KR100820127B1

KR100820127B1 - 확산접합법을 이용한 연료전지용 금속분리판 접합장치

Info

Publication number: KR100820127B1
Application number: KR1020070022782A
Authority: KR
Inventors: 김용건
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2007-03-08
Filing date: 2007-03-08
Publication date: 2008-04-08

Abstract

본 발명은 확산접합법을 이용한 연료전지용 금속분리판 접합장치에 관한 것으로서, 특히, 확산접합법을 이용하여 연료전지용 금속분리판을 접합하는 장치를 제공하기 위한 것으로서, 상호 대향하는 용기형상으로 기기몸체(140)에 고정된 고정대(111) 및 액츄에이터(130)에 의해 승강하는 승강대(112)와, 상기 고정대(111) 및 승강대(112)의 내부로부터 각각 돌출 되도록 고정된 접합용 펀치(121)(122)를 포함하는 접합부(100)와; 상기 액츄에이터(130)를 제어하여 상기 접합용 펀치(121)(122) 상호간의 압력 및 전류량을 조절하는 가압 및 전류량 제어부(200)와; 상기 기기몸체(140)에 지지되어 상기 접합부(100)의 온도를 광학으로 검출하는 광학 온도검출부(300)와; 관로(410)를 통하여 상기 접합부(100)의 고정대(111) 및 승강대(112) 내부에 쉴딩가스(shielding gas)를 공급하는 쉴딩가스 주입부(400)와; 상기 가압 및 전류량 제어부(200), 광학 온도검출부(300), 그리고 쉴딩가스 주입부(400)에 연결되어 이들을 제어하는 시스템제어부(500)로 구성되어, 냉각수 누설에 의한 MEA의 오염 및 수소 가스의 누설에 의한 화재 위험을 예방할 수 있도록 하는 것이다.

확산, 접합, 연료전지, 금속분리판, 펀치

Description

확산접합법을 이용한 연료전지용 금속분리판 접합장치{System for bonding metal separator of fuel cell utilizing diffusion bonding}

도 1은 일반적인 연료전지용 금속분리판을 도시하는 도,

도 2는 본 발명의 확산접합법을 이용한 연료전지용 금속분리판 접합장치를

도시하는 도,

도 3은 본 발명의 확산접합법을 이용한 연료전지용 금속분리판 접합장치에

대한 접합부를 도시하는 도,

도 4는 본 발명의 확산접합법을 이용한 연료전지용 금속분리판 접합장치에

대한 접합부의 동작예를 도시하는 도,

도 5는 본 발명의 접합장치를 이용하여 연료전지용 금속분리판에 대한

접합을 도시하는 도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10 : 연료전지용 금속분리판 100 : 접합부

111 : 고정대 112 : 승강대

121, 122 : 접합용 펀치 130 : 액츄에이터

140 : 기기몸체 200 : 가압 및 전류량 제어부

300 : 광학 온도검출부 310 : 온도계

400 : 쉴딩가스 주입부 410 : 관로

500 : 시스템제어부

본 발명은 확산접합법을 이용한 연료전지용 금속분리판 접합장치에 관한 것으로서 특히, 확산접합법을 이용하여 연료전지용 금속분리판을 접합하는 장치를 제공하기 위한 것으로써, 냉각수 누설에 의한 MEA의 오염 및 수소 가스의 누설에 의한 화재 위험을 예방할 수 있는 장치에 관한 것이다.

일반적으로 연료전지(fuel cell)란 연료의 산화에 의해서 생기는 화학에너지를 직접 전기에너지로 변환시키는 전지로서, 수소를 산소와 반응시켜 전기를 생성함으로써 전기자동차에 널리 적용되고 있는 실정이다.

지금까지 이러한 연료전지에는 흑연분리판이 널리 사용되어 왔으나, 전기전도도가 우수하고, 기존 흑연분리판보다 전체 크기를 40%가량 축소시킬 수 있는 금속분리판이 개발되고 있다.

도 1은 일반적인 연료전지용 금속분리판을 도시하는 도이다.

일반적인 연료전지용 금속분리판(10)은 도 1에 도시한 바와 같이, 중앙에 마 련된 MEA(membrance electrode assembly)(1)를 기준으로 지그재그 형상으로 다단 절곡된 패널이 양면에 점용접(spot welding)을 통해 접합됨으로써, 다수의 유로가 형성되어 이 유로를 통해 공기(2), 수소(3), 그리고 냉각수(4)가 각각 흐르는 구조로 되어 있다.

