KR100968344B1 - 연료전지 분리판의 제조방법 및 제조장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 압출된 흑연 복합체를 판으로 성형한 후, 연속공정으로 상기 판을 유로 형상의 제어 핀 사이를 통과시켜 유로를 형성하는 연료전지 분리판의 제조방법 및 장치에 관한 것이다.

본 발명에 의하면 열가소성 수지를 사용하여 연료전지 분리판을 제조하는 방법에서 일반적으로 사용하는 사출 및 압축성형이 필요 없으므로 공정을 단순화할 수 있어 제품의 생산 시간, 비용을 절감하고, 효율을 증가시킬 수 있다.

연료전지 분리판, 유로, 제어핀, 판 성형,

Description

연료전지 분리판의 제조방법 및 제조장치{Method and Device for preparing the separate plate of a fuel cell}

본 발명은 연료전지 분리판의 제조방법 및 제조장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 흑연, 전도성 분말 및 열가소성 소재를 압출기에서 압출한 후 연속공정으로 유로를 형성하는 연료전지 분리판의 제조방법 및 장치에 관한 것이다.

일반적으로 연료 전지는 전기화학 반응에 의해서 연료 및 산화제가 가지고 있는 화학에너지를 직접 전기에너지로 변환시키는 일종의 발전장치로서 반응 후, 생성되는 물질이 공해물질이 아니며, 기존의 내연기관에 비하여 에너지 효율이 높으며 초소형 규모에서 대규모 발전 시스템까지 적용범위가 매우 넓다.

즉, 연료 전지는 화학에너지를 다른 형태의 에너지로 변환하는 과정 없이 직접 전기에너지로 변환하기 때문에 열기관이 갖는 열역학적인 제한(Carnot 효율)을 받지 않고, 기존의 발전장치보다 발전효율이 높으며, 무공해로 환경문제가 거의 없으며, 크기 및 단위전지를 적층하는 정도에 따라 다양한 용량으로 제작이 가능하 고, 이동용 전원 및 전력 수요지 내에 설치가 용이하여 전력계통의 운영 측면에서도 많은 비용을 절감할 수 있는 기대가 큰 첨단 에너지 발전장치이다. 이러한 연료 전지의 기본 개념은 수소와 산소의 전기화학반응에 의하여 생성되는 전자의 이용으로 설명할 수 있다.

즉, 수소는 연료극으로 주입되고, 산소는 공기극에 주입되는데, 주입된 수소는 연료극의 촉매와 전기 화학적으로 반응하여 전자와 수소이온으로 분리되며, 수소이온은 전해질을 통해 공기극으로 이동하여 공기극의 산소와 반응하여 물을 생성하고 수소로부터 떨어져 나온 전자는 도선을 통해 이동하게 된다. 상기 전자가 도선을 통해 이동하면서 직류전류가 발생하며, 부수적으로 전지내의 반응으로 인한 열도 생산된다. 상기 직류 전류는 직접 직류 전동기의 동력으로 사용되거나 직류-교류 전환기에 의해 교류 전류로 바꾸어 사용되며, 상기 연료 전지에서 발생된 열은 개질을 위한 증기를 발생시키거나 냉난방 열로 사용될 수 있다.

상기 연료 전지의 연료인 수소는 저장용기로부터 순수한 수소를 이용하거나, 메탄이나 에탄올 같은 탄화수소를 이용하여 개질이라는 과정을 통해 생산된 수소를 이용하며, 순수한 산소는 연료 전지의 효율을 높일 수 있지만 산소 저장에 따른 비용과 수소와의 직접 접촉과 같은 위험성을 지니고 있어 공기 중에 포함된 산소를 이용하여 효율은 좀 떨어지지만 비교적 비용이 저렴하고, 안전한 공기를 직접 이용하기도 한다.

