KR101180791B1 - Metal seperator assembly for fuel cell - Google Patents

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Abstract

본 발명은 공기극 분리판과 연료극 분리판을 연속파장(Continuous Wave) 레이저를 이용하여 연속해서 직접 접합함으로써, 스택 적층시 기존의 적층공차 및 무너짐 현상을 방지할 수 있고, 기존의 고무시일의 사용량을 줄여 재료비 및 공정수를 절감할 수 있는 연료전지용 금속분리판 어셈블리에 관한 것이다.
본 발명은 요철부와 요홈부를 가지면서 막전극접합체(MEA)의 공기극에 공기를 공급하는 공기극 분리판; 및 요철부와 요홈부를 가지면서 막전극접합체의 연료극에 수소를 공급하는 연료극 분리판;을 포함하되, 상기 공기극 분리판과 연료극 분리판의 가장자리부와 매니폴드부는 싱글모드 파이버 CW 레이저에 의해 연속해서 접합되어, 수소, 공기 및 냉각수의 기밀이 유지되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 금속분리판 어셈블리를 제공한다.According to the present invention, by directly joining the cathode separator plate and the anode separator plate continuously using a continuous wave laser, it is possible to prevent the existing lamination tolerance and collapse phenomenon when stacking, and to use the conventional rubber seal. The present invention relates to a metal separator assembly for fuel cells, which can reduce material costs and process counts.
The present invention has a concave-convex portion and a concave portion and a cathode separation plate for supplying air to the cathode of the membrane electrode assembly (MEA); And an anode separation plate for supplying hydrogen to the anode of the membrane electrode assembly while having an uneven portion and a recessed portion, wherein the edge portion and the manifold portion of the cathode separation plate and the anode separation plate are continuously connected by a single mode fiber CW laser. Bonded, to provide a metal separator plate assembly for a fuel cell, characterized in that the airtight of the hydrogen, air and cooling water is maintained.

Description

연료전지용 금속분리판 어셈블리{Metal seperator assembly for fuel cell}Metal Separator Assembly for Fuel Cell

본 발명은 연료전지용 금속분리판 어셈블리에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 연속 파장(continuous wave) 레이저를 이용하여 공기극 분리판과 연료극 분리판을 접합하는 연료전지용 금속분리판 어셈블리에 관한 것이다.
The present invention relates to a metal separator plate assembly for a fuel cell, and more particularly, to a metal separator plate assembly for a fuel cell for bonding a cathode separator plate and a cathode separator plate using a continuous wave laser.

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. Proton Exchange Membrane Fuel Cell (PEMFC) has many advantages such as low operating temperature of 80 ℃ and high energy efficiency among various fuel cells.

연료전지는 연료극(anode)에서의 산화반응 및 공기극(cathode)에서의 환원반응을 이용하여 전력을 생성한다. 연료극/공기극에는 산화 및 환원 반응을 촉진시키기 위해 촉매 층이 형성되며, 연료극에는 수소가 공급되어 산화반응을 통해 수소 이온과 전자로 분리되고, 공기극에서는 상기 분리된 수소 이온과 산소가 결합해 물을 형성하게 된다. The fuel cell generates power by using an oxidation reaction at an anode and a reduction reaction at a cathode. A catalyst layer is formed at the anode / air electrode to promote oxidation and reduction reactions, and hydrogen is supplied to the anode to separate hydrogen ions and electrons through oxidation, and at the cathode, the separated hydrogen ions and oxygen combine to form water. To form.

통상적으로 하나의 연료전지 스택은 복수 개(예,400 여개)의 단위셀(unit cell)이 적층되어 형성되게 된다. Typically, one fuel cell stack is formed by stacking a plurality of (eg, 400) unit cells.

상기 연료전지스택은 수소이온이 이동하는 전해질막을 중심으로 막의 양쪽에 전기화학반응이 일어나는 전극/촉매층이 부착된 MEA(Membrane Electrode Assembly)와, 반응기체들을 고르게 분포하고 발생된 전기를 전달하는 역할을 수행하는 기체확산층(Gas Diffusion Layer, GDL), 반응기체들 및 냉각수의 기밀성과 적정 체결압을 유지하기 위한 가스켓 및 체결기구와, 반응기체들 및 냉각수가 이동하는 분리판으로 구성되어 있다.The fuel cell stack plays a role in evenly distributing the reactants and distributing electricity evenly through a MEA (Membrane Electrode Assembly) having electrode / catalyst layers having electrochemical reactions on both sides of the electrolyte membrane in which hydrogen ions move. A gas diffusion layer (GDL) to be performed, a gasket and a fastening mechanism for maintaining the airtightness and the proper fastening pressure of the reactor bodies and the cooling water, and a separator plate for moving the reactor bodies and the cooling water.

상기 고체 고분자 전해질형 연료전지에서는 수소가 연료극으로 공급되고, 산소(공기)는 공기극으로 공급된다. In the solid polymer electrolyte fuel cell, hydrogen is supplied to the anode, and oxygen (air) is supplied to the cathode.

연료극으로 공급된 수소는 전해질막(10)의 양쪽에 구성된 전극층의 촉매에 의해 수소이온(Proton, H+)과 전자(Electron, e-)로 분해되고, 이 중 수소이온(Proton, H+)만이 선택적으로 양이온교환막인 전해질막을 통과하여 음극으로 전달되며, 동시에 전자(Electron, e-)는 도체인 기체확산층과 분리판(Separator)을 통하여 음극으로 전달된다. Hydrogen supplied to the anode is decomposed into hydrogen ions (Proton, H + ) and electrons (Electron, e-) by catalysts of electrode layers formed on both sides of the electrolyte membrane 10, of which hydrogen ions (Proton, H + ) Only selectively passes through the electrolyte membrane, which is a cation exchange membrane, to the cathode, and at the same time, electrons (Electron, e-) are transferred to the cathode through a gas diffusion layer and a separator.

상기 공기극에서는 전해질막을 통하여 공급된 수소이온과 분리판을 통하여 전달된 전자가 공기공급기에 의해 공기극으로 공급된 공기중의 산소와 만나서 물을 생성하는 반응을 일으킨다.In the cathode, the hydrogen ions supplied through the electrolyte membrane and the electrons transferred through the separator meet with oxygen in the air supplied to the cathode by the air supply to generate water.

이때 일어나는 수소이온의 이동에 기인하여 발생하는 외부 도선을 통한 전자의 흐름으로 전류가 생성되고, 아울러 물 생성 반응에서 열도 부수적으로 발생하게 된다.At this time, current is generated by the flow of electrons through the external conductor generated due to the movement of hydrogen ions, and heat is incidentally generated in the water generation reaction.

고분자 전해질 연료전지에 사용되는 분리판(bipolar plate 또는 separator)은 연료전지의 적층시 각각의 단위전지를 분리해주고, MEA(Membrane Electrode Assembly)의 지지체 역할을 하며, 생성된 에너지를 전달하는 전류집전체(current collector)의 역할을 한다. A bipolar plate or separator used in a polymer electrolyte fuel cell separates each unit cell when stacking fuel cells, serves as a support for a MEA (Membrane Electrode Assembly), and a current collector for transferring generated energy. It acts as a current collector.

