KR101013872B1 - 연료전지용 금속분리판 제조 장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 연료전지용 금속분리판 제조 장치 및 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 스테인레스강 등의 금속박판을 점진적 동시 고무성형을 이용한 소성변형 공정을 통해 대면적 금속분리판을 대량 생산이 가능한 구조로 제작할 수 있도록 한 연료전지용 금속분리판 제조 장치 및 방법에 관한 것이다.

이를 위해, 본 발명은 복수개의 하부다이의 각 표면에 금속박판을 올리는 올리는 단계와; 상기 금속박판이 올려진 복수개의 하부다이가 이송수단에 의해 프레싱 수단을 향하여 피치 이송하되, 서로 다른 방향으로 교차되면서 이송되는 단계와; 피치 이송된 상기 금속박판이 상기 리테이너의 압착력에 의하여 가압 성형되되, 금속박판의 전체 면적을 길이방향을 따라 구분한 단위면적별로 순차 진행되는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 금속분리판 제조 방법을 제공한다.

연료전지, 금속 분리판, 대량생산, 고무, 리테이너, 1차 성형, 2차 성형, 3차 성형, 중첩영역, 금속박판, 하부다이, 패턴

Description

연료전지용 금속분리판 제조 장치 및 방법{Manufacturing method for metallic separator using incrementally synchronized rapid rubber forming process}

본 발명은 연료전지용 금속분리판 제조 장치 및 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 스테인레스강 등의 금속박판을 점진적 동시 고무성형을 이용한 소성변형 공정을 통해 대면적 금속분리판을 대량 생산이 가능한 구조로 제작할 수 있도록 한 연료전지용 금속분리판 제조 장치 및 방법에 관한 것이다.

고분자 전해질 연료전지(Proton Exchange Membrane Fuel Cell, PEMFC)는 여러가지 연료전지 중에서 작동온도가 80℃로 낮고, 높은 에너지 효율을 갖는 등 많은 장점을 가지고 있다.

상기 연료전지의 산화전극(anode) 및 환원전극(cathode)에는 산화 및 환원 반응을 촉진시키기 위해 촉매층이 도포된 상태로서, 산화전극에는 수소가 공급되어 산화반응을 통해 수소 이온과 전자로 분리되고, 환원전극에서는 상기 분리된 수소 이온과 산소가 결합해 물을 형성하게 되며, 동시에 산화전극에서의 산화반응 및 환원전극에서의 환원반응을 이용하여 전력을 생성하게 된다.

이러한 고분자 전해질 연료전지에 사용되는 분리판(bipolar plate 또는 separator)은 수소와 산소가 흐를 수 있는 채널이 형성된 구조로서, 연료전지의 적층시 각각의 단위전지를 분리해주고, MEA(Membrane Electrode Assembly)의 지지체 역할을 하며, 수소와 산소가 흐를 수 있는 경로로 사용되며, 생성된 에너지를 전달하는 전류집전체(current collector)의 역할을 하게 된다.

따라서, 상기 분리판이 가져야 할 특성으로 전압 손실을 최소한으로 줄이기 위해서 전기 전도도가 좋아야 하고, 공급되는 수소 내지 산소 등의 가스가 투과되지 못하도록 가스 투과율이 낮아야 하며, 또한 밀도가 낮아 가벼워야 하고, 충분한 기계적 강도를 가져야 하며, 사용되는 전해질 내에서 좋은 내부식성을 가져야 하고, 가공이 쉬운 재질이어야 하며, 제조 단가가 낮아야 한다.

첨부한 도 1은 연료전지의 단위셀과 분리판을 나타내는 도면으로서, 통상적으로 하나의 연료전지 스택은 복수 개의 단위셀(unit cell)이 적층되어 구성된다.

이러한 단위전지에는 고분자전해질막(또는 "프로톤교환막"이라고도 함)이 포함되는데, 이 프로톤교환막의 양측면에 산화전극(anode) 및 환원전극(cathode)이 형성되고, 이러한 프로톤교환막 및 각 전극은 열간 압착(hot press)에 의하여 일체 가 되면서 막전극 접합체(10)(membrane electrode assembly; MEA)를 형성하게 된다.

