에 의해 밀봉-결합되어 있는 연료전지용 금속분리판 어셈블리에 관한 것이다.

연료전지의 단위셀은 전압이 낮아 실용성이 떨어지기 때문에, 일반적으로 수개에서 수백개의 단위셀을 적층하여 사용한다. 단위셀의 적층 시 단위셀 간 전기적 접속이 이루어지게 하고, 반응 가스를 분리시켜주는 역할을 하는 것이 분리판(separator)이다.

분리판은 막-전극 집합체(MEA)와 더불어 연료전지의 핵심부품으로 막-전극 집합체와 기체확산층(GDL)의 구조적 지지, 발생된 전류의 수집 및 전달, 반응가스의 수송 및 제거, 반응열제거를 위한 냉각수 수송 등의 다양한 역할을 담당한다.

분리판을 금속판재를 이용하여 제조할 경우엔 복수개의 요철부의 형태로 형성된 반응가스 및 냉각수 유로 및 매니폴더부가 형성된 2장의 분리판을 서로 밀봉-결합시켜 결합면 내부로는 냉각수가 흐르도록 하고, 그 바깥면으로는 수소가스와 산소가스가 흐르도록 해주는 구조로 되어 있다.

이때, 두 장의 금속분리판을 서로 밀봉-결합을 하는 방법으로는 금속분리판의 테두리부에 고분자수지로 된 가스켓을 형성하여 수지의 결합력으로 이들을 결합하는 방식이 일반적으로 사용되고 있으나, 고분자 수지는 고온의 연료전지 작동환경에서 내구성이 떨어진다는 문제가 있었다.

이를 대체하기 위하여 레이저용접이나 브레이징 용접과 같은 방법이 도입되었으나, 이러한 방법들은 0.5mm 이상의 후판으로 된 금속분리판의 용접에는 적합하나, 현재 분리판의 두께가 0.5mm에서 최근에 0.3~0.2mm로 얇아지고 있고, 향후 0.1mm의 두께까지 기술개발이 이루어질 것을 예상할 때, 레이저 용접이나 블레이징 용접은 용접 시 발생하는 고온으로 인한 박판의 열변형이 발생할 수 있다는 한계가 있다.

또한, 레이저 용접은 초기투자비용이 높고 박판 용접 시 열변형으로 인한 품질확보가 어렵다는 문제가 있으며, 브레이징 용접의 경우엔 접합시간이 길고 연속공정이 어려워 생산속도가 떨어진다는 문제가 지적되고 있다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 경제적이면서도 대량생산이 가능하고 0.3mm 이하(최적 0.1mm 이하)의 박판 공정 시에도 열변형 없이 안정적으로 접합이 가능한 초음파 용착을 이용한 연료전지용 금속분리판 어셈블리를 제공하는데에 있다.

본 발명이 이루고자 하는 과제들은 이상에서 언급한 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료전지용 금속분리판 어셈블리는 0.05~0.3mm의 두께를 가지는 금속 판재의 제1면에 형성되며, 양각-음각 패턴이 교대로 배치되는 요철형상의 공기 또는 수소가스 유로; 상기 판재의 제2면에 형성되며, 제1면의 요철형상에 대응되는 음각-양각 패턴이 교대로 배치되는 요철형상의 냉각수 유로; 제1면과 제2면을 관통하여 형성되는 공기, 냉각수, 및 수소 가스 매니폴더부; 유로들과 매니폴더부들 외곽인 판재의 테두리부에 적층면의 반대면으로 돌출되도록 형성되는 가스켓 장착부를 각각 포함하는 두 장의 연료전지용 금속분리판이 적층되어 있고, 두 장의 연료전지용 금속분리판이 적층되면서 생기는 가스켓 장착부 영역의 공간 내부에는 고분자 재질의 가스켓이 삽입되어 있으 며, 가스켓과 두 장의 연료전지용 금속분리판 각각의 가스켓 장착부가 초음파 용착에 의해 금속-고분자 계면 용접되어 있는 것을 특징으로 한다.