상기 연료 전지는 전해질의 종류 및 동작온도에 따라 분류되는데, 소규모 발전용으로 사용되는 인산 연료 전지, 대규모 발전용인 용융탄산염 연료 전지, 휴대 용에서 발전용까지 다양한 분야에 응용이 가능한 고체산화물 연료 전지, 우주선용 전원인 알칼리 연료 전지, 단위 부피 및 무게당 출력밀도가 커서 군사용 및 이동 전원으로 사용되는 고분자 전해질 연료 전지, 고분자 전해질 연료 전지와 같은 원리이나 연료로 직접 메탄올을 사용하여 휴대용 전원으로 사용되는 직접 메탄올 연료 전지가 있으며, 최근에는 반도체에 사용되는 실리콘기판을 이용하여 미세 발전장치로 사용되는 실리콘 연료 전지가 있다.

연료 전지 본체는 수 장에서부터 수백 장까지 적층된 셀들로 구성되어 있으며, 연료나 공기와 같은 산화제의 반응가스가 각 셀로 공급되도록 설계되어 있으며, 각 셀은 전해질에 의하여 분리된 연료극과 공기극의 두 전극으로 구성되고, 각 셀은 기체 유로 역할을 하는 분리판을 양극에 부착한 형태로 구성되어있다.

연료 전지에 사용하는 분리판은 전해질 및 전극을 고정하는 역할, 전자를 모으는 역할, 기체를 새겨진 패턴에 따라 각각의 전극에 공급하는 기능을 갖는다.

상기 분리판의 재료로는 전지 형태 유지와 원활한 전자 이동을 위하여 전기 전도도를 띠는 흑연, 금속과 같은 물질을 사용하며, 상기 분리판에 형성된 기체유로는 반응기체가 흐르는 통로로써, 이 기체 유로를 통하여 2장의 분리판 사이에 위치한 전해질-전극 접합체의 전극에 기체가 공급됨으로써 전기화학반응이 일어나 전기가 발생 된다.

상기 연료 전지용 분리판은 연료 전지의 공기극의 산화제와 연료극 수소가 대기중의 기체나 연료 전지 내로 공급되는 두 기체가 혼합되지 않을 만큼의 치밀한 구조를 지니고 있어야 하며, 전자의 저항이 최대한 적게 걸리는 충분한 전기전도도 를 가져야 하고, 연료 전지의 형태를 유지하고, 전해질-전극 접합체를 고정할 수 있을 정도의 기계적인 강도를 지녀야 한다.

또한, 연료 전지용 분리판에는 기체가 흐르는 기체유로가 성형되어져야 하는데, 이때, 상기 분리판의 기체유로의 깊이와 폭 그리고 패턴은 기체의 움직임을 원활하게 하는데 매우 중요하다.

종래의 열가소성 복합체를 이용한 연료전지 분리판은 열가소성 소재를 압출하여 펠렛 상태로 사출성형하거나, 판상으로 제조하여 압축성형하여 제조하였다. 열가소성 소재와 흑연 복합체를 펠렛 상태로 만들어 분리판을 제조하는 경우에는 사출성형기가 사용되나, 연료전지 분리판에 요구되는 고전도도 특성을 위해 흑연 및 전도성 분말 재료가 열가소성 소재보다 3배 이상 많이 사용되기 때문에 사출성형 중에 유동성이 좋지 않아 미성형이 자주 발생하고 및 우수한 두께 편차 특성을 얻기 어렵다.

본 발명은 상술한 종래 기술의 문제점을 극복하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 열가소성 수지와 흑연 복합체를 사출성형 및 압축성형 공정 없이 유로를 형성할 수 있는 열가소성 연료전지 분리판을 제조하는 방법 및 장치에 관한 것이다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 하나의 양상은, (1) 압출된 흑연 복합체를 판 성형장치에 투입하여 판으로 성형하는 단계 ; (2) 상기 판을 유로 형상의 제어 핀 사이를 통과시켜 상기 판에 유로를 형성시키는 단계를 포함하는 연료전지 분리판 제조방법으로서 상기 방법은 상기 단계들이 연속공정으로 실시되는 것을 특징으로 하는 연료전지 분리판의 제조방법에 관계한다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 양상은 압출기에서 혼합 압출된 분리판 재료를 판으로 성형하는 판 성형부 ; 상기 판에 유로를 형성하는 제어핀과 상기 열가소성 수지의 녹는점 이상으로 판의 온도를 유지시키는 제 1 온도 조절부를 구비하는 유로 형성부 ; 를 포함하는 연료전지 분리판 제조장치에 관계한다.