또한, 상기 막전극접합체(10)의 전극 외측으로는 기체 확산층(Gas Diffusion Layer; GDL)이 형성되어 있다.

이렇게 서로 인접한 단위전지들의 막전극 접합체(10)들은 분리판(20)에 의해 서로 분리되면서 지지된다.

첨부한 도 2는 금속분리판을 나타낸 도면으로서, 이 금속분리판(이하, "분리판"이라고 함; separator)은 연료인 수소와 공기의 통로가 되는 요철부(30)로 이루어진 미세 홈을 가진 금속박판 구조를 가지며, 이러한 구조의 분리판은 막전극 접합체(MEA)의 외측에 접합된 기체확산층(GDL)에 접합된다.

상기 분리판(20)은 연료와 공기를 공급할 뿐 만 아니라, 연료극 측에서는 수분의 공급통로로, 공기극 측에서는 생성된 물의 제거통로서의 기능을 가지고 있고, 특히 외부회로로 전기를 흘리는 역할도 한다.

따라서, 상기 분리판의 미세 홈 깊이와 폭 등의 구조적인 인자가 연료전지의 출력효율에 크게 영향을 미치는 중요한 기술요소라 하겠다.

한편, 현재까지 고분자 전해질 연료전지용 분리판을 제작하기 위한 공정으로 스탬핑을 이용한 제작 공정이 많이 연구되어 왔다.

이러한 스탬핑 공정은 그 공정이 단순하여 대량생산이 가능하다는 장점을 가지지만, 스템핑 공정에 사용되는 상부 펀치와 하부 다이를 이용한 금속박판의 성형에 있어서, 펀치와 다이의 치수정밀도에 따라 분리판의 형상 정밀도가 좌우되기도 한다.

또한, 미세 금속 패턴의 스탬핑 공정에서 발생하게 되는 결함 모드로서, 상부 펀치가 하부다이로 하강하여 소재를 변형시킬 경우, 분리판의 일부 좁은 영역에 서 상하부 금형과 소재가 접촉되므로 패턴의 편평부에서 소재가 솟아오르는 리코일링(Recoiling) 현상이 발생하는 단점이 있다.

그리고, 상부 펀치의 하강이 끝난 후에는 패턴 상하의 라운드부와 같은 일부 좁은 영역에서 변형율이 집중되어, 그 영역에 과도한 두께 감소(Thinning)가 발생하게 되고, 또한 소재의 성형이 끝난 후에 상부 펀치를 제거하게 되면 박판 성형에서 발생하게 되는 스프링 백(springback) 현상에 의해 치수정밀도를 확보할 수 없는 단점이 있다.

그 외에 분리판을 제조함에 있어서, 소재 두께의 불균일성과 이방성 등의 물성에 따른 패턴 형상의 낮은 정밀도와 금형 제작 기술과 정합 기술 등의 한계로 인해 초정밀을 갖는 패턴 제작에 많은 어려움이 있고, 이러한 여러 가지 문제들에 의해 현재 연료 전지용 분리판이 요구하는 형상 정밀도를 만족할 수 없으므로, 앞서 언급한 성형 결함을 최소화할 수 새로운 분리판 제조 방안이 요구되고 있다.

이러한 점을 감안한 종래기술로서, 일본 공개특허 제2006-114443호(이하, "제1특허"라고 함)에는 정수압 원리를 이용한 연료 전지용 금속 분리판 성형 방법이 개시되어 있다.

즉, 상기 제1특허에는 금속박판 소재의 성형성을 개선하기 위하여 정수압 작용을 위해 우레탄 고무를 이용하여 분리판을 한번의 프레스 압하량(stroke)으로 제작하는 방법, 임의의 공간에 액압을 공급하여 정수압을 가하는 방법(hydroforming process) 그리고 액압주머니를 이용하여 주머니 내에 액압을 공급하여 정수압을 가하는 방법의 세 가지 실시예를 통하여 분리판을 제작하는 방법이 개시되어 있다.