상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료전지용 금속분리판 어셈블리는 0.05~0.3mm의 두께를 가지는 금속 판재의 제1면에 형성되며, 양각-음각 패턴이 교대로 배치되는 요철형상의 공기 또는 수소가스 유로; 판재의 제2면에 형성되며, 제1면의 요철형상에 대응되는 음각-양각 패턴이 교대로 배치되는 요철형상의 냉각수 유로; 제1면과 제2면을 관통하여 형성되는 공기, 냉각수, 및 수소 가스 매니폴더부를 각각 포함하는 두 장의 연료전지용 금속분리판이 적층되어 있고, 두 장의 금속분리판 접촉면 중에서 유로들과 매니폴더부들 외곽인 판재의 테두리부는 초음파 용착에 의해 3~7mm의 폭을 가지도록 금속-금속간 계면 용접되어 있는 것을 특징으로 한다.

이때, 상기 초음파 용착에 사용된 주파수는 15~40kHz이고, 초음파 용착은 금속분리판 테두리부에 연속적이며 폐곡선 형태로 시임(seam) 용접되어 있다.

또한, 테두리부 내측의 유로의 임의의 부분에는 두장의 금속분리판의 밀착성을 향상시키기 위하여 레이저용접에 의한 스팟용접이 되어 있는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 연료전지용 금속분리판 어셈블리에 의하면 용접시 소재자체에는 영향을 주지 않고, 용접비용이 저렴하여 경제적이면서 용접속도가 짧아 대량 생산이 가능하고, 0.3mm 이하(최적은 0.1mm이하)의 두께를 가진 박판의 금속분리판에 적용하더라도 열변형을 방지할 수 있는 연료전지용 금속분리판 어셈블리를 얻을 수 있다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 연료전지용 금속분리판 어셈블리에 대하여 설명하기로 한다.

본 발명의 장점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭한다.

또한, 도면에서 발명을 구성하는 구성요소들의 크기는 명세서의 명확성을 위하여 과장되어 기술된 것이며, 어떤 구성요소가 다른 구성요소의 "내부에 존재하거나, 연결되어 설치된다"고 기재된 경우, 상기 어떤 구성요소가 상기 다른 구성요소와 접하여 설치될 수도 있고, 그 소정의 이격거리를 두고 설치될 수도 있으며, 이격거리를 두고 설치되는 경우엔 상기 어떤 구성요소를 상기 다른 구성요소에 고정 내지 연결시키기 위한 제3의 수단에 대한 설명이 생략될 수도 있다.

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료전지용 금속분리판 어셈블리를 나타내는 평면도이고, 도 2는 도 1의 A-B를 따라 절개한 면의 단면도이다.

도 1에 도시된 연료전지용 금속분리판 어셈블리는 두 장의 금속분리판이 적층되어 하나의 어셈블리를 이루고 있으며, 이들은 모두 금속판재로 되어 있는데, 이때 각각의 판재의 상부면과 하부면을 각각 제1면과 제2면으로 정의하기로 하고, 상부면인 제1면을 기준으로 각각의 금속 분리판의 구조에 대하여 설명하기로 한다.

금속분리판(100)의 제1면에는 양각-음각 패턴이 교대로 배치되는 요철형상의 공기 또는 수소가스 유로(110)가 형성되어 있다. 그리고, 제2면에는 상기 양각-음각 패턴의 요철형상에 대응되도록 반대의 음각-양각 패턴이 교대로 배치되는 요철형상의 냉각수 유로(도 2의 도면부호 210 참조)가 형성된다.

즉, 상기 공기 또는 수소가스 유로(110)는 금속 판재를 프레스 스탬핑(press stmaping)에 의해 가공하여 금속분리판(110)의 제2면에서 제1면으로 돌출되도록 형성하며, 이와 대응되는 위치의 제2면 상에는 반대의 상을 가지는 냉각수 유로(도 1의 도면부호 210 참조)가 형성되게 된다.

도 1를 기준으로, 상기 공기 또는 수소가스 유로(110)의 상부와 하부 측면에는 공기매니폴더(102, 102'), 수소매니폴더(103, 103'), 냉각수매니폴더(104, 104')가 제1면과 제2면을 관통하도록 형성되어 있다.

상부의 공기매니폴더(102) 또는 수소매니폴더(103)에서 각각 공기(air) 또는 수소가스(H₂)가 공급되면 제1면에 형성된 공기 또는 수소가스 유로(110)를 따라 흘러서 각각 하부의 공기매니폴더(102')와 수소매니폴더(103')으로 배출된다.(제2면을 통해 흐르는 냉각수도 동일함)

상기 유로들과 매니폴더부들의 외곽부 금속분리판(100)의 테두리부에는 적층되는 면의 반대면으로 돌출되도록 형성되어 있는 가스켓 장착부(201)가 형성되어 있다.