상기 분리판이 가져야 할 특성으로 전압 손실을 최소한으로 줄이기 위해서 전기 전도도가 좋아야 하며, 공급되는 가스가 투과되지 못하도록 가스 투과율이 낮아야 하며, 밀도가 낮아 가벼워야 하며, 충분한 기계적 강도를 가져야 하며, 사용되는 전해질 내에서 좋은 내부식성을 가져야하고, 가공이 쉬운 재질이어야 하며, 제조 단가가 낮아야 한다. The characteristics of the separator should be good electrical conductivity in order to minimize the voltage loss, low gas transmission rate, low density, light density, sufficient mechanical strength, so that the gas to be supplied is not permeable, electrolyte used It should have good corrosion resistance in the inside, be easy to process, and have low manufacturing cost.

또한 분리판은 MEA의 외측에 접합된 기체확산층(GDL)에 다시 접합된다. 이 분리판은 연료와 공기를 공급할 뿐 만 아니라, 연료극 측에서는 수분의 공급통로로, 공기극 측에서는 생성된 물의 제거통로서의 기능을 가지고 있다. 그리고 외부회로로 전기를 흘리는 역할도 한다. The separator is also bonded back to the gas diffusion layer (GDL) bonded to the outside of the MEA. This separator not only supplies fuel and air, but also functions as a supply passage of water on the anode side and a water removal passage on the cathode side. It also serves to flow electricity to external circuits.

도 1은 종래기술에 따른 연료전지스택의 단위셀 구조를 보여주는 개략도로서, 단위셀은 밑에서부터 MEA(10), 공기극 분리판(11), 연료극 분리판(12) 순으로 적층되고, 그 다음에 적층되는 단위셀에서 상기 연료극 분리판(12) 위로 다시 MEA(10)가 반복적층된다.1 is a schematic view showing a unit cell structure of a fuel cell stack according to the prior art, in which the unit cells are stacked in the order of the MEA 10, the cathode separator 11, and the anode separator 12 from the bottom. The MEA 10 is repeatedly stacked on the anode separator 12 in the unit cells to be stacked.

상기 공기극 분리판(11)은 MEA(10)에서 상방향으로 돌출되며 수평하게 형성되는 요철부(11a)와, 상기 요철부(11a)에서 하방향으로 들어가 있고 수평하게 형성되는 요홈부(11b)와, 상기 요철부(11a)와 요홈부(11b) 사이를 연결하며 경사지게 형성된 연결부(11c)로 구성되고, 상기 요철부(11a), 연결부(11c), 요홈부(11b), 연결부(11c)가 분리판의 폭방향으로 연속해서 반복하여 일체로 형성되며, 상기 요철부(11a) 및 연결부(11c)와 MEA(10) 사이의 공간으로 공기가 공급되어 MEA(10)의 공기극에 전달된다.The cathode separation plate 11 protrudes upward from the MEA 10 and is formed to be horizontally formed, and the recess 11b is horizontally formed in the recess 11a and is formed horizontally. And, the concave-convex portion (11a) and the concave portion (11b) is connected to the concave portion formed by the inclined portion 11c, the concave-convex portion (11a), connecting portion (11c), concave portion (11b), connecting portion (11c) Is formed continuously and repeatedly in the width direction of the separating plate, and air is supplied to the space between the uneven portion 11a and the connecting portion 11c and the MEA 10 to be delivered to the air electrode of the MEA 10.

상기 연료극 분리판(12)은 하방향으로 들어가 있고 수평하게 형성되어 공기극 분리판(11)의 요철부(11a)와 면접촉하는 요홈부(12b)와, 상기 요홈부(12b)에서 상방향으로 돌출되며 수평하게 형성되어 상측의 MEA(10)에 면접촉하는 요철부(12a)와, 상기 요철부(12a)와 요홈부(12b) 사이를 연결하며 경사지게 형성된 연결부(12c)로 구성되고, 상기 요홈부(12b), 연결부(11c), 요철부(12a), 연결부(12c)가 분리판의 폭방향으로 연속해서 반복하여 일체로 형성되며, 상기 요홈부(12b) 및 연결부(12c)와 MEA(10) 사이의 공간으로 연료인 수소가 공급되어 MEA(10)의 연료극에 전달된다.The anode separation plate 12 is recessed downwardly and is formed horizontally so as to be in surface contact with the concave-convex portion 11a of the cathode separation plate 11 and upward from the recess 12b. Protruding and formed horizontally and having an uneven portion 12a which is in surface contact with the upper MEA 10, and a connecting portion 12c which is inclined to connect between the uneven portion 12a and the uneven portion 12b. Concave portion 12b, connecting portion 11c, concave-convex portion 12a, connecting portion 12c are formed integrally and repeatedly in succession in the width direction of the separating plate, and the concave portion 12b and connecting portion 12c and MEA Hydrogen, a fuel, is supplied to the space between the 10 and delivered to the anode of the MEA 10.

그리고, 상기 공기극 분리판(11)의 연결부(11c), 요철부(11a) 및 연결부(11c)와 연료극 분리판(12)의 연결부(12c), 요홈부(12b) 및 연결부(12c) 사이에 공간에 냉각수 통로가 형성되고, 이 냉각수 통로를 통해 냉각수가 공급되어, MEA(10)의 공기극 및 연료극과 열교환함으로써, 스택을 한계온도 이상으로 가열되는 것을 방지한다.In addition, between the connecting portion 11c, the uneven portion 11a and the connecting portion 11c of the cathode separation plate 11 and the connecting portion 12c, the recessed portion 12b and the connecting portion 12c of the anode separation plate 12. A cooling water passage is formed in the space, and cooling water is supplied through the cooling water passage to exchange heat with the air electrode and the fuel electrode of the MEA 10, thereby preventing the stack from being heated above the limit temperature.

이때, 상기 공기극 분리판(11)의 요홈부(11b)와 연료극 분리판(12)의 요철부(12a)는 하측과 상측의 MEA(10)에 각각 면접촉되고, 스택 적층 시 볼트의 체결압에 의해 밀착된다.At this time, the recess 11b of the cathode separator 11 and the recess 12a of the anode separator 12 are in surface contact with the MEA 10 on the lower side and the upper side, respectively, and the clamping pressure of the bolts when stacking the stacks. By close contact.

또한, 스택 제작시 수소와 공기 및 냉각수의 기밀성을 확보하기 위해 상기 MEA(10)의 가장자리에 부착되는 서브가스켓(13)과, 공기극 분리판(11) 및 연료극 분리판(12)의 가장자리부에 각각 고무시일(14)(rubber seal)을 사출/경화시켜 접합하는 방법이 주류를 이루고 있다.In addition, the sub-gasket 13 attached to the edge of the MEA 10, the cathode separator 11, and the anode separator 12 at the edges of the MEA 10 to ensure the airtightness of hydrogen, air, and cooling water during stack production. A method of injection / hardening rubber seals 14 (rubber seals), respectively, is a mainstream method.

상기 고무시일(14)을 MEA(10)의 가장자리부에 동일면 상에 부착되는 서브가스켓(13)에 접합하고, 고무시일(14)을 공기극 분리판(11)의 가장자리부에 접합하고, 고무시일(14)을 연료극 분리판(12)의 가장자리부에 접합한다.The rubber seal 14 is bonded to the sub-gasket 13 attached on the same surface to the edge portion of the MEA 10, the rubber seal 14 is bonded to the edge portion of the cathode separator 11, and the rubber seal. 14 is bonded to the edge of the anode separator 12.

