KR101249714B1 - 고분자형 전해질 연료전지에서 사용하기 위한 세퍼레이터 제조 방법 및 설비 - Google Patents

고분자형 전해질 연료전지에서 사용하기 위한 세퍼레이터 제조 방법 및 설비 Download PDF

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Abstract

피성형재 코일(1B)로부터 피성형재 되감기기(40)에 의해서 되감긴 피성형재(1A)를 사행 제어하면서 그 경사 각도를 집입각 조절장치(50)로 조절하여 세퍼레이터 성형 밀(60)로 유도하여, 세퍼레이터 성형 밀(60)의 롤간에 피성형재(1A)를 도입하여 압하함으로써 세퍼레이터(1)를 연속적으로 성형한다. 세퍼레이터 성형 밀(60)로 성형된 세퍼레이터(1)의 양 폭 단부를 핀치 롤 장치(70)로 협지하여 송출하면서 장력 제어하고, 핀치 롤 장치(70)에 의해 송출되는 세퍼레이터(1)를 정지시키지 않고 그 유로가 형성되지 않은 부분에 있어서 플라잉 시어(80)로 절단한다.

Description

고분자형 전해질 연료전지에서 사용하기 위한 세퍼레이터 제조 방법 및 설비{Method and facility for producing separator for use in polymer electrolyte fuel cell}
본 발명은, 고체 고분자형 연료전지용 세퍼레이터 제조 방법 및 설비에 관한 것이다.
일반적으로, 고체 고분자형 연료전지는, 연료로서, 순수소, 또는 알코올류를 개질하여 얻어지는 수소 가스를 사용하여, 상기 수소와 공기 중의 산소의 반응을 전기 화학적으로 제어함으로써 전기를 얻는 것이다.
상기 고체 고분자형 연료전지는, 고체의 수소 이온 선택 투과형 유기물막을 전해질로서 사용하기 때문에, 종래의 알칼리형 연료전지, 인산형 연료전지, 용융 탄산염형 연료전지, 고체 전해질형 연료전지 등과 같이, 전해질로서 수용액계 전해질이나 용융 염계 전해질과 같은 유동성 매체를 사용하는 연료전지에 비해 컴팩트화가 가능하게 되어, 전기자동차나 그 밖의 용도를 위한 개발이 진행되고 있다.
그리고, 상기 고체 고분자형 연료전지는, 도 1에 도시하는 바와 같이, 볼록부(1a) 및 오목부(1b)가 형성된 세퍼레이터(1)와, 수소극(2)과, 고분자 전해질막(3)과, 공기(산소)극(4)과, 볼록부(1a) 및 오목부(1b)가 형성된 세퍼레이터(1)를 겹쳐서 샌드위치 구조의 셀(5)을 형성하고, 상기 셀(5)을 다수 적층하여 스택(6)으로 한 것이 사용되도록 되어 있고, 상기 세퍼레이터의 수소극(2)과 접하는 측의 공간에 수소 유로(7)가 형성되는 동시에, 상기 세퍼레이터의 공기극(4)과 접하는 측의 공간에 공기(산소) 유로(8)가 형성되고, 또, 상기 세퍼레이터(1)끼리가 겹치는 측의 공간에 냉각수 유로(9)가 형성되도록 되어 있다.
종래에 있어서, 상기 세퍼레이터(1)는, 프레스 성형에 의해 가장자리부가 평탄하고 중앙부에 다수의 볼록부(1a) 및 오목부(1b)로 이루어지는 팽출(膨出) 성형부를 형성하는 것을 상정하였지만, 실제로 금속 박판으로 이루어지는 피성형재의 가공을 시험해 보면, 상기 볼록부(1a) 및 오목부(1b)로 이루어지는 팽출 성형부에 있어서 연성 깨어짐이 생기기 때문에, 상술한 바와 같은 형상으로 프레스 성형하는 것이 곤란해지는 한편, 대량의 세퍼레이터(1)를 프레스 성형에 의해 제조하려고 할 때는, 생산 효율이 저하된다는 문제가 있었다.
이 때문에, 최근에는, 표면에 오목부 및 볼록부가 형성된 성형 영역을 가지는 한 쌍의 롤을 대향 배치하고, 상기 롤간에 금속 박판으로 이루어지는 피성형재를 도입하여 압하함으로써, 상기 롤의 오목부 및 볼록부에 대응하는 유로(수소 유로(7), 공기 유로(8), 냉각수 유로(9))가 형성된 세퍼레이터(1)를 연속적으로 제조하는 것이 제안되어 있다.
또한, 도 1에 도시하는 바와 같은 고체 고분자형 연료전지의 세퍼레이터(1)를 제조하기 위한 장치의 일반적 기술 수준을 나타내는 것으로서는, 예를 들면, 특허문헌 1이 있다.
일본 공개특허공보2002-190305호
하지만, 상기 세퍼레이터(1)는, 스테인리스강 등의 금속 박판으로 이루어지는 피성형재를 점점 얇고(판 두께가 0.1mm 정도) 또한 정밀도 좋게 성형하는 것이 요구되고 있어, 그 제조 방법 및 설비의 개발이 급무가 되었다.
본 발명은, 이러한 실상을 감안하여, 생산 효율을 저하시키지 않고, 금속 박판으로 이루어지는 피성형재를 정밀도 좋게 성형할 수 있고, 고정밀도의 세퍼레이터를 효율 좋게 제조할 수 있는 고체 고분자형 연료전지용 세퍼레이터 제조 방법 및 설비를 제공하고자 하는 것이다.