이러한 연료전지용 금속분리판(10)은 기본적으로 전극으로서의 기능과 함께, 상기한 공기(2), 수소(3), 그리고 냉각수(4)의 유로를 형성하며, MEA(1)를 지지하는 역할을 하게 된다.

이를 위하여, 연료전지용 금속분리판(10)은 높은 전기 전도도 및 기밀성이 요구된다.

그러나, 상기와 같이 단순히 점용접을 통해 접합된 일반적인 연료전지용 금속분리판은 기밀성의 확보가 어렵기 때문에, 냉각수 누설에 의한 MEA의 오염에 따라 해당 셀(cell)의 작동이 불가능하거나, 수소 가스의 누설에 의한 화재 위험이 높다는 기술상의 문제점이 있었다.

본 발명은 상기의 문제점을 해소하기 위한 것으로, 확산접합법을 이용하여 높은 기밀성을 갖도록 연료전지용 금속분리판을 접합할 수 있음으로써, 냉각수 누설에 의한 MEA의 오염 및 수소 가스의 누설에 의한 화재 위험을 예방할 수 있도록 하는 확산접합법을 이용한 연료전지용 금속분리판 접합장치를 제공하고자 한다.

이러한 본 발명은 상호 대향하는 용기형상으로 기기몸체에 고정된 고정대 및 액츄에이터에 의해 승강하는 승강대와, 상기 고정대 및 승강대의 내부로부터 각각 돌출 되도록 고정된 접합용 펀치를 포함하는 접합부와; 상기 액츄에이터를 제어하여 상기 접합용 펀치 상호간의 압력 및 전류량을 조절하는 가압 및 전류량 제어부와; 상기 기기몸체에 지지되어 상기 접합부의 온도를 광학으로 검출하는 광학 온도검출부와; 관로를 통하여 상기 접합부의 고정대 및 승강대 내부에 쉴딩가스를 공급하는 쉴딩가스 주입부와; 상기 가압 및 전류량 제어부, 광학 온도검출부, 그리고 쉴딩가스 주입부에 연결되어 이들을 제어하는 시스템제어부로 구성함으로써 달성된다.

도 2는 본 발명의 확산접합법을 이용한 연료전지용 금속분리판 접합장치를 도시하는 도이며, 도 3은 본 발명의 확산접합법을 이용한 연료전지용 금속분리판 접합장치에 대한 접합부를 도시하는 도이다.

그리고, 도 4는 본 발명의 확산접합법을 이용한 연료전지용 금속분리판 접합장치에 대한 접합부의 동작예를 도시하는 도이고, 도 5는 본 발명의 접합장치를 이용하여 연료전지용 금속분리판에 대한 접합을 도시하는 도이다.

본 발명의 실시예를 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명의 확산접합법을 이용한 연료전지용 금속분리판 접합장치는 도 2 내지 도 4에 도시된 바와 같이, 크게 접합부(100), 가압 및 전류량 제어부(200), 광학 온도검출부(300), 쉴딩가스 주입부(400), 그리고 시스템제어부(500)로 이루어져 연료전지용 금속분리판을 확산접합법으로 기밀성 높게 접합시킬 수 있는 것을 그 기술상의 기본 특징으로 한다.

이때, 확산접합이라 함은 고상 영역에서 온도 및 압력을 높여 원자의 확산에 따라 재료를 접합하는 것으로, 크기에 관계없이 다양한 종류의 금속과 세라믹 접합에 이용할 수 있는 것이다.

이하 본 발명의 각 구성요소를 도면을 참조하여 하나씩 살펴보면 다음과 같다.

우선, 접합부(100)는 확산접합법을 통해 도 1과 같이 두 패널 사이에 MEA(1)를 두고 공기(2), 수소(3), 그리고 냉각수(4)의 유로가 형성되도록 접합하는 요소로서, 도 2 및 도 3에 도시한 바와 같이 상하에 각각 사각 용기 형상의 고정대(111) 및 승강대(112)가 서로 대향하여 마련되어 있다.

이때, 도 3의 (a)는 상기 접합부(100)의 측단면도이고, 도 3의 (b)는 상기 접합부(100)의 승강대(112)에 대한 평단면도이다.

여기에서, 도 3에 도시한 바와 같이 상기 고정대(111)는 본 발명의 접합장치에 대한 몸체를 이루는 기기몸체(140) 상면에 고정되어 있으며, 상기 승강대(112)는 도 2와 같이 상기 기기몸체(140)에 마련된 액츄에이터(130)에 의하여 승강 가능하도록 지지되어 있다.