이때, 상기 고무시일(14)은 수소, 공기 및 냉각수의 기밀성을 확보할 뿐만 아니라, 공기극 분리판(11)과 연료극 분리판(12) 사이, 그리고 서브가스켓(13)과 공기극 분리판(11) 또는 연료극 분리판(12) 사이의 간격을 조정하면서 공기극 분리판(11)과 연료극 분리판(12)의 단부를 받쳐주는 역할을 한다.In this case, the rubber seal 14 not only ensures airtightness of hydrogen, air, and cooling water, but also between the cathode separator plate 11 and the anode separator plate 12, and the sub-gasket 13 and the cathode separator plate 11. Alternatively, the gap between the anode separator 11 and the anode separator 12 may be supported while adjusting the gap between the anode separator 12.

그 다음, 각 고무시일(14)이 부착된 MEA(10), 공기극 분리판(11), 연료극 분리판(12)을 순서대로 적층하여 1개의 단위 셀을 이루고, 이와 같은 단위 셀을 400여개 적층한다.Then, the MEA 10, the cathode separator 11, and the anode separator 12 with each rubber seal 14 are stacked in this order to form one unit cell, and about 400 such unit cells are stacked. do.

이때, 스택 적층시 상기 공기극 분리판(11)의 요철부(11a)와 연료극 분리판(12)의 요홈부(12b)가 서로 일대일로 정확하게 면접촉되어야 한다.In this case, when the stack is stacked, the uneven portion 11a of the cathode separator 11 and the recessed portion 12b of the anode separator 12 should be in one-to-one accurate surface contact with each other.

그러나, 각 400 여개씩의 MEA(10), 공기극 분리판(11), 연료극 분리판(12)을 순서대로 약 총 1200 여번 적층할 경우에 도 2에 도시한 바와 같이 서브가스켓(13)에 접합된 고무시일(14)과 공기극 분리판(11) 및 연료극 분리판(12)의 고무시일(14)이 서로 어긋나면(적층공차가 발생하면) 공기극 분리판(11)의 요철부(11a)와 연료극 분리판(12)의 요홈부(12b)가 서로 어긋나는 현상(무너짐 현상)이 발생되며, 이 무너짐 현상으로 인해 연료전지 스택은 원하는 출력을 얻을 수 없는 문제점이 있다.However, when about 400 MEAs (10), cathode separators (11), and anode separators (12) are stacked in total about 1200 times in order, each of them is joined to the sub-gasket 13 as shown in FIG. If the rubber seal 14 and the rubber seal 14 of the cathode separation plate 11 and the anode separation plate 12 are shifted from each other (when a lamination tolerance occurs), the uneven portion 11a of the cathode separation plate 11 and A phenomenon in which the recesses 12b of the anode separation plate 12 are shifted from each other (falling phenomenon) occurs, and the fuel cell stack cannot obtain a desired output due to the collapse phenomenon.

상기 공기극 분리판(11)의 요철부(11a)와 연료극 분리판(12)의 요홈부(12b)가 서로 어긋나는 무너짐 현상은 고무시일(14)과 0.1mm~0.3mm의 두께를 가지는 금속분리판의 접합시 기계적 강도가 충분히 확보되지 않아 발생하기도 한다.The collapse of the uneven portion 11a of the cathode separator 11 and the recessed portion 12b of the anode separator 12 may be caused by a rubber separator 14 and a metal separator having a thickness of 0.1 mm to 0.3 mm. Occurs when the mechanical strength is not sufficiently secured at the time of bonding.

또한, 상기 수소와 공기 및 냉각수의 기밀성 확보를 위해 사용되는 고무시일(14)은 단가가 높은 불소고무(FKM) 등을 사용하여 연료전지 스택 제작시 재료비 및 접합 설비에 대한 투자비의 과다로 연료전지의 대량 생산에 부적합한 문제점이 있다.In addition, the rubber seal 14 used to secure the airtightness of hydrogen, air, and cooling water is fuel cell due to excessive investment in materials and bonding facilities when manufacturing a fuel cell stack using fluororubber (FKM) having a high unit cost. There is a problem that is unsuitable for mass production.

뿐만 아니라, 기존의 고무시일(14)을 사용하는 경우 고무시일(14)이 각각 접합된 MEA(10), 공기극 분리판(11) 및 연료극 분리판(12)을 차례대로 적층하여야 하기 때문에 적층 공정수가 많아 작업시간이 오래 걸리고 생산효율이 저하되는 문제점이 있다.
In addition, when the conventional rubber seal 14 is used, the lamination process is required because the MEA 10, the cathode separator 11, and the anode separator 12, each of which the rubber seal 14 is bonded, must be stacked in this order. There is a problem that the work takes a long time because the number is large and the production efficiency is reduced.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 발명한 것으로서, 공기극 분리판과 연료극 분리판을 연속파장(Continuous Wave) 레이저를 이용하여 연속해서 직접 접합함으로써, 스택 적층시 기존의 적층공차 및 무너짐 현상을 방지할 수 있고, 기존의 고무시일의 사용량을 줄여 재료비 및 공정수를 절감할 수 있는 연료전지용 금속분리판 어셈블리를 제공하는데 그 목적이 있다.
The present invention has been invented to solve the above problems, by continuously bonding the cathode separator plate and the anode separator plate continuously by using a continuous wave laser, the conventional stacking tolerance and collapse phenomenon when stacking It is an object of the present invention to provide a metal separator plate assembly for fuel cells, which can prevent and reduce the use of existing rubber seals, thereby reducing material costs and process water.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 연료전지용 금속분리판 어셈블리에 있어서,In order to achieve the above object, the present invention in the fuel cell metal separator assembly,

요철부와 요홈부를 가지면서 막전극접합체(MEA)의 공기극에 공기를 공급하는 공기극 분리판; 및 요철부와 요홈부를 가지면서 막전극접합체의 연료극에 수소를 공급하는 연료극 분리판;을 포함하되, 상기 공기극 분리판과 연료극 분리판의 가장자리부와 매니폴드부는 싱글모드 파이버 CW 레이저에 의해 연속해서 접합되어, 수소, 공기 및 냉각수의 기밀이 유지되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 금속분리판 어셈블리를 제공한다.A cathode separation plate having an uneven portion and a recessed portion to supply air to the cathode of the membrane electrode assembly (MEA); And an anode separation plate for supplying hydrogen to the anode of the membrane electrode assembly while having an uneven portion and a recessed portion, wherein the edge portion and the manifold portion of the cathode separation plate and the anode separation plate are continuously connected by a single mode fiber CW laser. Bonded, to provide a metal separator plate assembly for a fuel cell, characterized in that the airtight of the hydrogen, air and cooling water is maintained.

특히, 상기 공기극 분리판과 연료극 분리판의 가장자리부의 접합면이 각각 평평하게 형성되어, 상기 CW 레이저에 의해 면접합되는 것을 특징으로 한다.In particular, the joining surfaces of the edge portions of the cathode separator plate and the anode separator plate are flat, respectively, and are bonded by the CW laser.

또한, 상기 공기극 분리판과 연료극 분리판의 매니폴드부의 접합면이 각각 평평하게 형성되어, 상기 CW 레이저에 의해 면접합되는 것을 특징으로 한다.In addition, the joining surfaces of the manifold portions of the cathode separator plate and the anode separator plate are flat, respectively, and are bonded by the CW laser.