본 발명은, 피성형재 코일로부터 피성형재 되감기기에 의해 되감긴 피성형재를 사행 제어하면서 그 경사 각도를 진입각 조절 장치로 조절하여 세퍼레이터 성형 밀에 유도하여, 상기 세퍼레이터 성형 밀의, 표면에 오목부 및 볼록부가 형성된 성형 영역과, 오목부 및 볼록부가 형성되지 않는 비성형 영역을 원주 방향에 교대로 갖고 또한 상하에 대향 배치된 한 쌍의 롤간에 상기 피성형재를 도입하여 압하함으로써, 상기 오목부 및 볼록부에 대응하는 유로가 형성된 세퍼레이터를 연속적으로 성형하고, 상기 세퍼레이터 성형 밀로 성형된 세퍼레이터의 양 폭 단부를 핀치 롤 장치로 협지하여 송출하면서 장력 제어하고, 상기 핀치 롤 장치에 의해 송출되는 세퍼레이터를 정지시키지 않고 그 유로가 형성되지 않은 부분에 있어서 플라잉 시어(flying shear)로 절단하는 고체 고분자형 연료전지용 세퍼레이터 제조 방법에 관계되는 것이다.
한편, 본 발명은, 피성형재가 권취된 피성형재 코일을 되감기하면서 사행 제어 가능한 피성형재 되감기기와, 상기 피성형재 되감기기에 의해 피성형재 코일로부터 되감긴 피성형재의 경사 각도를 조절 가능한 진입각 조절 장치와, 표면에 오목부 및 볼록부가 형성된 성형 영역과, 오목부 및 볼록부가 형성되지 않는 비성형 영역을 원주 방향에 교대로 갖고 또한 상하에 대향 배치된 한 쌍의 롤간에, 상기 진입각 조절 장치에 의해 진입각이 조절된 피성형재를 도입하여 압하함으로써, 상기 오목부 및 볼록부에 대응하는 유로가 형성된 세퍼레이터를 연속적으로 성형하는 세퍼레이터 성형 밀과, 상기 세퍼레이터 성형 밀로 성형된 세퍼레이터의 양 폭 단부를 협지하여 송출하면서 장력 제어 가능한 핀치 롤 장치와, 상기 핀치 롤 장치에 의해서 송출되는 세퍼레이터를 정지시키지 않고 그 유로가 형성되지 않은 부분에 있어서 절단하는 플라잉 시어를 구비한 고체 고분자형 연료전지용 세퍼레이터 제조 설비에 관련되는 것이다.
상기 수단에 따르면, 이하와 같은 작용을 얻을 수 있다.
피성형재 코일로부터 피성형재 되감기기에 의해 되감긴 피성형재는 사행 제어되면서 그 경사 각도가 진입각 조절 장치로 조절되어 세퍼레이터 성형 밀에 유도되고, 상기 세퍼레이터 성형 밀의, 표면에 오목부 및 볼록부가 형성된 성형 영역과, 오목부 및 볼록부가 형성되지 않는 비성형 영역을 원주 방향에 교대로 갖고 또한 상하에 대향 배치된 한 쌍의 롤간에 상기 피성형재가 도입되어 압하됨으로써, 상기 오목부 및 볼록부에 대응하는 유로가 형성된 세퍼레이터가 연속적으로 성형되고, 상기 세퍼레이터 성형 밀로 성형된 세퍼레이터의 양 폭 단부가 핀치 롤 장치로 협지되어 송출되면서 장력 제어되고, 상기 핀치 롤 장치에 의해 송출되는 세퍼레이터가 정지하지 않고 그 유로가 형성되지 않은 부분에 있어서 플라잉 시어로 절단되고, 이것에 의해, 대단히 얇은 금속 박판으로 이루어지는 피성형재를 확실하게 성형하여 절단하여, 요구되는 정밀도를 충족시키는 세퍼레이터를 효율 좋게 제조하는 것이 가능해진다.
상기 고체 고분자형 연료전지용 세퍼레이터 제조 설비에 있어서는, 상기 세퍼레이터 성형 밀의 출구측에, 세퍼레이터의 양 폭 단부를 지지하는 에지 반송 가이드 롤러를 배치하는 것이, 오목부 및 볼록부에 대응하는 유로가 형성된 세퍼레이터를 안정적으로 반송하는 것에 있어서 바람직하다.
또, 상기 고체 고분자형 연료전지용 세퍼레이터 제조 설비에 있어서는, 상기 세퍼레이터 성형 밀이, 상기 롤간의 갭을 조절 가능한 푸시업 실린더와, 상기 롤의 하우징과 주베어링 축상자(axle box) 사이에, 상하 방향 및 수평 방향의 래틀(rattle)을 없애도록 배치되는 상시 래틀 제거 실린더와, 상기 롤의 네크부에 끼워 장착되는 보조 베어링과, 상기 보조 베어링간에, 상기 롤과 주베어링 사이의 래틀을 없애도록 배치되는 비성형시 래틀 제거 실린더와, 성형 하중을 검출하는 하중 검출기와, 상기 하중 검출기로 검출되는 성형 하중에 기초하여, 상기 푸시업 실린더와 상시 래틀 제거 실린더와 비성형시 래틀 제거 실린더에 각각 작동 신호를 출력하고, 상기 롤의 하우징과 주베어링 축상자 사이의 래틀을 상시 제거하면서, 상기 비성형 영역에 있어서의 롤과 주베어링 사이의 래틀 제거와, 상기 성형 영역에 있어서의 피성형재의 성형을 반복하여 행하게 하는 제어기를 구비하도록 할 수 있고, 이렇게 하면, 세퍼레이터 성형 밀의 롤의 하우징과 주베어링 축상자 사이의 래틀은 상시 래틀 제거 실린더의 작동으로 제거되고, 롤과 주베어링 사이의 래틀은 비성형시 래틀 제거 실린더의 작동으로 제거되어, 롤간의 갭을 정밀도 좋은 설정값으로 유지 가능하게 되기 때문에, 대단히 얇은 금속 박판으로 이루어지는 피성형재이어도, 그 성형에 요구되는 정밀도를 얻을 수 있고, 고정밀도의 세퍼레이터를 효율 좋게 제조하는 것이 가능해진다.