분리판의 성형 원리는 성형하고자 하는 패턴이 형성된 하부 금형 위에 금속 소재를 올려 놓은 다음, 상부의 리테이너(retainer) 내부에 우레탄 고무 또는 액압을 이용해 소재를 가압하여 패턴을 형성시키는 방법이다. 이러한 원리를 이용한 정수압 공정을 통해 미세한 금속 패턴의 성형이 가능하게 된다.

특히, 소재의 두께감소율이 고르게 분포되어 스탬핑공정에서 근본적으로 발생할 수 있는 국부적인 영역의 과도한 두께감소(local thinning)에 의한 분리판의 찢어짐(tearing)현상을 방지할 수 있을 뿐만 아니라, 금속의 상부 펀치가 아닌 고무를 사용함으로써, 판재 표면에 흠을 내지 않고도 복잡한 형상을 가공할 수 있으며, 다층 비금속 판재 또는 코팅 판재의 성형도 가능할 수 있게 된다.

그러나, 상기 제1특허는 한번의 프레스 압하량(stroke)로 탄성재인 우레탄 고무를 압착하여 미세패턴을 가진 분리판을 제작하는 방법으로 구성되어 있으므로, 향후 고분자 전해질 연료전지의 분리판이 대면적으로 구성될 경우 매우 높은 하중이 요구될 뿐만 아니라, 균일한 미세패턴 제작을 위한 압력제어로 인하여 생산속도 또한 현저히 떨어진다는 단점이 있다.

또한, 매우 높은 성형압력에서 발생하는 고무 및 유체에 의한 액압을 제어할 수 있는 리테이너 밀봉(retainer sealing) 문제가 심각하게 발생한다.

특히, 완전 밀봉형된 형태의 리테이너를 적용하여 성형면적이 증가하고 패턴의 형상이 복잡하게 될수록 소재 충진을 위한 성형 하중은 급격히 증가하게 되어 상기의 여러 가지 문제를 야기할 수 있다.

따라서, 낮은 성형하중을 적용하여 금속 박판의 성형성을 향상 시킬 수 있도 록 정수압을 이용한 공정은 생산성 향상에 매우 중요한 요소이고, 또한 완전 밀봉된 형태의 리테이너가 아닌 열린 상태의 리테이너를 사용하는 것은 공정변수를 유연하게 최적화 할 수 있다.

다른 종래기술로서, 일본 공개특허 2005-243252(이하, "제2특허"라고 함)에서는 프레스를 사용하는 스탬핑 공정에서 다단계 성형을 통하여 분리판의 성형성을 개선하는 내용을 개시하고 있다.

즉, 단발 성형으로 최종 분리판 패턴을 형성하는 것이 아니라, 먼저 1차 성형을 통하여 예형(preform)을 제작한 다음 제작된 예형으로 2차 성형에서 프레스에 의하여 상하부 다이를 이용하는 스템핑공정으로 최종 분리판을 제작하는 방법이 개시되어 있다.

제2특허에 개시된 공정의 경우 미리 설계된 상하부 금형을 통해 초기 소재를 스탬핑에 의한 1차 성형을 하여 예형을 형성하고, 이러한 예형 형상의 경우 최종 패턴으로의 성형 이전에 상하부 금형에 의한 굽힘과 스트레칭(stretching)에 의해 만들어진 2차 성형을 위한 예비 형상으로서, 이를 이용하게 되면 2차 성형 시 소재의 성형성 향상에 더 효과적일 수 있다.

특히, 스트레칭된 예형을 이용함으로써 국부적인 영역에서의 과도한 두께 감소(thinning) 현상을 방지하여 고른 변형율 분포를 얻을 수 있게 된다.

그러나, 상기 제2특허의 경우 서펜타인(serpentine) 구조 등과 같이 분리판의 패턴형상이 복잡하고, 성형깊이가 깊으며, 편평부를 증가시키기 위하여 라운드부를 줄이려고 할 때, 최종 제작공정으로서 스탬핑의 성형 원리를 이용한 것이므 로, 앞서 언급된 바 있는 스탬핑이 가지는 근본적인 문제점인 리코일링, 국소 두께 감소, 스프링백을 피할 수는 없는 단점을 갖는다.