본 발명에 의하면 열가소성 수지를 사용하여 연료전지 분리판을 제조하는 방법에서 일반적으로 사용하는 사출 및 압축성형이 필요 없으므로 공정을 단순화할 수 있어 제품의 생산 시간, 비용을 절감하고, 효율을 증가시킬 수 있다.

이하에서 첨부 도면을 참조하여 본 발명에 대하여 더욱 상세하게 설명한다.

본 발명에 의한 연료전지 분리판의 제조방법은 압출된 연료전지 흑연 복합체를 연속공정으로 판으로 성형 한 후 유로형성 단계를 수행하여 분리판에 유로를 형 성하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의한 연료전지 분리판 제조방법은 (1) 압출된 흑연 복합체를 판 성형장치에 투입하여 판으로 성형하는 단계 ;

(2) 상기 판을 유로 형상의 제어 핀 사이를 통과시켜 상기 판에 유로를 형성시키는 단계를 포함하는 연료전지 분리판 제조방법으로서 상기 방법은 상기 단계들이 연속공정으로 실시되는 것을 특징으로 한다.

상기 방법은 사출성형 및 압축 성형 없이 분리판에 유로를 형성하는 것에 특징이 있다.

본 발명은 압출공정 후에 판 성형장치를 이용하여 열가소성 분리판을 제조하고, 이어서 분리판에 유로를 형성시킬 수 있다.

상기 방법은 상기 흑연복합체를 일정 속도로 판 성형장치에 연속 투입하여 분리판에 유로를 형성시키는 연료전지 분리판 제조방법이다.

상기 방법은 판 성형단계, 유로 형성단계가 연속적으로 이루어지는 연료전지 분리판 제조방법이다. 상기 방법은 상기 판 성형 단계, 유로 형성단계 이후에 분리판 냉각 및 절단 공정을 추가할 수 있고, 상기 추가 공정도 연속적으로 이루어질 수 있는 제조방법이다.

(1) 판으로 성형하는 단계

상기 단계는 압출된 흑연 복합체를 준비하는 단계와 이를 판으로 성형하는 단계로 구분될 수 있다.

압출된 흑연 복합체를 준비하는 단계

상기 단계는 연료전지 분리판 재료를 압출기에 통과시켜 혼합 압출하는 단계이다.

상기 연료전지 분리판 재료로 특별한 제한이 있는 것은 아니고, 공지된 재료들을 포함할 수 있다. 그 예로서 흑연을 사용할 수 있고, 여기에 열가소성 수지와 전도성 분말을 혼합할 수 있다.

본 발명에서 사용할 수 있는 열가소성 수지에 제한이 있는 것은 아니지만, 바람직하게는 폴리프로필렌(Polypropylene), 폴리카보네이트(Polycarbonate), 폴리이미드(Polyimide), 폴리에테르이미드(Polyetherimide), 폴리에테르에테르케톤(PolyEther-EtherKetone), 폴리에테르설폰(Polyether sulfone), 폴리설폰(Polysulfone), 액정고분자(Liquid Crystal Polymer)등을 사용할 수 있다.

또한 본 발명에서 사용할 수 있는 흑연으로는 판상흑연, 구상흑연, 팽창흑연 등이 사용될 수 있으며 입자 사이즈로는 10㎛ ~ 100㎛가 바람직하다.

상기 흑연이나 전도성 분말이 압출기 내에서 열가소성 수지에 분산되어 열가소성 수지와 흑연의 복합체, 또는 열가소성 수지, 흑연 및 전도성 분말의 복합체(이하, 상기 복합체를 흑연 복합체라 함)를 형성하고, 상기 단계에서는 상기 복합체를 압출하여 수득할 수 있다.