또, 상기 고체 고분자형 연료전지용 세퍼레이터 제조 설비에 있어서는, 상기 각 롤의 롤 축부에 각각 파동 기어 기구를 구비한 감속기를 통해서 개개의 서보 모터를 직결하는 동시에, 상기 감속기를 각각 대응하는 주베어링 축상자에 직결하는 것이, 회전 동력 전달계의 회전 방향의 래틀을 미소하게 하여 회전 동력을 롤에 전달하는 것에 있어서 유효해진다.
본 발명의 고체 고분자형 연료전지용 세퍼레이터 제조 방법 및 설비에 의하면, 생산 효율을 저하시키지 않고, 금속 박판으로 이루어지는 피성형재를 정밀도 좋게 성형할 수 있고, 고정밀도의 세퍼레이터를 효율 좋게 제조할 수 있다는 우수한 효과를 가질 수 있다.
도 1은 고체 고분자형 연료전지의 일 예를 도시하는 확대 단면도.
도 2는 본 발명의 실시예를 도시하는 전체 개요 구성도.
도 3은 본 발명의 실시예를 도시하는 전체 평면도.
도 4는 본 발명의 실시예에 있어서의 세퍼레이터 성형 밀을 도시하는 측 단면도.
도 5는 본 발명의 실시예에 있어서의 세퍼레이터 성형 밀의 롤의 단면도이며, 도 4의 V-V 단면 상당도.
도 6은 본 발명의 실시예에 있어서의 세퍼레이터 성형 밀의 롤과 주베어링 사이의 래틀을 제거하는 상시 래틀 제거 실린더를 도시하는 도면이며, 도 4의 VI-VI 화살방향에서 본 도면.
도 7은 본 발명의 실시예에 있어서의 세퍼레이터 성형 밀의 롤과 주베어링 사이의 래틀을 제거하는 비성형시 래틀 제거 실린더 및 보조 베어링을 도시하는 도면이며, 도 4의 VII-VII 화살방향에서 본 도면.
도 8a는 도 4의 세퍼레이터 성형 밀에 적용하는 감속기의 파동 기어 기구의 원리를 설명하기 위한 정면도이며, 웨이브 제너레이터가 회전을 개시하기 전의 상태를 도시하는 도면.
도 8b는 도 4의 세퍼레이터 성형 밀에 적용하는 감속기의 파동 기어 기구의 원리를 설명하기 위한 정면도이며, 웨이브 제너레이터가 시계 방향으로 90도 회전한 상태를 도시하는 도면.
도 8c는 도 4의 세퍼레이터 성형 밀에 적용하는 감속기의 파동 기어 기구의 원리를 설명하기 위한 정면도이며, 웨이브 제너레이터가 시계 방향으로 360도 회전한 상태를 도시하는 도면.
도 9는 본 발명의 실시예에 있어서의 세퍼레이터 성형 밀에 의한 피성형재의 성형 개시 전부터 성형 영역, 비성형 영역에서의 하중 검출기 출력과, 상시 래틀 제거 실린더, 비성형시 래틀 제거 실린더 및 푸시업 실린더의 각 작동 상태와, 롤간 갭의 관계를 도시하는 제어 차트.
이하, 본 발명의 실시예를 도면을 참조하여 설명한다.
도 2 및 도 3은 본 발명의 실시예이며, 피성형재(1A)가 권취된 피성형재 코일(1B)을 되감기하면서 사행 제어 가능한 피성형재 되감기기(40)와, 상기 피성형재 되감기기(40)에 의해 피성형재 코일(1B)로부터 되감긴 피성형재(1A)의 경사 각도를 조절 가능한 진입각 조절 장치(50)와, 상기 진입각 조절 장치(50)에 의해서 진입각이 조절된 피성형재(1A)를 후술하는 한 쌍의 롤(13) 사이에 도입하여 압하함으로써 유로(수소 유로(7), 공기 유로(8), 냉각수 유로(9))가 형성된 세퍼레이터(1; 도 1 참조)를 연속적으로 성형하는 세퍼레이터 성형 밀(60)과, 상기 세퍼레이터 성형 밀(60)로 성형된 세퍼레이터(1)의 양 폭 단부를 협지하여 송출하면서 장력 제어 가능한 핀치 롤 장치(70)와, 상기 핀치 롤 장치(70)에 의해 송출되는 세퍼레이터(1)를 정지시키지 않고 그 유로가 형성되지 않은 부분에 있어서 절단하는 플라잉 시어(80)를 구비함으로써, 고체 고분자형 연료전지용 세퍼레이터 제조 설비를 구성한 것이다.
본 실시예의 경우, 상기 세퍼레이터 성형 밀(60)의 출구측에, 세퍼레이터(1)의 양 폭 단부를 지지하는 에지 반송 가이드 롤러(90)를 배치하였다.