상기 공기극 분리판과 연료극 분리판의 매니폴드부에서 상기 공기극 분리판은 하측 MEA에 접촉하는 제1하부플랫부와, 상기 제1하부플랫부의 단부에서 상방향으로 돌출되는 제1상부플랫부를 포함하고,In the manifold of the cathode separator plate and the anode separator plate, the cathode separator plate includes a first lower flat portion contacting the lower MEA, and a first upper flat portion protruding upward from an end portion of the first lower flat portion. ,

상기 연료극 분리판은 상기 제1하부플랫부에 면접촉하는 제2하부플랫부와, 상기 제1하부플랫부에서 상방향으로 돌출되며 상측 MEA에 면접촉하는 요철부와, 상기 요철부에서 하방향으로 오목하게 형성되어 제1하부플랫부에 면접촉하는 요홈부를 포함하여 구성되고, 상기 공기극 분리판의 제1하부플랫부 및 제1상부플랫부가 연료극 분리판의 제2하부플랫부 및 제2상부플랫부에 각각 싱글모드 파이버 CW 레이저에 의해 접합되어, 상기 공기극 분리판과 연료극 분리판의 매니폴드부에서 냉각수 유로부분에 기계적 강도를 향상시키는 것을 특징으로 한다.
The anode separation plate may include a second lower flat portion in surface contact with the first lower flat portion, an uneven portion protruding upward from the first lower flat portion and surface contacting the upper MEA, and a downward direction in the uneven portion. And a concave groove formed in a concave shape to be in surface contact with the first lower flat portion, wherein the first lower flat portion and the first upper flat portion of the cathode separation plate are formed on the second lower flat portion and the second upper portion of the anode separation plate. Each of the flat portions is bonded to each other by a single-mode fiber CW laser to improve mechanical strength in the cooling water flow path portion of the manifold portion of the cathode separator plate and the anode separator plate.

본 발명에 따른 연료전지용 금속분리판 어셈블리의 장점을 설명하면 다음과 같다.The advantages of the metal separator plate assembly for fuel cells according to the present invention are as follows.

1.금속분리판의 가장자리부 및 매니폴드부를 CW 레이저에 의해 연속해서 직접 접합함으로써, 연료전지 스택에 공급되는 수소, 공기 및 냉각수의 기밀을 확보할 수 있다.1. By continuously joining the edges and manifold portions of the metal separator plate by CW laser continuously, the airtightness of hydrogen, air and cooling water supplied to the fuel cell stack can be ensured.

2. CW 레이저에 의해 접합되어 일체화된 공기극 분리판과 연료극 분리판은 기계적 강도가 우수하여 기존의 기계적 강도를 보충하던 고무시일의 적층공차 발생률 및 무너짐 현상을 현저하게 줄일 수 있다.2. The cathode separator and anode separator bonded by CW laser have excellent mechanical strength and can significantly reduce the lamination tolerance and collapse phenomenon of rubber seal that supplemented the existing mechanical strength.

3. 상기 접합된 연료극 분리판과 서브가스켓 사이에 접합되는 고가의 고무시일의 사용량은 기존 기술 대비 50% 감소되어 재료비를 50% 절감할 수 있고, 공기극 분리판과 연료극 분리판을 CW 레이저에 의해 접합함으로써, 고무 시일의 사출/경화 공정을 50% 절감하여 설비 투자비도 절감할 수 있다.3. The use of expensive rubber seal bonded between the bonded anode separator and the sub-gasket can be reduced by 50% compared to the existing technology, which can reduce the material cost by 50%, and the cathode separator and the anode separator are separated by CW laser. By joining, the injection / hardening process of the rubber seal can be reduced by 50%, thereby reducing equipment investment costs.

4. 400 여개의 셀이 적층되는 스택을 제작하기 위해 기존에는 각각 400 여개의 공기극 분리판, 연료극 분리판, MEA을 순서대로 하나씩 1200 여번 적층하던 것을 본 발명에서는 각각 400 여개의 일체화된 공기극 분리판 및 연료극 분리판 어셈블리와 MEA를 800 여번 적층하면 되기 때문에 적층공정수를 절감하여 적층 공차 관리를 수월하게 할 수 있다.4. In the present invention, in order to manufacture a stack in which 400 cells are stacked, 400 stacks of cathode separators, anode separators, and MEAs, each one or more times, were sequentially stacked over 1200 times in the present invention. And since the anode separator plate assembly and the MEA need to be stacked about 800 times, the number of stacking processes can be reduced, thereby facilitating stacking tolerance management.

상기 레이저는 10㎛ 촛점크기를 가지는 싱글 모드 파이버 연속 파장 레이저로서 박판인 금속분리판에 열변형이 없고, 균일한 접합이 가능하다.The laser is a single-mode fiber continuous wavelength laser having a 10 μm focusing size, without thermal deformation on a thin metal separator plate, and capable of uniform bonding.

5. 상기 금속분리판의 매니폴드부에서 입구용 및 출구용 냉각수 유로부분에 기계적 강도를 향상시키기 위해 기존에는 고무시일을 사용하였으나, 본 발명에서는 공기극 분리판의 제1하부플랫부에 연료극 분리판의 요홈부가 면접되게 성형하고, 상기 공기극 분리판의 제1하부플랫부 및 연료극 분리판의 제2하부플랫부와, 상기 공기극 분리판의 제1상부플랫부 및 연료극 분리판의 제2상부플랫부를 CW 레이저에 의해 접합함으로써, 입구용 및 출구용 냉각수 유로부분에 기계적 강도를 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라, 기존의 고무시일의 사용량을 절감할 수 있다.5. In order to improve the mechanical strength of the inlet and outlet cooling water flow passages in the manifold portion of the metal separator plate, a rubber seal is conventionally used. The recessed part of the cathode is formed to be interviewed, the first lower flat part of the cathode separator plate and the second lower flat part of the anode separator plate, the first upper flat part of the cathode separator plate and the second upper flat part of the anode separator plate. By bonding by CW laser, not only the mechanical strength can be improved in the inlet and outlet cooling water flow path portions, but also the amount of the conventional rubber seal can be reduced.

6. 본 발명에서는 CW레이저를 이용하여 금속분리판의 가장자리부(사각형)와 매니폴드부 주변의 ㄱ자 형 및 ㄴ자형 부분을 연속해서 접합하는 총 접합길이는 1.5m이고, 이를 접합하는데 약 10초의 시간이 소요되며, 이는 사이클 타임이 기존 기술 대비 대폭 축소된다.
6. In the present invention, the total bonding length for continuously joining the c-shaped and c-shaped portions around the edges (squares) and manifold of the metal separator plate using a CW laser beam is 1.5 m, which is about 10 seconds. It takes time, which significantly reduces cycle time compared to existing technologies.

도 1은 종래기술에 따른 연료전지스택의 단위셀 구조를 보여주는 평면도 및 단면도
도 2는 종래의 연료전지스택의 문제점을 보여주는 단면도
도 3은 본 발명에 따른 연료전지스택의 가장자리부의 구조를 보여주는 평면도 및 단면도
도 4는 본 발명에 따른 연료전지스택의 매니폴드부의 구조를 보여주는 평면도 및 단면도1 is a plan view and a cross-sectional view showing a unit cell structure of a fuel cell stack according to the prior art.
2 is a cross-sectional view showing a problem of a conventional fuel cell stack.
3 is a plan view and a cross-sectional view showing the structure of the edge portion of the fuel cell stack according to the present invention;
4 is a plan view and a cross-sectional view showing a structure of a manifold of a fuel cell stack according to the present invention;

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.