흑연 복합체를 상기와 같은 방법으로 수득할 수 있고, 이미 제조된 흑연 복합체를 압출하는 방법으로 수득할 수 있으며 이에 대한 제한은 없다.

판으로 성형하는 단계

상기 단계는 압출된 흑연 복합체를 판 성형장치에 일정 속도로 투입하여 판으로 성형하는 단계이다.

상기 연속 공정은 상기 흑연복합체를 일정속도로 상기 판 성형장치에 투입할 수 있고, 상기 투입속도는 제조공정 조건에 따라 조절될 수 있다. 일반적으로 투입속도가 0.1-30kg/h, 바람직하게는 1-16kg/h속도로 연속 투입할 수 있으나 이에 대한 특별한 제한이 있는 것은 아니다.

상기 판 성형장치로는 시트 다이(Sheet-die), 티 다이(T-die)등이 있을 수 있다.

상기 단계에서 형성된 판의 두께는 임의로 조절할 수 있고, 바람직하게는 0.5-3mm 정도가 적절하다.

(2) 유로 형성 단계

상기 판을 유로 형상의 제어 핀 사이를 통과시켜 상기 판에 유로를 형성시키는 단계이다.

상기 단계는 제어핀을 이용하여 분리판에 유로를 형성하는 단계이다. 도 1은 상기 제어핀의 구조를 나타낸 개략도이고, 도 2는 제어핀의 칼날 형상을 도시 한 것이다. 도 1을 참조하면, 상기 제어핀(10)은 칼날(1), 본체(2) 및 이물질 제거부(3)을 포함한다. 도 2를 참조하면, 제어핀의 칼날 이 사각형, 삼각형, 원형, 사다리꼴등의 형상일 수 있다. 따라서, 유로 형상은 제어 핀(10)에 의해 사각형, 삼각형, 원형 등의 모양을 형성시킬 수 있다.

상기 이물질 제거부(3)는 칼날(1)에 의해 상기 판에 유로 홈을 성형함에 따라 발생하는 이물질을 제거할 수 있다. 유로 형성시 발생하는 이물질이 상기 판상의 흑연 복합체에 접착되면 사출성형에서 발생하는 웰드 라인(weld line)과 같은 역할을 수행해 불량률을 높이기 때문에 이를 제거하는 것이 바람직하다.

상기 판에 삽입되는 제어핀의 깊이와 체류 시간을 조절하여 원하는 형상의 유로를 형성할 수 있다. 상기 제어핀의 삽입 깊이에 특별한 제한이 없으나, 예를 들면, 삽입 깊이가 분리판의 폭보다 작거나 같아야 하고, 체류 시간도 0.1초 이상이 되어야 유로를 형성할 수 있다. 판의 폭이 3mm인 경우는 삽입 깊이가 0.01-3mm, 삽입 체류 시간이 0.1초 이상이면 충분하고 상기 유로 길이는 제어핀의 삽입 체류 시간이 클수록 길어지므로, 삽입 체류 시간에 대한 제한은 없다. 다만, 바람직하게는 삽입체류 시간이 0.1초 이상 300초 이하로 할 수 있다.

상기 제어핀이 입력된 유로 형상 제어 프로그램에 따라 상하로 움직여 유로의 깊이와 형상을 조절할 수 있다.

상기 방법은 수소, 공기 및 냉각 유로의 설계가 입력된 유로 형상 제어 프로그램으로 상기 제어핀들을 각각 독립적으로 제어할 수 있다.

상기 제어핀의 깊이를 연속 및 불연속적으로 조절하여 하나의 유로 안에서도 깊이 편차를 가질 수 있고, 그 예로서 한 유로 깊이가 0.1~3mm의 범위 내에서 연속 또는 불연속적으로 변할 수 있다.

상기 제어핀을 판의 양면에서 독립적으로 제어하여 수소 및 냉각유로를 동시에 성형시킬 수 있다.

상기 제어 핀 말단의 형상에 따라 상기 유로의 단면을 직사각형, 삼각형, 반원형, 사다리꼴로 형성시킬 수 있다.