상기 피성형재 되감기기(40)는, 도 2 및 도 3에 도시하는 바와 같이, 피성형재(1A)의 반송 방향과 직각인 수평 방향으로 연장되도록 부설된 가이드 레일(41)을 따라, 베이스플레이트(42)를 슬라이드 액추에이터(43)의 신축 작동에 의해 슬라이드 가능하게 배치하고, 상기 베이스플레이트(42) 위에, 상기 피성형재 코일(1B)을 되감는 되감기기 본체(44)와, 상기 피성형재(1A)의 되감기시에 있어서의 되감기기 본체(44)의 토크를 제어하는 브레이크 장치(45)와, 상기 되감기기 본체(44)에서 피성형재 코일(1B)로부터 되감긴 피성형재(1A)를 송출하는 되감기 가이드 롤러(46)를 설치하여 이루어지는 구성을 가지고, 상기 슬라이드 액추에이터(43)의 작동으로 피성형재(1A)의 반송 방향과 직각인 수평 방향으로 베이스플레이트(42)를 슬라이드시킴으로써, 피성형재(1A)의 사행을 제어하는 동시에, 상기 브레이크 장치(45)의 작동으로 피성형재(1A)의 되감기시에 있어서의 되감기기 본체(44)의 토크를 제어함으로써, 피성형재(1A)의 장력을 제어할 수 있도록 되어 있다.
상기 진입각 조절 장치(50)는, 도 2 및 도 3에 도시하는 바와 같이, 진입각 조절 하우징(51)에, 상하에 대향 배치된 한 쌍의 진입각 조절 롤(52)을 회전이 자유롭고 또한 승강 액추에이터(53)의 작동에 의해 상하동이 자유롭게 지지하여 이루어지는 구성을 가지고, 상기 진입각 조절 롤(52) 사이에 피성형재(1A)를 도입한 상태로, 상기 진입각 조절 롤(52)을 상하동시킴으로써, 피성형재(1A)의 경사 각도를 조절할 수 있도록 되어 있다.
상기 핀치 롤 장치(70)는, 도 2 및 도 3에 도시하는 바와 같이, 핀치 하우징(71)에, 양 폭 단부의 직경을 중앙부보다 대직경으로 하고, 또한 상하에 대향 배치된 한 쌍의 핀치 롤(72)을, 서보 모터(73)의 작동으로 회전 속도 조절 가능하고 또한 압하 실린더(74)의 작동으로 협지 압력 조절 가능하게 지지하여 이루어지는 구성을 가지고, 상기 세퍼레이터 성형 밀(60)로 성형된 세퍼레이터(1)의 양 폭 단부를 핀치 롤(72)로 협지하여 송출하면서 장력 제어할 수 있도록 되어 있다.
상기 플라잉 시어(80)는, 도 2 및 도 3에 도시하는 바와 같이, 고정 가대(81) 위에 세퍼레이터(1)의 반송 방향으로 연장되도록 부설된 가이드 레일(82)을 따라, 이동 테이블(83)을, 서보 모터(84)에 의한 볼 스크류(85)의 회전 구동으로 너트(86)를 이동시킴으로써 슬라이드 가능하게 배치하고, 상기 이동 테이블(83) 위에 시어 본체(87)를 설치하여 이루어지는 구성을 가지고, 상기 시어 본체(87)를 세퍼레이터의 반송 속도와 동기시켜 슬라이드시키면서 작동시킴으로써, 상기 핀치 롤 장치(70)에 의해 송출되는 세퍼레이터(1)를 정지시키지 않고 절단할 수 있도록 되어 있다.
또한, 상기 진입각 조절 장치(50)의 입구측에는, 피성형재(1A)의 경사 각도 및 사행의 유무를 검출하기 위한 비접촉식의 포토센서(100)를 배치하였다.
한편, 도 4 내지 도 9는 본 발명의 실시예에 있어서의 상기 세퍼레이터 성형 밀(60)에 관련되는 도면이며, 10은 하우징, 11은 하우징(10)에 배치된 주베어링 축상자, 12는 주베어링 축상자(11) 내에 형성된 주베어링, 13은 주베어링(12)에 의해 하우징(10)에 대하여 회전이 자유롭게 배치된 지지되도록 상하에 대향 배치된 한 쌍의 롤이며, 상기 롤(13)은, 도 4 및 도 5에 도시하는 바와 같이, 표면에 오목부(14a) 및 볼록부(14b)가 형성된 성형 영역과, 오목부(14a) 및 볼록부(14b)가 형성되지 않는 비성형 영역을 원주 방향에 교대로 가지고 있다.
본 실시예의 경우, 상기 롤(13)의 롤 본체부(13a)에, 표면에 오목부(14a) 및 볼록부(14b)가 형성된 성형 영역을 가지는 원호 형상의 2개의 금형(14)을 키(15)와 볼트 등의 체결 부재(16)로 끼워 결합함으로써, 상기 롤(13)에 성형 영역과 비성형 영역이 원주 방향에 교대로 형성되도록 하고 있다.
또, 상기 하우징(10)의 하부에, 하측의 롤(13)의 주베어링 축상자(11)를 밀어 올리고 내림으로써 상기 롤(13) 사이의 갭을 조절 가능한 푸시업 실린더(17)를 배치하고, 상기 롤(13)의 하우징(10)과 주베어링 축상자(11) 사이에, 상하 방향 및 수평 방향의 래틀을 없애는 상시 래틀 제거 실린더(18, 19; 도 4 및 도 6 참조)를 배치하고, 상기 롤(13)의 네크부(13b)에 보조 베어링(20)을 끼워 결합하고, 상기 보조 베어링(20) 사이에, 상기 롤(13)과 주베어링(12) 사이의 래틀을 없애는 비성형시 래틀 제거 실린더(21; 도 4 및 도 7 참조)를 배치하고, 상기 하우징(10)의 상부에, 성형 하중(23a)을 검출하는 로드 셀 등의 하중 검출기(23)를 설치하고, 상기 하중 검출기(23)로 검출되는 성형 하중(23a)에 기초하여, 상기 푸시업 실린더(17)와 상시 래틀 제거 실린더(18, 19)와 비성형시 래틀 제거 실린더(21)에 각각 작동 신호(17a, 18a, 19a, 21a)를 출력하는 제어기(24)를 설치하였다.