이에 따라, 상기 승강대(112)가 액츄에이터(130)에 의해 승강함에 따라 상기 고정대(111)와 승강대(112) 상호 간격을 제어할 수 있는 것이다.

이와 함께, 상기 고정대(111) 및 승강대(112) 내에는 직사각 단면을 갖는 접 합용 펀치(121)(122)가 마련되어 있으며, 이 접합용 펀치(121)(122)의 길이는 상기 고정대(111) 및 승강대(112)의 높이보다 길게 설정되어 있어, 상기 접합용 펀치(121)(122)는 상기 고정대(111) 및 승강대(112)로부터 돌출 되어 있다.

즉, 상기 액츄에이터(130)에 의해 고정되어 있는 고정대(111)로부터 승강대(112)의 높이가 제어되되, 상기 고정대(111)와 승강대(112) 사이 간격이 좁아질 경우 상기 고정대(111)와 승강대(112)가 서로 직접 접촉하지는 않고 두 접합용 펀치(121)(122)가 서로 맞닿게 되는 것이다.

이때, 상기 두 접합용 펀치(121)(122) 상호 간의 접촉 압력은 그 표면 조도에 따라 1~3MPa, 100~200MPa에 이른다.

그리고, 상기 승강대(112)의 높이를 조절하는 액츄에이터(130)는 도 2에 도시한 바와 같이 상기 기기몸체(140) 마련된 것으로, 전동기와 랙 및 피니언 등을 포함하여 구성할 수도 있지만, 본 발명에 있어서, 상기 액츄에이터(130)는 유압 및 서보 프레스로 이루어지는 것이 가장 바람직하다.

이러한 액츄에이터(130)는 상기 기기몸체(140)의 일측에 마련된 가압 및 전류량 제어부(200)에 의해 제어되므로, 결과적으로는 상기 가압 및 전류량 제어부(200)에 의하여 상기 접합용 펀치(121)(122) 상호간의 접촉 압력을 제어할 수 있게 되는 것이다.

이와 더불어, 상기 가압 및 전류량 제어부(200)는 상기 접합용 펀치(121)(122) 상호 간에 흐르는 전류량의 제어 또한 가능하다.

또한, 광학 온도검출부(300)는 상기 접합부(100), 더욱 상세하게는 상기 접 합용 펀치(121)(122)의 상호 접합부위에 대한 온도를 광학, 즉 표면 조도로서 검출하는 것으로, 상기 기기몸체(140)에 도 2와 같이 별도의 광학식 온도계(410)가 지지되어 있어, 이 온도계(410)에서 비접촉에 의한 광학으로 접합부(100)의 온도를 검출한다.

이와 함께, 쉴딩가스 주입부(400)는 연료전지용 금속분리판(10)의 접합 시 접합부위가 대기와 접촉하는 것을 방지하기 위하여 쉴딩가스를 주사하는 요소로서, 이 쉴딩가스 주입부(400)는 도 2와 같이 별도의 관로(410)를 통해 상기 접합부(100)의 고정대(111) 및 승강대(112)에 병렬 연결되어 있어, 도 3과 같이 상기 쉴딩가스 주입부(400)에서 공급된 쉴딩가스는 관로(410)를 통하여 고정대(111) 및 승강대(112) 주위로 주사되며, 상기 고정대(111)와 승강대(112) 사이 틈새를 통하여 외부로 배출되는 것이다.

마지막으로, 시스템제어부(500)는 상기 가압 및 전류량 제어부(200), 광학 온도검출부(300), 그리고 쉴딩가스 주입부(400)에 연결되어 이들을 총괄적으로 제어하는 요소로서, 그 내부에 마이컴(micro computer) 등이 마련되어 연료전지용 금속분리판의 확산 접합에 요구되는 적절한 조건을 만족하도록 상기 가압 및 전류량 제어부(200), 광학 온도검출부(300), 그리고 쉴딩가스 주입부(400)를 제어하게 된다.

특히, 본 발명에 있어서 기 시스템제어부(500)는 상기 접합부(100)의 온도가 0.7~0.8 Tm을 유지하도록 상기 가압 및 전류량 제어부(200)를 컨트롤하는 것이 바람직하며, 이때, Tm이란 재료의 녹는점(melting point of material)을 뜻하는 것이 다.

이하, 도 2 내지 도 5를 참조하여 본 발명의 작용을 설명하면 다음과 같다.