상기 유로 형성 단계의 온도를 상기 열가소성 수지의 녹는점 이상으로 유지하고, 바람직하게는 녹는점에서부터 +50~70℃정도 범위가 좋다. 제어핀이 원할하게 분리판의 유로 형성 부위를 긁어내기 위해서이다.

상기 방법은 유로 형성된 판을 냉각시키는 단계를 포함할 수 있고, 상기 냉각 단계의 온도를 0-25℃로 유지시키는 것이 바람직하다.

상기 방법은 상기 냉각시킨 판을 절단하는 단계를 포함할 수 있다.

다른 양상에서 본 발명은 연료전지 분리판 제조장치에 관계한다. 상기 장치는 압출기에서 혼합 압출된 분리판 재료를 판으로 성형하는 판 성형부 ; 상기 판에 유로를 형성하는 제어핀과 상기 열가소성 수지의 녹는점 이상으로 판의 온도를 유지시키는 제 1 온도 조절부를 구비하는 유로 형성부를 포함한다.

상기 장치는 상기 유로 형성부에 의해 유로 형성된 판을 냉각시키는 냉각부를 포함 할 수 있고, 상기 냉각부는 제 2 온도 조절부를 포함한다.

상기 장치는 상기 냉각시킨 판을 절단하는 절단부를 추가로 포함할 수 있다.

도 3은 본 발명에 의한 일구현예로서 연료전지 분리판 제조장치(100)를 나타내는 개략도이다. 도 3을 참조하면, 본 발명의 일구현예는 판성형부(A), 유로 형성부(B)를 포함하고, 냉각부(C)와 절단부(D)를 추가로 포함할 수 있다.

상기 판 성형부(A) 다음에 제어 핀(10)을 설치하여 제어 핀(10) 사이로 판상 흑연 복합체가 통과한다. 이때 판상 흑연 복합체의 양면에서 제어 핀(10)이 입력된 유로 형상 제어 프로그램에 따라 상하로 움직여 유로 깊이와 형상을 조절한다.

상기 제어핀(10)에 대해서는 앞에서 상술하였으므로 이에 대한 설명은 생략한다.

상기 제 1 온도 조절부(20)는 유로 형성부 내의 온도를 사용된 열가소성 수지의 녹는점 이상으로 유지시킨다.

상기 냉각부(C)는 냉각부내의 온도를 온도를 0-25℃로 유지시키는 제 2 온도 조절부(30)를 포함한다.

도 4는 유로 형성부(B) 내부에서의 제어 핀(10)의 위치를 나타내는 평면 개략도로서, 도 4를 참조하면, 상기 제어핀(10)이 점 배열하여 독립적인 유로 형상을 가지는 부분을 성형할 수 있도록 하였고, 선형 배열하여 동일한 유로 및 깊이를 가지는 성형에 적용하였다. 마지막으로 정교한 유로 성형을 위해 추가적으로 제어 핀(10)을 설치하여 유로형 연료전지 분리판의 성형성을 높였다.

도 5a 및 5b는 제어핀(10)에 의해 성형되는 매니폴드 및 유로부의 개략도이다. 상기 도 5a 및 5b를 참조하면, 매니폴드는 판상 흑연 복합체를 제어 핀 사이로 통과시키는 공정 중에 상하의 제어 핀이 맞닿아 판상 흑연 복합체가 충진되지 않게(비어 있는 구조) 성형되어 형성된다.

도 6은 도 2에 적용된 다양한 형상의 제어 핀(10)에 의해 제조된 유로형 연료전지 분리판의 단면을 나타낸 것이고, 도 7은 유로 형상 제어 프로그램에 의해 유로 형상 제어 핀(10)이 연속적으로 깊이가 조절되는 하나의 유로 형상을 나타낸 것이다. 도 8은 본 발명에 의해 제조된 유로형 연료전지 분리판의 개략도이다.

다른 양상에서 본 발명은 상기 방법에서 제조된 연료전지 분리판에 관계한다. 또한 본 발명의 일구현예는 상기 방법에서 제조된 연료전지 분리판을 포함하는 연료전지에 관계한다.