본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로서, 고무를 이용한 점진적인 동시 성형을 통해 분리판을 제조하여 현재의 스탬핑 공정에 발생하는 스프링백, 솟아오름, 국부적인 영역에서의 과도한 두께 감소 및 공구마모 등을 최소화시키고, 점진적인 동시 성형 시퀀스를 통해 대면적 미세 패턴을 낮은 성형 하중으로 분리판의 치수 정밀도를 확보하는 동시에 그 제조 생산속도를 크게 향상시킬 수 있으며, 점진적 동시 고속 고무성형을 이용하여 대면적 금속분리판을 대량 생산이 가능한 구조로 제작할 수 있도록 한 연료전지용 금속분리판 제조 장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 점진적 고무성형을 이용한 대면적 금속분리판 제조 장치에 있어서, 소정의 패턴이 상부 표면에 형성된 적어도 하나 이상의 하부다이와; 상기 하부다이를 서로 다른 방향으로 피치 이송시키는 이송수단과; 상기 하부다이의 상부 표면에 올려져 함께 피치 이송되는 금속박판을 압착 성형하되, 금속박판의 전체 면적을 단위면적별로 나누어 반복적으로 압착 성형하는 프레싱 수단; 으로 구성된 것을 특징으로 하는 연료전지용 금속분리판 제조 장치를 제공한다.

상기 이송수단은: 상기 하부다이의 저면에 형성된 레일홈과 결합되는 레일과; 상기 하부다이와 연결되어, 하부다이를 일정한 거리로 피치 이송시키는 구동부; 로 구성된 것을 특징으로 한다.

상기 프레싱 수단은: 상기 레일의 중간부분에서 그 양편에 고정되는 하부 받침대와; 상기 하부받침대에 대하여 승하강 가능하게 결합되는 리테이너와; 상기 리테이너의 저면에 일체로 부착되는 압착고무와; 상기 리테이너를 상하로 승하강 구동시키는 구동부; 로 구성된 것을 특징으로 한다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 점진적 고무성형을 이용한 대면적 금속분리판 제조 방법에 있어서, 적어도 하나 이상의 하부다이의 각 표면에 금속박판을 올리는 올리는 단계와; 상기 금속박판이 올려진 하부다이가 이송수단에 의해 프레싱 수단을 향하여 피치 이송하되, 서로 다른 방향으로 교차되면서 이송되는 단계와; 피치 이송된 상기 금속박판이 상기 리테이너의 압착력에 의하여 가압 성형되되, 금속박판의 전체 면적을 길이방향을 따라 구분한 단위면적별로 순차 진행되는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 금속분리판 제조 방법을 제공한다.

특히, 상기 적어도 하나 이상의 하부다이중 어느 하나에 프리포밍된 금속박판을 올리는 동시에 프레싱 수단으로 정방향 피치 이송시키면서, 금속박판의 전체 면적을 길이방향을 따라 구분한 단위면적별로 1차 성형하는 단계와; 상기 적어도 하나 이상의 하부다이중 다른 하나에 1차 성형된 금속박판을 뒤집어서 올리는 동시에 프레싱 수단으로 역방향 피치 이송시키면서, 1차 성형된 금속박판을 길이방향을 따라 구분한 단위면적별로 2차 성형하는 단계; 를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 리테이너의 압착력에 의한 금속박판의 성형시, 상기 금속박판의 각 단위면적의 경계부는 서로 중첩되게 성형되는 것을 특징으로 한다.

상기한 과제 해결 수단을 통하여, 본 발명은 다음과 같은 효과를 제공한다.

본 발명에 따르면, 점진적인 동시 고속 고무성형을 이용한 대면적 금속분리판의 제작방법으로서, 금속박판이 올려진 하부다이를 서로 반대방향으로 교차되게 이송시키면서 고무 리테이너에 의한 압착 성형이 금속박판의 단위면적별로 반복 진행되도록 함으로써, 금속분리판의 대량생산이 가능하고, 단위 면적의 순차적인 고무성형 공정을 통해 낮은 하중에서도 수소 및 공기유로가 되는 패턴의 정확도 및 균일도를 확보할 수 있다.