도 2를 참조하면, 두 장의 금속분리판이 밀착되도록 결합하게 되면 안쪽으로는 냉각수 유로(210)가 형성되고, 결합면의 외측으로는 수소가스유로(203)와 산소가스유로(205)가 각각 형성된다.

또한, 두 장의 금속분리판 외곽 테두리부에는 고분자 재질의 가스켓(208)을 하우징 하는 가스켓 장착부(201, 202)가 형성되어 있다.

이때, 가스켓 장착부(201, 202)는 앞서 설명한 바와 같이 두 장의 금속분리판 접합면의 반대쪽 면으로 돌출되도록 형성되어 있다.

가스켓 장착부(201,202)와 고분자 재질의 가스켓(208)은 서로 초음파 용착(ultrasonic welding)에 의해 금속-고분자 계면용접(metal-polymer surface welding)이 되어 있다.

금속-고분자 계면용접면의 폭은 3mm 이하인 것이 바람직하며, 이로 인하여 초음파 용착 반응면적이 축소됨으로써 그 이외의 영역에 대한 공간 활용도가 증가하게 된다.

본래, 초음파 용착의 경우엔 용접되는 면의 폭(width)이 다른 용접방법에 비해 넓은 편이나, 상기와 같이 가스켓(208)을 금속판재의 사이에 두고 이를 통하여 금속-고분자의 계면간에 초음파 용착이 이루어지도록 하면 가스켓(208)의 폭 정도의 용접폭을 가지는 초음파 용착이 가능해 지게 된다.

이때, 금속-고분자간 계면용접은 약 15~40kHz의 주파수를 가지는 초음파를 이용한 용접에 의해 이루어지며, 그 형태는 전체 금속분리판에 걸쳐서 연속적이며(continuous), 폐곡선(closed loop)의 형태로 시임(seam)용접되어 있다.

금속분리판의 소재로서는 일반적으로 사용되는 스테인리스 강판, 알루미늄 강판, 니켈합금 강판 중에서 선택되며, 가스켓(208)은 고분자 재질로서 shore A 25 내지 shore D 70 정도의 경도(hardness)를 가지는 열가소성수지 또는 열경화성수지로 된 것이면 종류를 불문하고 사용가능하다.

금속분리판의 모재로서 사용되는 금속 판재의 두께는 0.5mm 이하의 것이 사용되나, 바람직하게는 0.3mm이하, 이중에서도 본 발명은 특히 0.1mm의 두께를 가지는 금속강판에 적용할 경우 그 효과가 두드러지게 나타난다.

즉, 0.5mm 이상의 두께를 가지는 금속강판의 경우엔 레이저 용접이나 블레이저 용접을 사용하더라도 열변형과 같은 현상이 발생하지 않지만, 그 이하의 두께, 특히 0.3mm 이하의 두께를 가지는 금속강판을 금속분리판의 모재로서 사용할 경우에는 레이저나 브레이징 용접시 발생하는 고온의 열로 인하여 분리판 자체의 열변형이 생길 수 있는데, 본 발명과 같이 초음파용접을 하게 되면 이러한 열변형을 방지할 수 있어, 0.3mm 이하의 두께를 가지는 강판모재, 특히 현재 연구개발 중에 있 는 0.1mm의 두께를 가지는 강판모재를 이용하여 연료전지용 금속분리판을 제조할 경우 가장 효과적이라 할 수 있을 것이다.

다시, 도 1을 참조하면, 금속분리판 접촉면 중에서 테두리부 내측의 유로의 임의의 부분에는 스팟(spot) 용접이 되어 있을 수도 있다.

이하에서는, 스팟용접을 해주는 이유를 설명하면 아래와 같다.

도 2를 참조하면, 요철형상 유로에서 볼록부(211,212)는 두 장의 금속분리판의 적층시 서로 접촉하는 부분이 되고(접촉면의 바깥쪽 상하부는 각각 수소유로(203) 및 산소유로(205)가 됨), 요철형상의 유로에서 오목부(221,222)는 두 장의 금속분리판의 적층시 서로 이격되면서 냉각수유로(210)를 형성하게 되는데, 이때 각 기판의 볼록부(211,212)와 오목부(221,222)가 서로 어긋나지 않게 잘 결합되어야 냉각수 및 반응가스들이 잘 흐르게 된다.