도 3은 본 발명에 따른 연료전지스택의 가장자리부의 구조를 보여주는 평면도 및 단면도이고, 도 4는 본 발명에 따른 연료전지스택의 매니폴드부의 구조를 보여주는 평면도 및 단면도이다.3 is a plan view and a cross-sectional view showing the structure of the edge portion of the fuel cell stack according to the present invention, Figure 4 is a plan view and a cross-sectional view showing the structure of the manifold portion of the fuel cell stack according to the present invention.

본 발명은 기존의 고무 시일 접합 방식의 단점을 보완하기 위해 연속파장(CW) 레이저를 이용하여 공기극 분리판(51)과 연료극 분리판(52)을 연속해서 직접 접합함으로써, 수소, 공기 및 냉각수의 기밀을 유지할 수 있는 연료전지용 금속분리판 어셈블리에 관한 것이다.The present invention by directly bonding the cathode separation plate 51 and the anode separation plate 52 by using a continuous wavelength (CW) laser to supplement the disadvantages of the conventional rubber seal bonding method, the hydrogen, air and cooling water of It relates to a metal separator plate assembly for fuel cells that can be kept airtight.

연료전지스택은 400 여개의 단위셀로 구성될 수 있고, 한개의 단위 셀은 MEA(50), 공기극 분리판(51), 연료극 분리판(52)으로 구성될 수 있다.The fuel cell stack may include about 400 unit cells, and one unit cell may include the MEA 50, the cathode separator 51, and the anode separator 52.

본 발명에 따른 연료전지용 금속분리판 어셈블리는 0.1~0.3mm의 두께를 가지는 금속 박판으로서, MEA(50)의 공기극에 산소를 공급하기 위한 공기극 분리판(51)과, MEA(50)의 연료극에 수소를 공급하기 위한 연료극 분리판(52)으로 구성되어 있다.The metal separator plate assembly for a fuel cell according to the present invention is a metal thin plate having a thickness of 0.1 to 0.3 mm, and includes a cathode separator 51 for supplying oxygen to the cathode of the MEA 50 and an anode of the MEA 50. The anode separator 52 is configured to supply hydrogen.

여기서, 기존의 연료전지용 금속분리판과 동일한 구성 및 작용에 대한 설명은 생략하기로 한다.Here, the description of the same configuration and operation as the conventional metal separator for fuel cells will be omitted.

상기 공기극 분리판(51)과 연료극 분리판(52)은 싱글 모드 파이버 CW 레이저에 의해 접합된다.The cathode separator 51 and the anode separator 52 are joined by a single mode fiber CW laser.

싱글 모드 파이버 CW 레이저는 10㎛의 촛점 크기를 가지는 단일 모드의 레이저 빔으로서, 조사되는 레이저 빔의 크기가 매우 작아 상기 0.1~0.3mm의 두께를 가지는 금속 박판을 접합하는 경우에도 열변형이 발생하지 않는다.The single mode fiber CW laser is a single mode laser beam having a focal size of 10 μm. Since the size of the irradiated laser beam is very small, thermal deformation does not occur even when bonding a thin metal sheet having a thickness of 0.1 to 0.3 mm. Do not.

기존의 레이저 브레이징이나 펄스 레이저를 이용한 금속분리판의 접합방법에서 기존의 레이저 브레이징이나 펄스 레이저 적용시 레이저 빔은 다수개의 레이저 빔으로 이루어진 멀티모드의 레이저 빔으로서 300㎛이상의 촛점 크기를 가지며, 금속분리판 접합시 열변형이 발생된다.In the conventional method of joining a metal separator plate using a conventional laser brazing or pulse laser, the laser beam is a multi-mode laser beam consisting of a plurality of laser beams and has a focal size of 300 µm or more. Thermal deformation occurs when joining plates.

상기 CW 레이저를 이용하여 금속분리판의 외곽부와 매니폴드부를 연속을 직접 접합한다.The CW laser is used to directly join the outer part of the metal separator plate and the manifold part.

도 3에 도시한 바와 같이, 상기 금속분리판의 외곽부는 사각형 구조로 이루어진다.As shown in FIG. 3, an outer portion of the metal separator has a rectangular structure.

상기 공기극 분리판(51)의 요철부(51a)와 연료극 분리판(52)의 요홈부(51b)가 일치되게 면접되고, 공기극 분리판(51)의 연결부(51c)와 연료극 분리판(52)의 연결부(52c)는 공기극 분리판(51)과 연료극 분리판(52)이 서로 면접하는 수평면을 기준으로 서로 대칭되고, 공기극 분리판(51)의 요홈부(51b)와 연료극 분리판(52)의 요철부(52a)는 각각 하측 MEA(50)와 상측 MEA(50)에 각각 면접된다.The uneven part 51a of the cathode separation plate 51 and the recess 51b of the anode separation plate 52 are interviewed to coincide with each other, and the connecting part 51c of the cathode separation plate 51 and the anode separation plate 52 are aligned. The connecting portion 52c of the cathode separation plate 51 and the anode separation plate 52 are symmetrical with respect to each other with respect to the horizontal plane, and the recess 51b and the anode separation plate 52 of the cathode separation plate 51 are connected to each other. The concave-convex portions 52a are interviewed with the lower MEA 50 and the upper MEA 50, respectively.

그리고, 상기 공기극 분리판(51)과 연료극 분리판(52)의 가장자리부(외곽부)를 CW 레이저로 접합하기 위해 각 공기극 분리판(51)과 연료극 분리판(52)의 가장자리부에 제1 및 제2플랫부(51d,52d)를 형성한다.In addition, in order to bond the edges (outer portions) of the cathode separator 51 and the anode separator 52 with a CW laser beam, first edge portions of the cathode separator 51 and the anode separator 52 may be formed. And second flat portions 51d and 52d.

상기 공기극 분리판(51)의 요철부(51a) 끝단에서 제1경사부가 하방향으로 경사지게 형성되고, 상기 제1경사부의 끝단에서 제1플랫부(51d)가 수평방향으로 형성되며, 상기 연료극 분리판(52)의 요홈부(52b) 끝단에서 제2경사부가 하방향으로 경사지게 형성되고, 상기 제2경사부의 끝단에서 제2플랫부가 수평방향으로 형성된다.The first inclined portion is formed to be inclined downward from the end of the uneven portion 51a of the cathode separation plate 51, the first flat portion 51d is formed in the horizontal direction at the end of the first inclined portion, and the anode is separated. The second inclined portion is formed to be inclined downward at the end of the recess 52b of the plate 52, and the second flat portion is formed in the horizontal direction at the end of the second inclined portion.

상기 연료극 분리판(52)의 제2경사부와 제2플랫부(52d)는 공기극 분리판(51)의 제1경사부와 제1플랫부(51d) 위에 포개지면서 적층되며, 상기 적층된 공기극 분리판(51)의 제1플랫부(51d)와 연료극 분리판(52)의 제2플랫부(52d)에 CW 레이저를 연속해서 조사하면 제1 및 제2플랫부에 제1접합부(55)가 열에 의해 순간적으로 녹았다가 응고되면서 공기극 분리판(51)과 연료극 분리판(52)의 가장자리부를 접합시킨다.The second inclined portion and the second flat portion 52d of the anode separator 52 are stacked while being stacked on the first inclined portion and the first flat portion 51d of the cathode separator plate 51. When the CW laser is continuously irradiated on the first flat portion 51d of the separator plate 51 and the second flat portion 52d of the anode separator plate 52, the first junction portion 55 is attached to the first and second flat portions. The edges of the cathode separator plate 51 and the anode separator plate 52 are joined by melting and solidifying by heating.