또한, 복수개의 하부다이중 어느 하나에 올려진 금속박판을 일방향으로 이송시키며 1차 성형하고, 다른 하부다이에 1차 성형된 금속분리판을 뒤집어서 안착시켜 1차 성형된 금속분리판의 반대면을 다시 성형해줌으로써, 대면적 금속분리판의 뒤틀림을 저감할 수 있다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조로 상세하게 설명하기로 한다.

본 발명은 금속박판이 올려진 적어도 하나 이상의 하부다이를 서로 교차시키면서 프레싱 수단의 고무 리테이너의 압착에 의한 구간 반복 성형이 이루어지도록 함으로써, 대량 생산이 가능하고, 금속분리판에 형성되는 수소 및 공기의 유로가 되는 패턴 형상의 정밀도 및 균일성을 향상시킬 수 있으며, 금속분리판의 뒤틀림 현상을 방지할 수 있도록 한 점에 주안점이 있다.

이를 위한 본 발명의 연료전지 분리판 제조 장치는 첨부한 도 7에 도시된 바와 같다.

도 7에 도시된 바와 같이, 본 발명의 연료전지 분리판 제조 장치는 소정의 패턴(수소, 공기, 냉각수 유로가 되는 채널)이 상부 표면에 형성된 하부다이가 복수개로 배치된 점에 특징이 있으며, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 제1하부다이 및 제2하부다이로 구분하여 설명하기로 한다.

소정의 패턴(48)이 상부 표면에 형성된상기 제1 및 제2 하부다이(40,42)는 하나의 작업판에 나란히 평행을 이루며 배치되되, 서로 다른 방향으로 피치 이송되도록 배치된다.

예를 들어, 소정 면적의 작업판상에 한 쌍의 레일(44)을 깔고, 상기 제1 및 제2하부다이(40,42)의 저면에 레일홈(46)을 형성하여, 상기 레일(44)에 제1 및 제2하부다이(40,42)의 레일홈(46)을 결합시킴으로써, 제1 및 제2하부다이(40,42)가 직 선 이송 가능한 상태가 되도록 한다.

이때, 상기 제1 및 제2하부다이(40,42)는 서로 반대방향을 향하여 교차되면서 직선 왕복 이동하는 바, 그 직선 왕복 운동을 위한 구동수단은 미도시되었지만 스크류와 서보모터의 조합, 랙과 피니언의 조합 등 공지의 구동장치를 이용할 수 있다.

또한, 상기 레일(44)의 중간부분에 상기 제1 및 제2하부다이(40,42)의 상부 표면에 올려져 함께 피치 이송되는 금속박판(50)을 압착 성형하는 프레싱 수단이 배치된다.

보다 상세하게는, 상기 프레싱 수단은 상기 레일(44)의 중간부분에서 그 양편에 고정되는 하부받침대(52)와, 상기 하부받침대(52)에 대하여 승하강 가능하게 결합되는 리테이너(54)와, 상기 리테이너(54)의 저면에 일체로 부착되는 압착고무(56)와, 상기 리테이너(54)를 상하로 승하강 구동시키는 구동부로 구성되며, 이때 구동부는 미도시되었지만 리테이너(54)를 승하강시키는 유압실린더 등이 될 수 있다.

한편, 본 발명에 채택된 리테이너(54)는 그 저면에 압착고무(56)가 부착된 구조로서, 첨부한 도 3a에 나타낸 바와 같이 제1 및 제2하부다이에 형성된 패턴의 길이 방향 또는 폭 방향중 한쪽 면이 개방된 형태의 일부 밀폐형 리테이너를 사용할 수 있고, 첨부한 도 3b에 도시된 바와 같이 고무의 이동을 모든 방향으로 차단시키는 완전 밀폐형 리테이너를 사용할 수 있다.