또한, 상기 비성형시 래틀 제거 실린더(21)는, 보조 베어링(20)의 외주를 덮도록 장착되는 반할형의 보조 베어링 커버(22)의 사이에 설치하도록 하였다.
한편, 상기 각 롤(13)의 롤 축부(13c)에 각각 소위 하모닉드라이브(등록상표)라고 불리는 파동 기어 기구를 구비한 감속기(25)를 통해서 개개의 서보 모터(26)를 직결하는 동시에, 상기 감속기(25)를 각각 대응하는 주베어링 축상자(11)에 직결하도록 하였다.
여기서, 상기 파동 기어 기구를 구비한 감속기(25)는, 도 8a 내지 도 8c에 도시하는 바와 같이, 외주가 타원형인 웨이브 제너레이터(27)와, 외주에 다수의 외치(外齒)가 형성되는 동시에 축받이(28)를 통해서 웨이브 제너레이터(27)에 외감(外嵌)되고, 또한 제너레이터(27)가 회전함으로써, 도 8b, 도 8c에 도시하는 바와 같이 순차 원주 방향으로 구부러지는 위치가 변화되도록 한 탄성 변형 가능한 플렉스플라인(29)과, 상기 플렉스플라인(29)의 외주측에 위치하고, 플렉스플라인(29)의 외치와 끼워지는 내치(內齒)를 가지고, 플렉스플라인(29)의 구부러지는 위치가 변화함으로써, 내치가 외치에 맞물리는 위치가 변화되도록 한 회전하지 않는 서큘러 스플라인(30)을 구비하고 있고, 상기 웨이브 제너레이터(27)의 축 구멍(27a)에는, 상기 서보 모터(26)의 축(26a)이 끼워지고(도 4 참조), 플렉스플라인(29)에는, 롤(13)의 롤 축부(13c)가 접속되도록 되어 있다. 또, 플렉스플라인(29)의 외치의 이 수는, 서큘러 스플라인(30)의 내치의 이 수보다도 몇개 적다.
그리고, 상기 서보 모터(26)의 구동에 의해, 웨이브 제너레이터(27)가, 예를 들면, 도 8a에 있어서, 시계 방향으로 회전하면, 플렉스플라인(29)은 탄성 변형되고, 상기 웨이퍼 제너레이터(27)의 타원의 장축부분에서 플렉스플라인(29)의 외치는 서큘러 스플라인(30)의 내치에 맞물리고, 웨이브 제너레이터(27)의 타원의 단축의 부분에서는, 플렉스플라인(29)의 외치는 서큘러 스플라인(30)의 내치로부터 완전히 이탈하고, 그 결과, 플렉스플라인(29)의 외치와 서큘러 스플라인(30)의 내치의 맞물리는 위치가 원주 방향(시계 방향)으로 순차 이동하여(도 8b 참조), 웨이퍼 제너레이터(27)가 1회전했을 때에, 플렉스플라인(29)의 외치와 서큘러 스플라인(30)의 내치의 맞물리는 위치는 회전 개시시의 위치로부터 이동한다(도 8c 참조). 이 때문에, 플렉스플라인(29)은 서큘러 스플라인(30)의 내치보다도 적은 외치의 이 수분만큼 회전 개시시의 맞물리는 위치의 바로 앞에 있고(도 8c 참조), 따라서, 플렉스플라인(29)은, 웨이브 제너레이터(27)의 회전 방향과 역방향(도 8c에서는 반시계 방향)으로 이 수 차분만큼 이동하고, 이것이 회전 출력으로서 롤(13)의 롤 축부(13c)에 추출되도록 되어 있다.
이로 인해, 감속기(25) 자체의 백래시(Backlash)는, 그대로 롤(13)의 회전 변동에 영향을 주므로, 백래시는 작아야만 하지만, 상술한 바와 같이 파동 기어 기구를 구비한 감속기(25)는, 백래시가 지극히 미소한 감속기이기 때문에, 본 발명에서는 회전 동력계의 래틀(회전 위상차의 변동)을 상기 감속기(25)에 의해 무시할 수 있을 정도까지 감소시키도록 하였다.