즉, 두 장의 금속분리판을 적층함에 있어서 테두리부 뿐만 아니라 그 내측의 요철부도 서로 잘 매칭되면서 적층되어야 냉각수와 반응가스들이 잘 흘러갈 수 있는 통로역할을 충실히 수행할 수 있고, 특히 볼록부가 서로 최대한 넓은 면적에서 잘 접촉되어야만 두 장의 기판을 적층함으로 인하여 생기는 접촉저항이 최소화 할 수 있다.

따라서, 상기와 같이 두 장의 금속분리판이 적층시 외곽의 테두리부 뿐만 아니라 내측의 유로부에 있어서도 서로 어긋나지 않고 잘 매칭되면서 적층될 수 있도록 해주기 위하여 스팟용접을 실시해주게 된다.

이때, 스팟용접부(131)의 갯수는 복수개로 되어 있으며, 그 위치는 특별히 정해질 필요는 없으나, 다량의 금속분리판 어셈블리를 생산함에 있어서, 반복적으로 또는 가장 밀착도가 떨어지는 부분을 사전에 체크하여 이러한 부분에 국부적으로 스팟용접을 해주게 되면 두 장의 금속 분리판의 밀착도를 보다 향상시킬 수 있을 것이다.

스팟용접은 레이저 용접을 이용하여 실시되는 것이 바람직하나, 본 발명과 같이 초음파 용착 또는 전기저항용접, 기계적용접 등에 의해서도 가능할 것이다.

도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료전지용 금속분리판 어셈블리를 나타내는 평면도이고, 도 4는 도 3의 C-D부분을 따라 절개한 면의 단면도이다.

다만, 도 3과 도 4에 있어서 각각 도 1, 도 2와 동일한 도면부호는 동일부재를 나타내며, 이 부분에 대한 설명은 상기 실시예 1의 것을 참조하여 해석하기로 한다.

이하에서는, 제2 실시예에 따른 금속분리판 어셈블리에 있어서 상기 실시예 1에서 설명한 부분과 다른 부분에 대해서만 설명하기로 한다.

도 3과 도 4를 참조하면, 두 장의 금속분리판이 적층되어 있으며, 유로와 매니폴더부의 외곽부의 테두리부에는 가스켓이나 별도의 가스켓 장착부가 형성되어 있지 않고, 평탄한 형태로 되어 있음을 알 수 있다.

도 4를 참조하면, 냉각수유로(210), 수소가스유로(203), 공기가스유로(205)의 외곽부의 테두리부에는 금속-금속간 계면용접으로 되어 있는 용접부(410)가 형성되어 있음을 알 수 있다.

이때, 용접부(410)는 초음파용접방법에 의해 형성되며, 그 용접폭은 3~7mm정 도이며, 금속분리판의 테두리부를 따라 연속적이고(continuous) 폐곡선의 형태로 테두리부 전체에 걸쳐서 형성되어 있다.

금속-금속간 초음파 용착을 위하여 사용되는 주파수는 약 15~40kHz의 것이 사용되며, 구체적으로 사용되는 금속강판 모재의 두께와 종류에 따라 주파수 범위가 상기 범위 내에서 결정된다.

도 5를 참조하여, 초음파 용착시 금속-금속간 계면에서 용접이 일어나는 메커니즘에 대해서 설명하기로 한다.

도 5는 두장의 금속판을 초음파 용착에 의해 용접할 경우 발생하는 계면상태를 설명하기 위한 단면도이다.

도 5의 왼쪽 도면은 초음파 용착이 이루어지기 이전의 계면상태를 나타내고, 오른쪽 도면은 초음파 용착 이후의 계면상태를 나타낸다.

왼쪽 도면을 참조하면, 금속판재(501, 502)의 표면은 공기중의 산소와 결합하여 자연산화막(503,504)이 얇게 형성되어 있어, 실제로 금속판재 두 장을 접합시키게 되면 금속-금속 접촉이 아니라 산화막-산화막 접촉상태로 되어 있다.