이하, 상기한 구성을 기반으로 이루어지는 본 발명의 연료전지 분리판 제조 방법에 대하여 설명하기로 한다.

본 발명에 따르면, 연료전지 분리판의 전체면적을 그 길이방향을 따라 몇개의 단위면적으로 나누어서, 프레싱 구간으로 단위면적별로 점진적 선형 왕복 즉, 피치 이송시키고, 피치 이송된 해당 단위면적 구간들을 연속적으로 부분 성형함으로써, 부분적인 성형으로 인한 과도한 하중을 요구하지 않고, 단위면적과 단위면적간의 경계부에 대한 중복성형으로 패턴 형상의 연속성을 용이하게 유지할 수 있으며, 이러한 점진적인 성형 과정을 통하여 정밀도 및 균일도가 높은 대면적 금속분리판을 대량생산할 수 있는 점 등에 주안점이 있다.

또한, 금속박판의 단위면적별 성형을 통해, 패턴의 미성형 또는 스프링백을 방지할 수 있고, 단위 면적당 정수압을 균일하게 유지함으로써, 패턴의 형상 정밀도와 균일도를 확보할 수 있다.

이러한 효과를 얻기 위한 본 발명의 연료전지 분리판 제조 방법을 첨부한 도 8a 내지 도 8m을 참조로 상세하게 설명하면 다음과 같다.

a) 도 8(a)에 나타낸 바와 같이, 수소/공기/냉각수 유로 채널을 형성하기 위한 패턴(48)이 상부표면에 형성된 제1 및 제2하부다이(40,42)를 리테이너(54)의 외측방향에 각각 배치시킨다.

b) 도8(b)에서와 같이, 서로 반대방향에 위치한 제1 및 제2하부다이(40,42) 위에 금속박판(50)을 안착시킨다.

c) 도 8(c)에서와 같이, 1차 성형을 위하여 서로 반대방향에 배치된 제1 및 제2하부다이(40,42)를 이송수단에 의하여 리테이너(54)의 아래쪽으로 피치 이송시 킨다.

보다 상세하게는, 상기 제1 및 제2하부다이(40,42)가 피치 이송되는 동시에 상기 금속박판(50)의 전체면적중 그 길이방향을 따라 몇개(바람직하게는 3개)로 나누어진 첫번째 단위면적 구간이 프레싱 구간 즉, 리테이너(54)의 아래쪽으로 이송된다.

d) 다음으로, 도 8(d)에 나타낸 바와 같이 상기 리테이너(54)가 하강하여 상기 금속박판(50)의 전체면적중 그 길이방향을 따라 몇개(바람직하게는 3개)로 나누어진 첫번째 단위면적 구간이 1차 성형된다.

즉, 상기 리테이너(54)의 하강에 따른 가압력이 그 저면에 부착된 압착고무(56)에 의하여 금속박판(50)으로 전달되는 동시에 금속박판(50)의 저면이 제1 및 제2하부다이(40,42)의 패턴(48)에 압착되면서, 금속박판(50)에 대한 1차 성형이 완료된다.

e) 1차 성형후, 도 8(e)에서와 같이 상기 리테이너(54)를 상승시킨다.

f) 이어서, 도 8(f)에서와 같이 2차 성형을 위하여 서로 반대방향에 배치된 제1 및 제2하부다이(40,42)를 이송수단에 의하여 리테이너(54)의 아래쪽으로 다시 피치 이송시킨다.

보다 상세하게는, 상기 제1 및 제2하부다이(40,42)가 재차 피치 이송되는 동시에 상기 금속박판(50)의 전체면적중 그 길이방향을 따라 몇개(바람직하게는 3개)로 나누어진 두번째 단위면적 구간이 프레싱 구간 즉, 리테이너(54)의 아래쪽으로 이송된다.

g) 연이어, 도 8(g)에서와 같이 상기 리테이너(54)가 다시 하강하여 상기 금속박판(50)의 전체면적중 그 길이방향을 따라 몇개(바람직하게는 3개)로 나누어진 두번째 단위면적 구간이 2차 성형된다.

h) 2차 성형후, 도 8(h)에서와 같이 상기 리테이너(54)를 다시 상승시킨다.

i) 이어서, 도 8(i)에서와 같이 3차 성형을 위하여 서로 반대방향에 배치된 제1 및 제2하부다이(40,42)를 이송수단에 의하여 리테이너(54)의 아래쪽으로 또 다시 피치 이송시킨다.