또, 본 실시예의 경우, 도 9에 도시하는 바와 같이, 성형 개시 전, 상기 제어기(24)로부터 상기 상시 래틀 제거 실린더(18, 19)의 설정압을 P0으로 하는 작동 신호(18a, 19a)를 출력하고, 상기 롤(13)의 하우징(10)과 주베어링 축상자(11) 사이의 상하 방향 및 수평 방향의 래틀을 없앤 상태로, 상기 제어기(24)로부터 상기 푸시업 실린더(17)를 수축시키는 작동 신호(17a)를 출력하고, 상기 롤(13) 사이의 갭을 설정값 ga보다 넓게 해 두고, 상기 제어기(24)로부터 상기 비성형시 래틀 제거 실린더(21)의 설정압을 P0으로 하는 작동 신호(21a)를 출력하고, 상기 롤(13)과 주베어링(12) 사이의 래틀을 없애고, 이 상태에서, 상기 제어기(24)로부터 상기 푸시업 실린더(17)의 신장량을 St로 하는 작동 신호(17a)를 출력하고, 상기 롤(13) 사이의 갭을 설정값 ga로 하고, 금속 박판으로 이루어지는 피성형재(1A; 도 5 참조)를 롤(13) 사이에 도입하여 상기 하중 검출기(23)로 검출되는 성형 하중(23a)이 생긴 시점에서, 상기 성형 영역에 들어갔다고 판단하고, 상기 제어기(24)로부터 상기 비성형시 래틀 제거 실린더(21)의 설정압을 P0부터 0으로 하는 작동 신호(21a)를 출력하여, 상기 피성형재(1A)를 성형시키고, 상기 성형 하중(23a)이 0이 된 시점에서, 상기 비성형 영역에 들어갔다고 판단하고, 상기 제어기(24)로부터 상기 푸시업 실린더(17)의 신장량을 St로부터 수축시켜 S1로 하는 작동 신호(17a)를 출력하고, 상기 롤(13) 사이의 갭을 설정값 ga보다 넓게 하여 g1로 하는 동시에, 상기 제어기(24)로부터 상기 비성형시 래틀 제거 실린더(21)의 설정압을 P0로 하는 작동 신호(21a)를 출력하고, 상기 롤(13)과 주베어링(12) 사이의 래틀을 없애고, 상기 제어기(24)로부터 다시 상기 푸시업 실린더(17)의 신장량을 S1로부터 신장량 St로 하는 작동 신호(17a)를 출력하고, 상기 롤(13) 사이의 갭을 설정값 ga로 하고, 상기 성형 하중(23a)이 생긴 시점에서, 상기 성형 영역에 들어갔다고 판단하고, 상기 제어기(24)로부터 상기 비성형시 래틀 제거 실린더(21)의 설정압을 P0부터 0으로 하는 작동 신호(21a)를 출력하여, 상기 피성형재(1A)를 성형시키고, 이하, 상기 롤(13)의 하우징(10)과 주베어링 축상자(11) 사이의 래틀을 상시 제거시키면서, 상기 비성형 영역에 있어서의 롤(13)과 주베어링(12) 사이의 래틀 제거와, 상기 성형 영역에 있어서의 피성형재(1A)의 성형을 반복하여 행하도록 하였다.
다음에, 상기 실시예의 작용을 설명한다.
도 2 및 도 3에 도시하는 바와 같이, 피성형재 코일(1B)로부터 피성형재 되감기기(40)에 의해 되감긴 피성형재(1A)는 사행 제어되면서 그 경사 각도가 진입각 조절 장치(50)에 의해 조절되어 세퍼레이터 성형 밀(60)에 유도되고, 상기 세퍼레이터 성형 밀(60)의, 표면에 오목부(14a) 및 볼록부(14b)가 형성된 성형 영역과, 오목부(14a) 및 볼록부(14b)가 형성되지 않는 비성형 영역을 원주 방향에 교대로 갖고 또한 상하에 대향 배치된 한 쌍의 롤(13) 사이에 상기 피성형재(1A)가 도입되어 압하됨으로써, 상기 오목부(14a) 및 볼록부(14b)에 대응하는 유로(수소 유로(7), 공기 유로(8), 냉각수 유로(9))가 형성된 세퍼레이터(1; 도 1 참조)가 연속적으로 성형되고, 상기 세퍼레이터 성형 밀(60)로 성형된 세퍼레이터(1)의 양 폭 단부가 핀치 롤 장치(70)로 협지되어 송출되면서 장력 제어되고, 상기 핀치 롤 장치(70)에 의해 송출되는 세퍼레이터(1)가 정지하지 않고 그 유로가 형성되지 않은 부분에 있어서 플라잉 시어(80)로 절단되고, 이것에 의해, 대단히 얇은 금속 박판으로 이루어지는 피성형재(1A)를 확실하게 성형하여 절단하여, 요구되는 정밀도를 충족시키는 세퍼레이터(1)의 효율 좋은 제조가 가능해진다.
게다가, 도 2 및 도 3에 도시하는 고체 고분자형 연료전지용 세퍼레이터 제조 설비에 있어서는, 상기 세퍼레이터 성형 밀(60)의 출구측에, 세퍼레이터(1)의 양 폭 단부를 지지하는 에지 반송 가이드 롤러(90)를 배치하였기 때문에, 상기 세퍼레이터(1)를 안정적으로 반송하는 것이 가능해진다.
한편, 상기 세퍼레이터 성형 밀(60)의 작용에 대해서 이하에 상세하게 설명한다.
우선, 준비 단계로서, 성형 개시 이전에는, 상기 제어기(24)로부터 상기 상시 래틀 제거 실린더(18, 19)의 설정압을 P0로 하는 작동 신호(18a, 19a)가 출력되고, 상기 롤(13)의 하우징(10)과 주베어링 축상자(11) 사이의 상하 방향 및 수평 방향의 래틀을 없앤 상태에서, 상기 제어기(24)로부터 상기 푸시업 실린더(17)를 수축시키는 작동 신호(17a)가 출력되고, 상기 롤(13) 사이의 갭이 설정값 ga보다 넓게 유지되고, 상기 제어기(24)로부터 상기 비성형시 래틀 제거 실린더(21)의 설정압을 P0로 하는 작동 신호(21a)가 출력되고, 상기 롤(13)과 주베어링(12) 사이의 래틀이 제거되고, 이 상태에서, 상기 제어기(24)로부터 상기 푸시업 실린더(17)의 신장량을 St로 하는 작동 신호(17a)가 출력되고, 상기 롤(13) 사이의 갭이 설정값 ga가 된다.
계속해서, 금속 박판으로 이루어지는 피성형재(1A; 도 5 참조)가 롤(13) 사이에 도입되어 성형이 개시되면, 상기 하중 검출기(23)로 검출되는 성형 하중(23a)이 오르고, 이 시점에서, 상기 성형 영역에 들어갔다고 판단되어, 상기 제어기(24)로부터 상기 비성형시 래틀 제거 실린더(21)의 설정압을 P0부터 0으로 하는 작동 신호(21a)가 출력되고, 상기 피성형재(1A)의 성형이 행하여진다.