여기에 15kHz 이상의 초음파를 양쪽 금속판재에 가해주게 되면 금속판재간의 계면에서 산화막(503,504)이 파괴됨과 동시에 내부의 금속원자들이 서로의 계면으로 확산(diffusion)된다.

이로 인하여, 초음파 용착이 완료된 이후의 계면상태는 산화막-산화막 접촉상태가 아니라, 금속-금속간 접촉이 이루어져 계면저항은 낮아지게 된다.

따라서, 본 발명에서도 두 장의 금속판재를 접촉시켜 초음파 용착을 실시하 게 되면 금속-금속간 계면용접이 가능해 지게 되는 것이다.

이하에서는 본 발명에서와 같은 금속-고분자간 계면 초음파 용착, 금속-금속간 계면 초음파 용착을 하는 방법에 대해 설명하기로 한다.

도 6은 본 발명에서 사용되는 초음파 용착기를 나타내는 도면이다.

도 6에 도시된 바와 같이 본 발명에 사용되는 초음파 용착기는 전원공급부(power supply; 600), 컨버터부(converter;601), 부스터부(booster;602) 및 시임용접용팁(seam tip; 604) 및 엔빌(anvil; 605)를 포함한다.

초음파 금속 용착기는 100~250V, 50~60Hz의 전원을 전원공급부(600)으로부터 공급받아, 이를 컨버터부(601)에서 전기적 에너지를 기계적 진동에너지로 변환한 후, 부스터부(602)에서 그 진동에너지의 진폭을 증폭시킨다.

이와 같이 형성된 초음파 진동에너지가 혼(horn;. 603)을 통해 그 끝단의 시임용접용팁(604)에 전달되면 엔빌(605)에 로딩되어 있는 피용착물의 접착면에 강제적 확산에 의한 강력한 결합이 이루어지게 된다.

특히, 초음파 진동에 의해 2개의 계면 접합면의 확산현상으로 인하여, 계면에 상존하는 산화막들이 제거되면서 용착되므로 높은 기계적 강도와 전기적특성(낮은 전기저항)을 얻을 수 있게 된다.

이하에서는 상기 도 6의 초음파 용착기를 이용하여 본 발명의 실시예 1, 실시예 2와 같은 금속-고분자 계면간, 금속-금속 계면 간 초음파 용접을 수행하는 방법에 대해 설명하기로 한다.

도 7은 도 6의 초음파 용착기를 이용하여 제1 실시예와 같은 연료전지용 금속분리판 어셈블리를 제조하기 공정을 설명하기 위한 도면이다.

도 7을 참조하면, 제1 실시예와 같이 제조되는 시편이 엔빌(605) 상에 로딩되어 있고, 용접을 원하는 부위에 초음파에너지가 작용하고 있는 시임용접팁(604)을 일정한 압력을 가하면서 시편에 압착해주게 되면 금속 재질의 가스켓 장착부(201,202)와 고분자 재질의 가스켓(208) 사이의 계면에서 금속-고분자간 초음파 계면용접이 이루어지게 된다.

도 8은 도 6의 초음파 용착기를 이용하여 제2 실시예와 같은 연료전지용 금속분리판 어셈블리를 제조하기 공정을 설명하기 위한 도면이다.

도 8을 참조하면, 제2 실시예와 같이 제조되는 시편이 엔빌(605) 상에 로딩되어 있고, 용접을 원하는 부위에 초음파 에너지가 작용하고 있는 시임용접팁(604)을 일정한 압력을 가하면서 시편에 압착해주게 되면 금속재질의 두 장의 분리판에서 상기 시임용접팁(604)이 접촉되는 부분에서 표면의 산화막이 파괴되면서 그 내부의 금속성분이 확산하면서 서로 엉겨붙으면서 금속-금속 간 초음파 계면용접이 이루어지게 된다.

이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 제조될 수 있으며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에 서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료전지용 금속분리판 어셈블리를 나타내는 평면도이다.

도 2는 도 1의 A-B를 따라 절개한 면의 단면도이다.

도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료전지용 금속분리판 어셈블리를 나타내는 평면도이다.

도 4는 도 3의 C-D부분을 따라 절개한 면의 단면도이다.

도 5는 두 장의 금속판을 초음파 용착에 의해 용접할 경우 발생하는 계면상태를 설명하기 위한 단면도이다.