본 발명의 일구현예는 상기 방법에서 제조된 분리판 및 이를 포함하는 연료전지를 포함한다.

이하에서 본 발명을 좀 더 구체적으로 설명하지만, 이러한 구체적인 기재로 인해 본 발명의 기술적 사상이 제한되는 것은 아니다.

도 3과 같이 판성형부(A)(Sheet-die, T-die부) 다음에 유로형성부(B)를 연속하여 설치하고, 유로형성부(B) 내에 유로 형상 제어 핀(10)과 제 1 온도 조절부(20)를 설치하였다. 본 발명의 흑연 복합체는 열가소성 수지 중 폴리프로필렌(Polypropylene)을, 흑연 중에서는 입자 사이즈가 10㎛ ~100㎛의 분포를 갖는 판 상 흑연을 사용하여 압출 혼합하여 수득하였다. 압출기에서 수득한 흑연 복합체를 판성형부(A)로 주입하여 0.5-3mm 두께의 판상 흑연복합체를 성형하였다. 제어 핀(10) 사이로 0.5-3㎜ 두께의 판상 흑연 복합체가 1-16kg/h의 속도로 통과하도록 제조하고, 이때 판상 흑연 복합체의 양면에서 제어 핀(10)이 입력된 유로 형상 제어 프로그램에 따라 상하로 움직여 유로 깊이와 형상을 조절하였다. 이때, 제 1 온도 조절부에 의해 유로형성부(B)의 내의 온도를 열가소성수지의 녹는점 이상인 230℃를 유지시켰다. 두께 0.2mm와 너비 50mm의 판상 흑연 복합체를 유로성형하는 조건에서는 1초에 1㎝의 속도로 판이 제어 핀(10) 위를 지나가게 된다. 이때, 제어 핀(10)이 0.1초 동안 압출되어 나오는 판에 0.3-1㎜의 깊이로 삽입하면 0.3-1㎜ 깊이의(1㎜의 너비로) 유로 홈을 구성할 수 있으며, 유로 길이가 50㎜이면 5초 동안 제어 핀(10)을 삽입하고 있다가 유로가 설계되지 않은 면에서 제거한다. 또한 두께 0.2㎜와 너비 150㎜의 판상을 기준으로 제조할 경우에는 제어 핀(10)이 0.3초 동안 압출되어 나오는 판에 삽입되면 1㎜의 유로 홈을 성형할 수 있으며, 50㎜ 길이의 유로를 성형할 경우에는 제어 핀(10)이 15초 동안 판에 삽입되어 있으면 된다.

제 2 온도 조절부(30)는 유로가 성형된 연료전지 분리판의 냉각을 위해 0-25℃의 온도로 유지하였고, 제 2 온도 조절부(30)를 지나는 유로형 연료전지 분리판 사이에는 0.01-2㎜의 공차를 두어 유로형 연료전지 분리판의 이동이 쉽도록 설계하였다.

연료전지 분리판 절단부(D)를 추가로 구비하도록 하여 유로형 연료전지 분리판의 외곽을 쉽게 자를 수 있도록 고정하는 고정부(40)와 커터기(50)를 구비한 다. 이때 고정부(40)와 커터기(50)는 제품 취출부까지 이동하면서 유로형 연료전지 분리판의 외곽을 절단하여 연료전지 분리판을 수득할 수 있다.

본 발명은 열가소성 소재가 적용되어 제조되는 연료전지 분리판에서 일반적으로 사용되는 사출성형 및 압축성형 장치를 사용하지 않기 때문에 공정을 단순화할 수 있으며 제품의 생산 시간, 비용을 절감하고, 효율을 증가시킬 수 있다. 현재 사출성형 공정을 적용하여 제조되는 연료전지 분리판은 압축성형 공정보다 제조시간을 1/10-1/3까지 줄이는 장점을 가지고 있어 이에 대한 기술개발이 이루어지고 있으나, 흑연 및 전도성 분말 재료들이 흑연 복합체의 80% 이상을 차지하기 때문에 사출기 내부에서 유동성이 저하되어 분리판의 성형 및 두께편차 제어가 어렵다. 그러나 본 발명은 유로형 연료전지 분리판 제조를 위해 사출성형기가 사용되지 않기 때문에 분리판 제조공정 및 제조시간이 단축되며, 재료의 유동성, 분리판의 성형성, 사출금형 등의 사출성형을 위한 기술 및 추가적인 비용이 필요하지 않은 장점이 있다.