이 후, 상기 성형 하중(23a)이 0이 된 시점에서, 상기 비성형 영역에 들어갔다고 판단되어, 상기 제어기(24)로부터 상기 푸시업 실린더(17)의 신장량을 St로부터 수축시켜 S1로 하는 작동 신호(17a)가 출력되고, 상기 롤(13) 사이의 갭이 설정값 ga보다 확장되어 g1이 되는 동시에, 상기 제어기(24)로부터 상기 비성형시 래틀 제거 실린더(21)의 설정압을 P0으로 하는 작동 신호(21a)가 출력되고, 상기 롤(13)과 주베어링(12) 사이의 래틀이 제거되고, 상기 제어기(24)로부터 다시 상기 푸시업 실린더(17)의 신장량을 S1로부터 신장시켜 St로 하는 작동 신호(17a)가 출력되고, 상기 롤(13) 사이의 갭이 설정값 ga가 된다.
다음에, 상기 성형 하중(23a)이 생긴 시점에서, 상기 성형 영역에 들어갔다고 판단되어, 상기 제어기(24)로부터 상기 비성형시 래틀 제거 실린더(21)의 설정압을 P0부터 0으로 하는 작동 신호(21a)가 출력되어, 상기 피성형재(1A)의 성형이 행하여지고, 이하, 상기 롤(13)의 하우징(10)과 주베어링 축상자(11) 사이의 래틀 제거가 상시 행하여지면서, 상기 비성형 영역에 있어서의 롤(13)과 주베어링(12) 사이의 래틀 제거와, 상기 성형 영역에 있어서의 피성형재(1A)의 성형이 반복하여 행하여진다.
이와 같이, 상기 롤(13)의 하우징(10)과 주베어링 축상자(11) 사이의 래틀은 상시 래틀 제거 실린더(18, 19)의 작동으로 제거되고, 상기 롤(13)과 주베어링(12) 사이의 래틀은 비성형시 래틀 제거 실린더(21)의 작동으로 제거되고, 상기 롤(13) 사이의 갭을 정밀도 좋게 설정값 ga로 유지 가능하게 되기 때문에, 대단히 얇은 금속 박판으로 이루어지는 피성형재(1A)이어도, 그 성형에 요구되는 정밀도를 얻을 수 있고, 고정밀도이고 또한 상기 오목부(14a) 및 볼록부(14b)에 대응하는 유로(수소 유로(7), 공기 유로(8), 냉각수 유로(9))가 형성된 세퍼레이터(1; 도 1 참조)를 효율 좋게 제조하는 것이 가능해진다.
게다가, 상기 각 롤(13)의 롤 축부(13c)를 각각 파동 기어 기구를 구비한 감속기(25)를 통해서 개개의 서보 모터(26)에 직결하는 동시에, 상기 감속기(25)를 각각 대응하는 주베어링 축상자(11)에 직결하고 있기 때문에, 각 서보 모터(26)가 구동되면, 상기 서보 모터(26)의 회전 동력은 그 축(26a)을 통해서 파동 기어 기구를 구비한 감속기(25)에 전달되고, 감속되어 각 롤(13)의 롤 축부(13c)에 전달되고, 그 결과, 각 롤(13)은 독자적으로 회전된다. 이 때, 상기 서보 모터(26)의 속도 변동은 약±0.01% 정도로 낮은 값이기 때문에 서보 모터(26)에 의한 진동이 적은 동시에, 서보 모터(26)의 축(26a)이 파동 기어 기구를 구비한 감속기(25)에 직결되어 있어 기어의 백래시나 이음매(joint)의 클리어런스 등에 의한 래틀이 없기 때문에, 진동이 적은 회전력이 파동 기어 기구를 구비한 감속기(25)에 전달된다. 또, 파동 기어 기구를 구비한 감속기(25)는 백래시가 지극히 미소한 감속기이며, 따라서 서보 모터(26)의 회전력은 극력 진동을 제압할 수 있는 상태로 롤(13)에 전달되게 되고, 따라서 롤(13)은 진동하지 않고 안정적으로 회전된다.
또한, 상기 원호 형상의 금형(14)의 설치부의 차이에 따른 성형 영역에서의 탄성 변형의 차이에 따라서, 성형 영역에서의 압입량을 임의로 변경 가능하게 하고, 피성형재(1A)의 길이 방향 성형량이 일정해지는 패턴 제어를 행하는 것도 가능하다. 예를 들면, 상기 금형(14)의 설치부가, 도 5에 도시하는 바와 같이, 롤(13)의 평면으로 된 외주부에 대하여 밀착되는 형식의 경우에, 중앙의 키(15) 설치부의 직하에서 상기 피성형재(1A)를 형성할 때는, 상기 키(15) 설치부 부근은 스프링 정수가 작고, 오목 변형이 커지기 때문에, 푸시업 실린더(17)의 신장량을 St보다 증가시키고, 상기 롤(13) 사이의 갭을 통상의 설정값 ga보다 줄이도록 압입이 자유로운 패턴으로 압하를 할 수 있다.
이렇게 하여, 상술한 바와 같은 피성형재 되감기기(40)와 진입각 조절 장치(50)와 세퍼레이터 성형 밀(60)과 핀치 롤 장치(70)와 플라잉 시어(80)와 에지 반송 가이드 롤러(90)를 구비한 고체 고분자형 연료전지용 세퍼레이터 제조 설비를 사용하도록 하면, 생산 효율을 저하시키지 않고, 금속 박판으로 이루어지는 피성형재(1A)를 정밀도 좋게 성형할 수 있고, 고정밀도의 세퍼레이터를 효율 좋게 제조할 수 있다.
또한, 본 발명의 고체 고분자형 연료전지용 세퍼레이터 제조 방법 및 설비는, 상기한 실시예에만 한정되는 것이 아니라, 본 발명의 요지를 일탈하지 않는 범위 내에서 여러가지 변경을 가할 수 있는 것은 물론이다.