보다 상세하게는, 상기 제1 및 제2하부다이(40,42)가 또 다시 피치 이송되는 동시에 상기 금속박판의 전체면적중 그 길이방향을 따라 몇개(바람직하게는 3개)로 나누어진 세번째 단위면적 구간이 프레싱 구간 즉, 리테이너(54)의 아래쪽으로 이송된다.

j) 연이어, 도 8(j)에서와 같이 상기 리테이너(54)가 또 다시 하강하여 상기 금속박판(50)의 전체면적중 그 길이방향을 따라 몇개(바람직하게는 3개)로 나누어진 세번째 단위면적 구간이 3차 성형된다.

k) 3차 성형후, 도 8(k)에서와 같이 상기 리테이너(54)를 재차 상승시킨다.

l) 이와 같은 공정후, 도 8(l)에서와 같이 최종 제작된 금속분리판(20)을 언로딩(unloading)시키기 위하여 제1 및 제2하부다이(40,42)를 역방향 즉, 리테이너의 외측방향으로 이송시킨다.

m) 최종적으로, 도 8(m)에서와 같이 제작된 금속분리판(20)을 언로딩시킨다.

이러한 과정들을 반복적으로 수행함으로써, 금속분리판을 대량으로 생산할 수 있으며, 상기의 과정은 3회의 단위면적 성형으로 진행되는 일예로 설명하였지만, 금속박판의 단위면적 최적화에 의한 성형하중과 성형면적과의 적절한 조합으로 다양하게 진행될 수 있다.

한편, 첨부한 도 5에 도시된 바와 같이 압착고무를 갖는 리테이너의 크기 및 그 성형하중을 조절함으로써, 어떠한 크기의 대면적 금속분리판도 그 유로 형상을 정확하게 얻어내면서 용이하게 제작할 수 있다.

본 발명의 다른 실시예로서, 금속박판을 프리포밍된 형태로 형성한 후 금속분리판을 제조하되, 금속박판의 일면 및 그 반대면을 순차적으로 성형하여 정밀도를 향상시키는 방법을 설명하면 다음과 같다,

첨부한 도 9에 도시된 바와 같이, 먼저 금속박판(50)을 별도의 스템핑 공정을 통해 완전하지 않은 패턴을 갖는 프리폼 형태로 제작한 후, 상기와 같이 제1하부다이(40)에 안착시켜 피치 이송시키면서 리테이너(54)의 가압에 의한 1차 성형이 이루어지도록 하고, 연이어 제2하부다이(42)에 1차 성형된 금속박판(50)을 뒤집어서 안착시켜 피치 이송시키면서 리테이너에 의한 2차 성형이 이루어지도록 한다.

이렇게, 금속박판(50)에 대한 양면을 모두 1차 및 2차에 걸쳐 성형해줌으로써, 최종 제조되는 대면적 금속분리판의 뒤틀림 현상을 방지할 수 있다.

도 1은 고분자 전해질형 연료전지스택의 구조를 나타내는 구성도,

도 2는 도 1의 금속분리판을 나타내는 사시도 및 단면도,

도 3 및 도 4는 본 발명의 연료전지 분리판 제조 장치에 적용 가능한 고무 리테이너 구조를 설명하는 도면으로서, 도 3은 180도 밀폐형 리테이너이고, 도 4는 완전 밀폐형 리테이너를 나타내는 사시도,