상기 표 1은 본 발명에 의해 제조된 연료전지 분리판의 제조면적, 시간, 인력들을 기존의 방법과의 비율로 비교한 것이다. 본 발명에 의한 연료전지 분리판 제조방법이 2-4배 이상의 효과를 갖는다.

또한, 사출성형시에 분리판의 성형성 및 두께 편차 개선을 위해 분리판의 외부에 적용되는 더미부가 필요하지 않아 흑연 복합체의 낭비를 줄일 수 있다. 사출성형이나 압축성형 공정에서는 유로형 연료전지 분리판의 제조를 위해 사출 및 압축금형이 사용되는데, 일단 제조된 사출 및 압축금형은 유로 및 매니폴드 형상 수정이 매우 어려우나, 본 발명에서 적용된 도2와 같은 다양한 유로 형상 제어 핀(10)과 분리판 설계에 따라 유로 형상 제어 프로그램을 입력하면 사출 및 압축금형을 사용하지 않고 다양한 유로형 연료전지 분리판을 제조할 수 있고, 또한 다양한 유로 형상(도 6)의 적용도 가능하며, 유로 형상 제어 핀(10)의 깊이에 따라 하나의 유로 안에서도 유로 깊이 조절(도 7)이 자유롭다.

분리판의 두께 편차를 측정한 결과 사출기를 통해 제조된 분리판의 두께 편차는 100㎛ 이상이나, 본 발명에 의해 제조된 분리판의 두께 편차는 70㎛ 이하로 더욱 우수한 것을 확인하였다.

도 1은 본 발명의 일구현예에 사용되는 유로 형상의 제어핀의 구조를 나타낸 개략도이다.

도 2는 제어핀의 칼날 형상을 도시한 것이다.

도 3은 본 발명에 의한 일구현예로서 연료전지 분리판 제조장치를 나타내는 개략도이다.

도 4는 유로 형성부 내부에서의 제어 핀의 위치를 나타내는 평면 개략도이다.

도 5a 및 도b는 제어핀에 의해 성형되는 매니폴드 및 유로부의 개략도이다.

도 6은 도 2에 적용된 다양한 형상의 제어 핀에 의해 제조된 유로형 연료전지 분리판의 단면을 나타낸 것이다.

도 7은 유로 형상 제어 프로그램에 의해 유로 형상 제어 핀이 연속적으로 깊이가 조절되는 하나의 유로 형상을 나타낸 것이다.

도 8는 본 발명에 의해 제조된 유로형 연료전지 분리판의 개략도이다.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 **

10 : 유로형상 제어핀, 20 :제 1 온도 조절부

30 : 제 2 온도 조절부 40 : 고정부

50 : 커터기

100 : 연료전지 분리판 제조장치

A : 판성형부 B : 유로형성부

C : 냉각부 D : 절단부

Claims (20)

1. (1) 압출된 흑연 복합체를 판 성형장치에 투입하여 판으로 성형하는 단계 ;