다시말해서, 상기 제1접합부(55)는 금속분리판의 가장자리부를 따라 공기극 분리판(51)의 제1플랫부(51d)와 연료극 분리판(52)의 제2플랫부(52d)를 연속해서 접합함으로써, 분리판을 위에서 봤을 때 사각형으로 형성된다.In other words, the first bonding portion 55 continuously connects the first flat portion 51d of the cathode separator 51 and the second flat portion 52d of the anode separator 52 along the edge of the metal separator plate. By bonding, the separator is formed into a square when viewed from above.

상기 접합된 제1 및 제2플랫부(51d,52d) 중 제1플랫부(51d)는 하측 MEA(50)의 서브가스켓(53)의 상면에 액상 실러에 의해 접합되고, 상기 접합된 제1 및 제2플랫부(51d,52d) 중 제2플랫부(52d)의 상면에 고무시일(54)이 상하방향으로 세워지게 접합되고, 상측 MEA(50)의 서브가스켓(53)이 상기 고무시일(54)의 상단에 적층접합되어, 한개의 단위셀이 이루어지고, 이와 같은 방법으로 400 여개의 단위셀을 반복하여 적층한다.The first flat portion 51d of the joined first and second flat portions 51d and 52d is bonded to the upper surface of the sub-gasket 53 of the lower MEA 50 by a liquid sealer, and the bonded first And the rubber seal 54 is joined to the upper surface of the second flat portion (52d) of the second flat portion (51d, 52d) so as to stand in the vertical direction, the sub-gasket (53) of the upper MEA (50) is the rubber seal One unit cell is formed by laminating and joining the upper end of 54, and about 400 unit cells are repeatedly stacked in this manner.

도 4에 도시한 바와 같이, 금속분리판의 매니폴드부는 금속분리판의 일측단에 입구용 수소 매니폴드부(57a), 입구용 냉각수 매니폴드부(58a), 입구용 공기 매니폴드부(59a)로 구성되고, 금속분리판의 타측단에 출구용 수소 매니폴드부(57b), 출구용 냉각수 매니폴드부(58b), 출구용 공기 매니폴드부(59b)로 구성된다.As shown in Fig. 4, the manifold portion of the metal separator plate has an inlet hydrogen manifold portion 57a, an inlet coolant manifold portion 58a, and an inlet air manifold portion 59a at one end of the metal separator plate. And an outlet hydrogen manifold portion 57b, an outlet cooling water manifold portion 58b, and an outlet air manifold portion 59b at the other end of the metal separation plate.

상기 입구용 수소 매니폴드부(57a)와 출구용 수소 매니폴드부(57b)는 서로 대각선으로 대칭되게 형성되고, 입구용 공기 매니폴드부(59a)와 출구용 공기 매니폴드부(59b)도 서로 대각선으로 대칭되게 형성되고, 상기 입구용 냉각수 매니폴드부(58a)는 입구용 수소매니폴드부(57a)와 입구용 공기 매니폴드부(59a) 사이에 위치하고, 상기 출구용 냉각수 매니폴드부(58b)는 출구용 수소매니폴드부(57b)와 출구용 공기 매니폴드부(59b) 사이에 위치한다.The inlet hydrogen manifold portion 57a and the outlet hydrogen manifold portion 57b are formed diagonally symmetrically with each other, and the inlet air manifold portion 59a and the outlet air manifold portion 59b are also mutually opposite. It is formed symmetrically diagonally, the inlet coolant manifold portion 58a is located between the inlet hydrogen manifold portion 57a and the inlet air manifold portion 59a, and the outlet coolant manifold portion 58b. Is located between the outlet hydrogen manifold portion 57b and the outlet air manifold portion 59b.

상기 입구용 수소 매니폴드부(57a), 입구용 냉각수 매니폴드부(58a) 및 입구용 공기매니폴드부(59a)를 가로지르는 단면을 살펴보면, 금속분리판의 공기극 분리판(51)은 하측 MEA(50)에 접촉하는 제1하부플랫부(51e)와, 제1하부플랫부(51e)에서 상방향으로 경사지게 형성된 연결부(51f)와, 상측 MEA(50)에 접촉하는 제1상부플랫부(51g)로 구성된다.Looking at the cross section across the inlet hydrogen manifold portion 57a, the inlet coolant manifold portion 58a, and the inlet air manifold portion 59a, the cathode separator 51 of the metal separator plate is a lower MEA. The first lower flat portion 51e in contact with the 50, the connecting portion 51f formed to be inclined upwardly from the first lower flat portion 51e, and the first upper flat portion in contact with the upper MEA 50. 51g).

또한, 금속분리판의 연료극 분리판(52)은 제1하부플랫부(51e)의 상면에 면접하는 제2하부플랫부(52e)와; 상기 제2하부플랫부(52e)에서 상방향으로 돌출되며 상측 MEA(50)에 수평하게 면접하는 요철부(52g)와; 상기 요철부(52g)에서 하방향으로 돌출되며 제2하부플랫부에 면접하는 요홈부(52i)와; 상기 요홈부(52i)에서 상방향으로 돌출되며 제1상부플랫부(51g)와 상측 MEA(50) 사이에 면접하는 제2상부플랫부(52k)와; 상기 제2하부플랫부(52e)와 요철부(52g)를 연결하는 제1연결부(52f)와; 요철부(52g)와 요홈부(52i)를 연결하는 제2연결부(52h); 상기 요홈부(52i)와 제2상부플랫부(52k)를 연결하는 제3연결부(52j)로 구성되어 있다.In addition, the anode separator 52 of the metal separator plate includes: a second lower flat portion 52e which is in contact with an upper surface of the first lower flat portion 51e; A concave-convex portion (52g) protruding upward from the second lower flat portion (52e) and horizontally interviewing the upper MEA (50); A concave portion 52i protruding downward from the concave-convex portion 52g and in contact with a second lower flat portion; A second upper flat portion 52k protruding upward from the groove portion 52i and interviewing between the first upper flat portion 51g and the upper MEA 50; A first connecting portion 52f connecting the second lower flat portion 52e and the uneven portion 52g; A second connecting portion 52h connecting the uneven portion 52g and the uneven portion 52i; It consists of a 3rd connection part 52j which connects the said recessed part 52i and the 2nd upper flat part 52k.

이때, 상기 공기극 분리판(51)의 제1하부플랫부(51e)는 연료극 분리판(52)의 제2하부플랫부(52e)보다 길이가 더 길고, 공기극 분리판(51)의 제1상부플랫부(51g)는 연료극 분리판(52)의 제2상부플랫부(52k)보다 길이가 더 짧다.In this case, the first lower flat part 51e of the cathode separator plate 51 is longer than the second lower flat part 52e of the anode separator plate 52, and the first upper part of the cathode separator plate 51. The flat portion 51g is shorter in length than the second upper flat portion 52k of the anode separator 52.