상기와 같이 구성된 본 발명의 확산접합법을 이용한 연료전지용 금속분리판 접합장치는 도 2에 도시된 바와 같이, 접합부(100)의 접합용 펀치(121)(122) 사이에 연료전지용 금속분리판(10)을 물린 상태에서 광학 온도검출부(300)의 온도계(410)가 접합부위를 지향하도록 세팅하게 된다.

이후, 가압 및 전류량 제어부(200)가 액츄에이터(130), 즉 유압 및 서보 프레스를 통하여 도 4의 (a)와 같이 승강대(112)를 기기몸체(140)에 고정된 고정대(111)로 하강시킴으로써, 상기 접합용 펀치(121)(122)와 연료전지용 금속분리판(10) 상호 간에 압력이 발생하는 동시에, 전기의 흐름에 따라 접합부위가 고온으로 상승하게 된다.

이때, 쉴딩가스 주입부(400)는 관로(410)를 통해 상기 고정대(111) 및 승강대(112) 내부로 쉴딩가스를 주사하게 되는 것이다.

이와 동시에, 시스템제어부(500)는 상기 광학 온도검출부(300)에서 검출된 접합부위에 대한 표면 조도를 통하여 온도를 산출하여 그 온도가 0.7~0.8Tm을 유지하도록 상기 접합부(100)의 액츄에이터(130)를 제어하게 되는 것이다.

즉, 연료전지용 금속분리판(10)의 접합부위에 대한 온도가 쉴딩가스에 의하여 0.7~0.8Tm보다 하강할 경우, 상기 시스템제어부(500)는 가압 및 전류량 제어부(200)를 통해 압력 및 전류량을 증대시키고, 반대로, 상기 온도보다 상승할 경우, 그 압력 및 전류량을 저감시키게 되는 것이다.

이를 반복적으로 수행하여, 상기 접합용 펀치(121)(122) 사이에서는 확산접합에 의해 도 4의 (b)와 같이 두 판재가 견고하게 접합되는 것이다.

이러한 과정은 도 5에 상세히 나타나 있으며, 최초 도 5의 (a)와 같이 상하로 분리되어 있던 패널이 상기와 같은 과정을 통해 도 5의 (e)와 같이 일체로 접합되는 것이다.

따라서, 본 발명의 확산접합법을 이용한 연료전지용 금속분리판 접합장치는 연료전지로 사용되는 금속분리판을 확산접합을 통하여 기밀성 높게 상호 접합시킬 수 있음으로써, 냉각수 및 수소 가스의 누설을 원천적으로 방지할 수 있어 양질의 연료전지용 금속분리판을 생산할 수 있다는 탁월한 이점을 지닌 발명인 것이다.

상기 실시예는 본 발명의 기술적 사상을 구체적으로 설명하기 위한 일례로서, 본 발명의 범위는 상기의 도면이나 실시예에 한정되지 않는다.

이상과 같은 본 발명은 확산접합법을 이용하여 높은 기밀성을 갖도록 연료전지용 금속분리판을 접합할 수 있음으로써, 냉각수 누설에 의한 MEA의 오염 및 수소 가스의 누설에 의한 화재 위험을 예방할 수 있는 발명인 것이다.

Claims

상호 대향하는 용기형상으로 기기몸체에 고정된 고정대 및 액츄에이터에 의해 승강하는 승강대와, 상기 고정대 및 승강대의 내부로부터 각각 돌출 되도록 고정된 접합용 펀치를 포함하는 접합부와;

상기 액츄에이터를 제어하여 상기 접합용 펀치 상호간의 압력 및 전류량을 조절하는 가압 및 전류량 제어부와;

상기 기기몸체에 지지되어 상기 접합부의 온도를 광학으로 검출하는 광학 온도검출부와;

관로를 통하여 상기 접합부의 고정대 및 승강대 내부에 쉴딩가스를 공급하는 쉴딩가스 주입부와;

상기 가압 및 전류량 제어부, 광학 온도검출부, 그리고 쉴딩가스 주입부에 연결되어 이들을 제어하는 시스템제어부로 구성되는 것을 특징으로 하는 확산접합법을 이용한 연료전지용 금속분리판 접합장치.
제 1항에 있어서, 상기 액츄에이터는 유압 및 서보 프레스로 이루어지는 것을 특징으로 하는 확산접합법을 이용한 연료전지용 금속분리판 접합장치.
제 1항에 있어서, 상기 시스템제어부는 상기 접합부의 온도가 0.7~0.8 Tm을 유지하도록 상기 가압 및 전류량 제어부를 컨트롤하는 것을 특징으로 하는 확산접합법을 이용한 연료전지용 금속분리판 접합장치.