   (2) 단부의 칼날이 유로 형상으로 형성된 제어 핀 사이로 상기 판을 통과시켜 상기 제어 핀의 절삭 작용에 의해 상기 판에 유로를 형성시키는 단계를 포함하는 연료전지 분리판 제조방법으로서 상기 방법은 상기 단계들이 연속공정으로 실시되는 것을 특징으로 하는 연료전지 분리판의 제조방법.
2. 제 1항에 있어서, 상기 연속 공정은 상기 흑연복합체를 0.1-30kg/h 속도로 상기 판 성형장치에 연속 투입하는 것을 특징으로 하는 연료전지 분리판의 제조방법.
3. 제 1항에 있어서, 상기 유로 형성단계는 상기 제어핀의 판에 삽입되는 깊이와 체류 시간을 조절하여 유로를 형성하는 단계인 것을 특징으로 하는 연료전지 분리판의 제조방법.
4. 제 3항에 있어서, 상기 제어핀의 삽입 깊이가 0.01-3mm, 삽입 체류 시간이 0.1 내지 300초인 것을 특징으로 하는 연료전지 분리판의 제조방법.
5. 제 1항에 있어서, 상기 판에 형성된 유로의 깊이가 0.1-3㎜, 유로의 길이가 1 ㎜이상으로 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지 분리판의 제조방법.
6. 제 3항에 있어서, 상기 제어핀의 깊이를 연속 및 불연속적으로 조절하여 하나의 유로 안에서도 0.1~3mm의 깊이 편차를 가지는 것을 특징으로 하는 연료전지 분리판의 제조방법.
7. 제 1항에 있어서, 상기 방법은 상기 제어핀을 판의 양면에서 독립적으로 제어하여 수소 및 냉각유로를 동시에 성형시키는 것을 특징으로 하는 연료전지 분리판의 제조방법.
8. 제 1항에 있어서, 상기 방법은 수소, 공기 및 냉각 유로의 설계가 입력된 유로 형상 제어 프로그램으로 상기 제어핀들을 각각 독립적으로 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지 분리판의 제조방법.
9. 제 1항에 있어서, 상기 방법은 상기 제어 핀 말단의 형상에 따라 상기 유로의 단면을 직사각형, 삼각형, 반원형, 사다리꼴로 형성시키는 것을 특징으로 하는 연료전지 분리판의 제조방법.
10. 제 1항에 있어서, 상기 방법은 상기 유로 형성 단계의 온도를 상기 열가소성 수지의 녹는점 이상으로 유지시키는 것을 특징으로 하는 연료전지 분리판의 제조방법.
11. 제 1항에 있어서, 상기 방법은 (3)단계 후 유로 형성된 판을 냉각시키는 단계를 포함하고, 상기 냉각단계의 온도를 0-25℃로 유지시키는 것을 특징으로 하는 연료전지 분리판의 제조방법.
12. 제 11항에 있어서, 상기 방법은 상기 냉각시킨 판을 절단하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 분리판의 제조방법.
13. 압출기에서 혼합 압출된 분리판 재료를 판으로 성형하는 판 성형부 ; 및

    상기 판에 절삭 작용에 의해 유로를 형성하는 제어핀과 상기 열가소성 수지의 녹는점 이상으로 판의 온도를 유지시키는 제 1온도 조절부를 구비하는 유로형성부 ;를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 분리판 제조장치.
14. 제 13항에 있어서, 상기 장치는 상기 유로 형성부에 의해 유로 형성된 판을 냉각시키는 제 2 온도 조절부를 구비하는 냉각부를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 분리판 제조장치.
15. 제 14항에 있어서, 상기 장치는 상기 냉각시킨 판을 절단하는 절단부를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 분리판 제조장치.
16. 제 13항에 있어서, 상기 제어핀은 판상 흑연 복합체를 유로 성형할 때 동일한 유로 성형에 사용되는 선형 유로 형상 제어 핀, 독립적인 유로 성형에 사용되는 점형 유로 형상 제어핀을 특징으로 하는 연료전지 분리판 제조장치.
17. 제 13항에 있어서, 상기 장치는 수소, 공기 및 냉각 유로의 설계가 입력된 유로 형상 제어 프로그램으로 상기 제어핀들을 각각 독립적으로 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지 분리판 제조장치.
18. 제 13항에 있어서, 상기 제어핀은 유로 성형시 발생하는 이물질을 제거하는 이물질 제거부를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 분리판 제조장치.
19. 제 1항 내지 제 12항 중 어느 한 항에 따라 제조된 연료전지 분리판.
20. 제 1항 내지 제 12항 중 어느 한 항에 따라 제조된 연료전지 분리판을 포함하는 연료전지.

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