그리고, 상기 공기극 분리판(51)의 제1하부플랫부(51e)는 하측 MEA(50)의 일측단에 액상 실러에 의해 접합되고, 상기 연료극 분리판(52)의 제2하부플랫부(52e)와 제1하부플랫부(51e)에 제2접합부(56)가 CW 레이저에 의해 형성되어 면접합되고, 상기 제2하부플랫부(51e)의 끝단에는 고무시일(54)이 세워지게 부착되고, 상기 고무시일(54)의 상단에 상측 MEA(50)의 가장자리부가 위치되며, 스택 생성시 체결압으로 상기 고무시일(54)과 상단에 상측 MEA(50)의 가장자리부의 기밀이 유지된다 (고무시일과 MEA의 접합은 없음, 단 스택 체결압으로 연료전지의 기밀을 유지함).The first lower flat portion 51e of the cathode separator 51 is joined to one end of the lower MEA 50 by a liquid sealer, and the second lower flat portion 52e of the anode separator 52. ) And a second junction portion 56 are formed on the first lower flat portion 51e by a CW laser to be joined to each other, and a rubber seal 54 is attached to the end of the second lower flat portion 51e. The edge of the upper MEA 50 is positioned at the upper end of the rubber seal 54, and the airtightness of the edge of the upper MEA 50 is maintained at the upper end of the rubber seal 54 and the upper end due to the clamping pressure when the stack is generated (rubber). There is no bonding between the seal and the MEA, but the tightness of the stack keeps the fuel cell tight.)

또한, 상기 하측 MEA(50)의 타측단에 고무시일(54)이 위치되고, 스택 생성시 체결압으로 하측 MEA(50)와 타측단의 고무시일(54)의 기밀이 유지되고(고무시일과 MEA의 접합은 없음, 단 스택 체결압으로 연료전지의 기밀을 유지함), 고무시일(54)의 상단에 공기극 분리판(51)의 제1상부플랫부(51g)가 접합되고, 연료극 분리판(52)의 제2상부플랫부(52k)와 제1상부플랫부(51g)에 제2접합부(56)가 CW 레이저에 의해 형성되어 면접합되고, 상측 MEA(50)가 상기 제2상부플랫부(52k)의 상면에 액상실러에 의해 접합된다.In addition, a rubber seal 54 is positioned at the other end of the lower MEA 50, and the airtightness of the lower MEA 50 and the rubber seal 54 at the other end is maintained by the clamping pressure when the stack is generated (rubber seal and There is no joining of the MEA, except that the fuel cell is kept airtight by the stack clamping pressure), and the first upper flat part 51g of the cathode separator 51 is joined to the upper end of the rubber seal 54, and the anode separator ( A second junction 56 is formed on the second upper flat portion 52k and the first upper flat portion 51g by a CW laser to be face-bonded, and an upper MEA 50 is attached to the second upper flat portion 52k. The upper surface of 52k is joined by a liquid sealer.

이와 같이 상기 접합된 공기극 분리판(51)의 제1하부플랫부(51e)와 연료극 분리판(52)의 제2하부플랫부(52e)와, 상측 MEA(50)와 제1연결부(52f), 좌측 고무시일(54)에 의해 형성된 내부공간은 입구용 수소 매니폴드부(57a)와 연통된다.In this manner, the first lower flat portion 51e of the bonded cathode electrode plate 51 and the second lower flat portion 52e of the anode separator 52, the upper MEA 50, and the first connection portion 52f. The inner space formed by the left rubber seal 54 communicates with the inlet hydrogen manifold portion 57a.

상기 제1하부플랫부(51e), 제1연결부(52f), 요철부(52g), 제2연결부(52h), 제2상부플랫부(52k)와 제3연결부(52j)에 의해 형성된 내부공간은 입구용 냉각수 매니폴드부(58a)와 연통된다.Internal space formed by the first lower flat portion 51e, the first connecting portion 52f, the uneven portion 52g, the second connecting portion 52h, the second upper flat portion 52k and the third connecting portion 52j. Is in communication with the inlet cooling water manifold portion 58a.

또한, 상기 접합된 공기극 분리판(51)의 제1상부플랫부(51e)와 연료극 분리판(52)의 제2상부플랫부(52k)와, 하측 MEA(50)와 제3연결부(52j), 우측 고무시일(54)에 의해 형성된 내부공간은 입구용 공기 매니폴드부(59a)와 연통된다.In addition, the first upper flat portion 51e of the bonded cathode separator 51 and the second upper flat portion 52k of the anode separator 52, the lower MEA 50, and the third connecting portion 52j are provided. The inner space formed by the right rubber seal 54 communicates with the inlet air manifold portion 59a.

상기 출구용 수소 매니폴드부(57b), 출구용 냉각수 매니폴드부(58b) 및 출구용 공기매니폴드부(59b)를 가로지르는 단면구조는 상기 입구용 수소 매니폴드부(57a), 입구용 냉각수 매니폴드부(58a) 및 입구용 공기매니폴드부(59a)를 가로지르는 단면과 동일한 구성을 가지므로, 상세한 설명은 생략한다.The cross-sectional structure that crosses the outlet hydrogen manifold portion 57b, the outlet cooling water manifold portion 58b, and the outlet air manifold portion 59b includes the inlet hydrogen manifold portion 57a and the inlet cooling water. Since it has the same structure as the cross section which crosses the manifold part 58a and the inlet air manifold part 59a, detailed description is abbreviate | omitted.

본 발명에 의하면, 금속분리판의 가장자리부 및 매니폴드부를 CW 레이저에 의해 연속해서 직접 접합함으로써, 연료전지 스택에 공급되는 수소, 공기 및 냉각수의 기밀을 확보할 수 있다.According to the present invention, the edges and the manifold portions of the metal separator plate are directly and directly joined by CW laser to ensure the airtightness of hydrogen, air, and cooling water supplied to the fuel cell stack.

이와 같이 CW 레이저에 의해 접합되어 일체화된 공기극 분리판(51)과 연료극 분리판(52)은 기계적 강도가 우수하여 기존의 기계적 강도를 보충하던 고무시일(54)의 사용량과 적층공차 발생률 및 무너짐 현상을 현저하게 줄일 수 있다.As described above, the cathode separator 51 and the anode separator 52 joined and integrated by the CW laser have excellent mechanical strength, and thus, the amount of use of the rubber seal 54 which supplements the existing mechanical strength, the occurrence rate of the lamination tolerance, and the collapse phenomenon Can be significantly reduced.

또한, 상기 접합된 연료극 분리판(52)과 서브가스켓(53) 사이에 접합되는 고가의 고무시일(54)의 사용량은 기존 기술 대비 50% 감소되어 재료비를 50% 절감할 수 있고, 공기극 분리판(51)과 연료극 분리판(52)을 CW 레이저에 의해 접합함으로써, 고무 시일의 사출/경화 공정을 50% 절감하여 설비 투자비도 절감할 수 있다.In addition, the amount of the expensive rubber seal 54 bonded between the bonded anode plate 52 and the sub-gasket 53 is reduced by 50% compared to the existing technology to reduce the material cost by 50%, the cathode plate By bonding the 51 and the anode separator 52 by CW laser, the injection / hardening process of the rubber seal can be reduced by 50%, thereby reducing the equipment investment cost.

또한, 400 여개의 셀이 적층되는 스택을 제작하기 위해 기존에는 각각 400 여개의 공기극 분리판(51), 연료극 분리판(52), MEA(50)을 순서대로 하나씩 1200 여번 적층하던 것을 본 발명에서는 각각 400 여개의 일체화된 공기극 분리판(51) 및 연료극 분리판(52) 어셈블리와 MEA(50)를 800 여번 적층하면 되기 때문에 적층공정수를 절감하여 적층 공차 관리를 수월하게 할 수 있다.In addition, in the present invention, in order to manufacture a stack in which 400 cells are stacked, in the present invention, 400 or more cathode separator plates 51, anode separators 52, and MEAs 50 were stacked one by one in order of 1200. Since about 400 integrated cathode separator 51, anode separator 52 assembly and MEA 50 may be stacked about 800 times, the number of stacking steps can be reduced, thereby facilitating stacking tolerance management.