도 5는 본 발명의 연료전지 분리판 제조를 위한 고무 리테이너의 크기에 따른 성형 하중을 나타낸 데이터,

도 6은 본 발명의 연료전지 분리판 제조시, 분리판의 성형 중첩구간을 설명하는 개략도,

도 7은 본 발명에 따른 연료전지 분리판의 제작시 성형 하중 조정에 따라 분리판의 유로가 다르게 형성됨을 설명하는 단면도,

도 8a 내지 도 8m은 본 발명에 따른 연료전지 분리판 제조 장치 및 이를 이용한 제조 방법을 나타낸 것으로서, 점진적 동시 성형방법에 의한 금속분리판 제작 공정도을 설명하는 사시도,

도 9는 금속박판을 미리 프리폼 형태로 형성한 후 금속분리판을 제조하되, 금속분리판의 일면 및 그 반대면을 순차적으로 성형하여 정밀도를 향상시키는 개념도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10 : 막전극 접합체 20 : 금속분리판

30 : 요철부 40 : 제1하부다이

42 : 제2하부다이 44 : 레일

46 : 레일홈 48 : 패턴

50 : 금속박판 52 : 하부받침대

54 : 리테이너 56 : 압착고무

Claims (6)

1. 점진적 고무성형을 이용한 대면적 금속분리판 제조 장치에 있어서,

   상부 표면에 패턴이 형성된 적어도 하나 이상의 하부다이와;

   상기 하부다이를 서로 다른 방향으로 교차시키며 피치 이송시키는 이송수단과;

   상기 하부다이의 상부 표면에 올려져 함께 피치 이송되는 금속박판을 압착 성형하되, 금속박판의 전체 면적을 단위면적별로 나누어 반복적으로 압착 성형하는 프레싱 수단;

   으로 구성된 것을 특징으로 하는 연료전지용 금속분리판 제조 장치.
2. 청구항 1에 있어서, 상기 이송수단은:

   상기 하부다이의 저면에 형성된 레일홈과 결합되는 레일과;

   상기 하부다이와 연결되어, 하부다이를 일정한 거리로 피치 이송시키는 구동부;

   로 구성된 것을 특징으로 하는 연료전지용 금속분리판 제조 장치.
3. 청구항 1에 있어서, 상기 프레싱 수단은:

   상기 레일의 중간부분에서 그 양편에 고정되는 하부 받침대와;

   상기 하부받침대에 대하여 승하강 가능하게 결합되는 리테이너와;

   상기 리테이너의 저면에 일체로 부착되는 압착고무와;

   상기 리테이너를 상하로 승하강 구동시키는 구동부;

   로 구성된 것을 특징으로 하는 연료전지용 금속분리판 제조 장치.
4. 점진적 고무성형을 이용한 대면적 금속분리판 제조 방법에 있어서,

   적어도 하나 이상의 하부다이의 각 표면에 금속박판을 올리는 올리는 단계와;

   상기 금속박판이 올려진 하부다이가 이송수단에 의해 프레싱 수단을 향하여 피치 이송하되, 서로 다른 방향으로 교차되면서 이송되는 단계와;

   피치 이송된 상기 금속박판이 상기 리테이너의 압착력에 의하여 가압 성형되되, 금속박판의 전체 면적을 길이방향을 따라 구분한 단위면적별로 순차 진행되는 단계;

   를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 금속분리판 제조 방법.
5. 청구항 4에 있어서,

   상기 적어도 하나 이상의 하부다이중 어느 하나에 프리포밍된 금속박판을 올 리는 동시에 프레싱 수단으로 정방향 피치 이송시키면서, 금속박판의 전체 면적을 길이방향을 따라 구분한 단위면적별로 1차 성형하는 단계와;

   상기 하부다이중 다른 하나에 1차 성형된 금속박판을 뒤집어서 올리는 동시에 프레싱 수단으로 역방향 피치 이송시키면서, 1차 성형된 금속박판을 길이방향을 따라 구분한 단위면적별로 2차 성형하는 단계;

   를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 금속분리판 제조 방법.
6. 청구항 4 또는 청구항 5에 있어서,

   상기 리테이너의 압착력에 의한 금속박판의 성형시, 상기 금속박판의 각 단위면적의 경계부는 서로 중첩되게 성형되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 금속분리판 제조 방법.

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