도 6은 본 발명에서 사용되는 초음파 용착기를 나타내는 도면이다.

도 7은 도 6의 초음파 용착기를 이용하여 제1 실시예와 같은 연료전지용 금속분리판 어셈블리를 제조하기 공정을 설명하기 위한 도면이다.

도 8은 도 6의 초음파 용착기를 이용하여 제2 실시예와 같은 연료전지용 금속분리판 어셈블리를 제조하기 공정을 설명하기 위한 도면이다.

Claims (8)

1. 0.05~0.3mm의 두께 가지는 금속 판재의 제1면에 형성되며, 양각-음각 패턴이 교대로 배치되는 요철형상의 공기 또는 수소가스 유로; 상기 판재의 제2면에 형성되며, 상기 제1면의 요철형상에 대응되는 음각-양각 패턴이 교대로 배치되는 요철형상의 냉각수 유로; 상기 제1면과 제2면을 관통하여 형성되는 공기, 냉각수, 및 수소 가스 매니폴더부; 상기 유로들과 매니폴더부들 외곽인 상기 판재의 테두리부에 적층면의 반대면으로 돌출되도록 형성되는 가스켓 장착부를 각각 포함하는 두 장의 연료전지용 금속분리판이 적층되어 있고, 상기 두 장의 연료전지용 금속분리판이 적층되면서 생기는 상기 가스켓 장착부 영역의 공간 내부에는 고분자 재질의 가스켓이 삽입되어 있으며, 상기 가스켓과 상기 두 장의 연료전지용 금속분리판 각각의 가스켓 장착부가 초음파 용착에 의해 금속-고분자 계면 용접되어 있는 것을 특징으로 하는 연료전지용 금속분리판 어셈블리.
2. 0.05~0.3mm의 두께를 가지는 금속 판재의 제1면에 형성되며, 양각-음각 패턴이 교대로 배치되는 요철형상의 공기 또는 수소가스 유로; 상기 판재의 제2면에 형성되며, 상기 제1면의 요철형상에 대응되는 음각-양각 패턴이 교대로 배치되는 요철형상의 냉각수 유로; 상기 제1면과 제2면을 관통하여 형성되는 공기, 냉각수, 및 수소 가스 매니폴더부를 각각 포함하는 두 장의 연료전지용 금속분리판이 적층되어 있고, 상기 두 장의 금속분리판 접촉면 중에서 상기 유로들과 매니폴더부들 외곽인 상기 판재의 테두리부는 초음파 용착에 의해 3~7mm의 폭을 가지도록 금속-금속간 계면 용접되어 있는 것을 특징으로 하는 연료전지용 금속분리판 어셈블리.
3. 제 1 항 및 제 2 항에 있어서,

   금속분리판의 테두리부는 초음파 용착을 하고 유로의 양호한 형성과 분리판 상하면의 양호한 접착을 통해 최적의 연료전지 성능을 발휘하도록 유로부에 복수개의 레이저 스팟용접되어 있는 것을 특징으로 하는 연료전지용 금속분리판 어셈블리.
4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

   상기 초음파 용착의 사용주파수는 15~40 kHz인 것을 특징으로 하는 연료전지용 금속분리판 어셈블리.
5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

   상기 금속-고분자간 계면용접과 금속-금속간 계면용접은 연속적이며 폐곡선형태로 시임(seam)용접 된 것을 특징으로 하는 연료전지용 금속분리판 어셈블리.
6. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

   상기 두 장의 금속분리판 접촉면 중에서 상기 테두리부 내측의 상기 유로의 임의의 부분에는 상기 두 장의 금속분리판의 밀착성을 향상시키기 위하여 레이저용접을 이용한 복수개의 스팟(spot) 용접이 되어 있는 것을 특징으로 하는 연료전지용 금속분리판 어셈블리.
7. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

   상기 금속 판재는 스테인리스 강판, 알루미늄 강판, 니켈합금 강판 소재 중에서 선택되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 금속분리판 어셈블리.
8. 제 1 항에 있어서,

   상기 가스켓부는 Shore A 25 내지 Shore D 70의 경도를 가지는 열가소성 수지 또는 열경화성 수지인 것을 특징으로 하는 연료전지용 금속분리판 어셈블리.

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