상기 레이저는 10㎛ 촛점크기를 가지는 싱글 모드 파이버 연속 파장 레이저로서 박판인 금속분리판에 열변형이 없고, 균일한 접합이 가능하다.The laser is a single-mode fiber continuous wavelength laser having a 10 μm focusing size, without thermal deformation on a thin metal separator plate, and capable of uniform bonding.

상기 금속분리판의 매니폴드부에서 입구용 및 출구용 냉각수 유로부분에 기계적 강도를 향상시키기 위해 기존에는 고무시일(54)을 사용하였으나, 본 발명에서는 공기극 분리판(51)의 제1하부플랫부(51e)에 연료극 분리판(52)의 요홈부(52i)가 면접되게 성형하고, 상기 공기극 분리판(51)의 제1하부플랫부(51e) 및 연료극 분리판(52)의 제2하부플랫부(52e)와, 상기 공기극 분리판(51)의 제1상부플랫부(51g) 및 연료극 분리판(52)의 제2상부플랫부(52k)를 CW 레이저에 의해 접합함으로써, 입구용 및 출구용 냉각수 유로부분에 기계적 강도를 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라, 기존의 고무시일(54)의 사용량을 절감할 수 있다.In order to improve the mechanical strength of the inlet and outlet cooling water flow passages in the manifold portion of the metal separator plate, a rubber seal 54 is conventionally used, but in the present invention, the first lower flat portion of the cathode separator plate 51 is used. The recess 52i of the anode separation plate 52 is formed to be interviewed on the 51e, and the first lower flat portion 51e of the cathode separation plate 51 and the second lower flat of the anode separation plate 52 are formed. The inlet and outlet are joined by a portion 52e, the first upper flat portion 51g of the cathode separator 51 and the second upper flat portion 52k of the anode separator 52 by CW laser. Not only can the mechanical strength of the cooling water flow path portion be improved, but the amount of the conventional rubber seal 54 can be reduced.

또한, 본 발명에서는 CW레이저를 이용하여 금속분리판의 가장자리부(사각형)와 매니폴드부 주변의 ㄱ자 형 및 ㄴ자형 부분을 연속해서 접합하는 총 접합길이는 1.5m이고, 이를 접합하는데 약 10초의 시간이 소요되며, 이는 사이클 타임이 기존 기술 대비 대폭 축소된다.
In addition, in the present invention, the total bonding length for continuously joining the c-shaped and c-shaped portions around the edges (squares) and the manifold of the metal separator plate using a CW laser beam is 1.5 m, which is about 10 seconds. It takes time, which significantly reduces cycle time compared to existing technologies.

50 : MEA 51 : 공기극 분리판
52 : 연료극 분리판 53 : 서브가스켓
54 : 고무시일 55 ; 제1접합부
56 : 제2접합부 50: MEA 51: air cathode separator
52: anode separator 53: sub-gasket
54: rubber seal 55; First joint
56: second joint

Claims (4)

연료전지용 금속분리판 어셈블리에 있어서,
요철부와 요홈부를 가지면서 MEA(50)의 공기극에 공기를 공급하는 공기극 분리판(51); 및
요철부와 요홈부를 가지면서 MEA(50)의 연료극에 수소를 공급하는 연료극 분리판(52);
을 포함하되, 상기 공기극 분리판(51)과 연료극 분리판(52)의 가장자리부와 매니폴드부는 싱글모드 파이버 CW 레이저에 의해 연속해서 접합되어, 수소, 공기 및 냉각수의 기밀이 유지되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 금속분리판 어셈블리.
In the fuel cell metal separator assembly,
A cathode separator 51 for supplying air to the cathode of the MEA 50 while having an uneven portion and a recess; And
A fuel electrode separator plate 52 having an uneven portion and a recessed portion to supply hydrogen to the anode of the MEA 50;
It includes, but the edge portion and the manifold portion of the cathode separation plate 51 and the anode separation plate 52 is continuously joined by a single mode fiber CW laser, characterized in that the airtight of hydrogen, air and cooling water is maintained Metal separator assembly for fuel cells.
청구항 1에 있어서,
상기 공기극 분리판(51)과 연료극 분리판(52)의 가장자리부의 접합면이 각각 평평하게 형성되어, 상기 CW 레이저에 의해 면접합되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 금속분리판 어셈블리.
The method according to claim 1,
Joining surface of the edge portion of the cathode separator plate 51 and the anode separator plate 52 is formed flat, respectively, the metal separator plate assembly for a fuel cell, characterized in that the surface is bonded by the CW laser.
청구항 1에 있어서,
상기 공기극 분리판(51)과 연료극 분리판(52)의 매니폴드부의 접합면이 각각 평평하게 형성되어, 상기 CW 레이저에 의해 면접합되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 금속분리판 어셈블리.
The method according to claim 1,
And a junction surface of the manifold portion of the cathode separator plate (51) and the anode separator plate (52) is flat, and is bonded to each other by the CW laser.
청구항 1에 있어서,
상기 공기극 분리판(51)과 연료극 분리판(52)의 매니폴드부에서 상기 공기극 분리판(51)은 하측 MEA(50)에 접촉하는 제1하부플랫부(51e)와, 상기 제1하부플랫부(51e)의 단부에서 상방향으로 돌출되는 제1상부플랫부(51g)를 포함하고,
상기 연료극 분리판(52)은 상기 제1하부플랫부(51e)에 면접촉하는 제2하부플랫부(52e)와, 상기 제1하부플랫부(51e)에서 상방향으로 돌출되며 상측 MEA(50)에 면접촉하는 요철부(52g)와, 상기 요철부(52g)에서 하방향으로 오목하게 형성되어 제1하부플랫부(51e)에 면접촉하는 요홈부(52i)를 포함하여 구성되고, 상기 공기극 분리판(51)의 제1하부플랫부(51e) 및 제1상부플랫부(51g) 위에 연료극 분리판(52)의 제2하부플랫부(52e) 및 제2상부플랫부(52k)가 포개지면서 각각 싱글모드 파이버 CW 레이저에 의해 접합되어, 상기 공기극 분리판(51)과 연료극 분리판(52)의 매니폴드부에서 냉각수 유로부분에 기계적 강도를 향상시키는 것을 특징으로 하는 연료전지용 금속분리판 어셈블리.

The method according to claim 1,
In the manifold of the cathode separator 51 and the anode separator 52, the cathode separator 51 is provided with a first lower flat part 51e in contact with the lower MEA 50, and the first lower flat. A first upper flat portion 51g protruding upward from an end of the portion 51e,
The anode separation plate 52 protrudes upward from the second lower flat portion 52e and the first lower flat portion 51e which are in surface contact with the first lower flat portion 51e, and the upper MEA 50. And a concave-convex portion 52g in surface contact with the c) and a concave-convex portion 52i formed concave downward in the concave-convex portion 52g and in surface contact with the first lower flat portion 51e. The second lower flat portion 52e and the second upper flat portion 52k of the anode separator plate 52 are disposed on the first lower flat portion 51e and the first upper flat portion 51g of the cathode separator plate 51. They are superimposed and bonded by single-mode fiber CW lasers, respectively, to improve mechanical strength in the cooling water flow path portion of the manifold of the cathode separator 51 and the anode separator 52. assembly.

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