1 : 세버레이터
1A : 피성형재
1B : 피성형재 코일
1a : 볼록부
1b : 오목부
7 : 수소 유료(유료)
8 : 공기 유료(유료)
9 : 냉각수 유료(유료)
10 : 하우징
11 : 주베어링 축상자
12 : 주베어링
13 : 롤
13a : 롤 본체부
13b : 네크부
13c : 롤 축부
14 : 금형
14a : 오목부
14b : 볼록부
17 : 푸시업 실린더
17a : 작동 신호
18 : 상시 래틀 제거 실린더
18a : 작동 신호
19 : 상시 래틀 제거 실린더
19a : 작동 신호
20 : 보조 베어링
21 : 비성형시 래틀 제거 실린더
21a : 작동 신호
22 : 보조 베어링 커버
23 : 하중 검출기
23a : 성형 하중
24 : 제어기
25 : 감속기
26 : 서보모터
27 : 웨이브 제너레이터
29 : 플렉스플라인
30 : 서큘러 스플라인
40 : 피성형재 되감기기
50 : 진입각 조절 장치
60 : 세퍼레이터 성형 밀
70 : 핀치 롤 장치
80 : 플라잉 시어
90 : 에지 반송 가이드 롤러

Claims (5)

  1. 피성형재 코일로부터 피성형재 되감기기에 의해 되감긴 피성형재를 사행 제어하면서 그 경사 각도를 진입각 조절 장치로 조절하여 세퍼레이터 성형 밀로 유도하고, 상기 세퍼레이터 성형 밀의, 표면에 오목부 및 볼록부가 형성된 성형 영역과, 오목부 및 볼록부가 형성되지 않는 비성형 영역을 원주 방향에 교대로 갖고 또한 상하에 대향 배치된 한 쌍의 롤간에 상기 피성형재를 도입하여 압하함으로써, 상기 오목부 및 볼록부에 대응하는 유로가 형성된 세퍼레이터를 연속적으로 성형하고, 상기 세퍼레이터 성형 밀로 성형된 세퍼레이터의 양 폭 단부를 핀치 롤 장치로 협지하여 송출하면서 장력 제어하고, 상기 핀치 롤 장치에 의해 송출되는 세퍼레이터를 정지시키지 않고 그 유로가 형성되지 않은 부분에 있어서 플라잉 시어로 절단하는 고체 고분자형 연료전지용 세퍼레이터 제조 방법.
  2. 피성형재가 권취된 피성형재 코일을 되감기하면서 사행 제어 가능한 피성형재 되감기기와,
    상기 피성형재 되감기기에 의해 피성형재 코일로부터 되감긴 피성형재의 경사 각도를 조절 가능한 진입각 조절 장치와,
    표면에 오목부 및 볼록부가 형성된 성형 영역과, 오목부 및 볼록부가 형성되지 않는 비성형 영역을 원주 방향에 교대로 갖고 또한 상하에 대향 배치된 한 쌍의 롤간에, 상기 진입각 조절 장치에 의해 진입각이 조절된 피성형재를 도입하여 압하함으로써, 상기 오목부 및 볼록부에 대응하는 유로가 형성된 세퍼레이터를 연속적으로 성형하는 세퍼레이터 성형 밀과,
    상기 세퍼레이터 성형 밀로 성형된 세퍼테이터의 양 폭 단부를 협지하여 송출하면서 장력 제어 가능한 핀치 롤 장치와,
    상기 핀치 롤 장치에 의해 송출되는 세퍼레이터를 정지시키지 않고 그 유로가 형성되지 않은 부분에 있어서 절단하는 플라잉 시어를 구비한 고체 고분자형 연료전지용 세퍼레이터 제조 설비.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 세퍼레이터 성형 밀의 출구측에, 세퍼레이터의 양 폭 단부를 지지하는 에지 반송 가이드 롤러를 배치한 고체 고분자형 연료전지용 세퍼레이터 제조 설비.
  4. 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서, 상기 세퍼레이터 성형 밀이,
    상기 롤간의 갭을 조절 가능한 푸시업 실린더와,
    상기 롤의 하우징과 주베어링 축상자 사이에, 상하 방향 및 수평 방향의 래틀을 없애도록 배치되는 상시 래틀 제거 실린더와
    상기 롤의 네크부에 끼워 장착되는 보조 베어링과,
    상기 보조 베어링간에, 상기 롤과 주베어링 사이의 래틀을 없애도록 배치되는 비성형시 래틀 제거 실린더와,
    성형 하중을 검출하는 하중 검출기와,
    상기 하중 검출기로 검출되는 성형 하중에 기초하여, 상기 푸시업 실린더와 상시 래틀 제거 실린더와 비성형시 래틀 제거 실린더에 각각 작동 신호를 출력하고, 상기 롤의 하우징과 주베어링 축상자 사이의 래틀 제거를 상시 행하면서, 상기 비성형 영역에 있어서의 롤과 주베어링 사이의 래틀 제거와, 상기 성형 영역에 있어서의 피성형재의 성형을 반복하여 행하는 제어기를 구비한 고체 고분자형 연료전지용 세퍼레이터 제조 설비.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 각 롤의 롤 축부에 각각 파동 기어 기구를 구비한 감속기를 통해서 개개의 서보 모터를 직결하는 동시에, 상기 감속기를 각각 대응하는 주베어링 축상자에 직결한 고체 고분자형 연료전지용 세퍼레이터 제조 설비.
KR1020117003893A 2008-07-25 2009-07-23 고분자형 전해질 연료전지에서 사용하기 위한 세퍼레이터 제조 방법 및 설비 KR101249714B1 (ko)

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