KR101658767B1 - 연료전지 분리판 성형용 금형 및 그를 이용한 연료전지 분리판 및 연료 전지 - Google Patents

연료전지 분리판 성형용 금형 및 그를 이용한 연료전지 분리판 및 연료 전지 Download PDF

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Abstract

본 발명은 에 관한 것으로서, 연료전지 분리판 성형용 금형은 복수의 제1 코어를 구비하여, 제1 코어 배면에 적어도 하나의 제1 히터를 구비하는 고정금형; 및 고정금형과 마주보도록 배치되며, 복수의 제2 코어를 구비하고, 제2 코어 배면에 적어도 하나의 제2 히터를 구비하는 가동금형;을 포함하며, 제1 히터 및 제2 히터는 가동금형과 고정금형이 서로 맞물릴 때, 각각 제1 코어와 제2 코어에서 떨어지며, 가동금형과 고정금형의 맞물린 면이 떨어질 때, 제1 코어와 제2 코어에 이웃하며, 고정금형과 가동금형에서 성형된 성형품을 분리한 후, 다음 성형재를 투입하기 이전에 제1 코어 및 제2 코어 중 적어도 하나를 예열한다.
본 발명에 따르면, 연료전지 분리판의 사출성형에 적정한 온도까지 코어를 가열하고 원활한 분리를 위해 적정한 온도까지 냉각 시키기 위해 스팀과 전기히터를 적용하여 가열과 냉각 효율을 높일 수 있어 연료전지 분리판 성형능을 성형 성능이 우수한 연료전지 분리판 및 연료 전지를 제공할 수 있다.

Description

연료전지 분리판 성형용 금형 및 그를 이용한 연료전지 분리판 및 연료 전지{Molding apparatus for fuel cell separator and the fuel cell separator using the same and fuel cell using the same}
본 발명은 연료전지 분리판 성형용 금형 및 그를 이용한 연료전지 분리판 및 연료 전지에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 연료전지 분리판의 사출성형에 적정한 온도까지 코어를 가열하고 원활한 이형을 위해 적정한 온도까지 냉각 시킬 수 있는 연료전지 분리판 성형용 금형 및 그를 이용한 연료전지 분리판 및 연료 전지에 관한 것이다.
이산화탄소 배출로 인한 환경오염 문제를 해결하기 위하여 태양광, 풍력, 연료전지 등의 그린에너지 개발에 전세계가 앞 다투어 뛰어 들고 있다. 이중 외부 환경에 영향을 받지 않고, 물 이외에 배출물이 전혀 발생하지 않는 연료전지가 주목을 받고 있다.
연료전지는 작동 조건에 따라 PEMFC, DMFC, PAFC, SOFC 등으로 나뉘지만, 작동에 필요한 구성은 크게 스택, 개질기, 전력변환기로 되어있다. 그 중에서 스택은 수내지 수십장의 셀(cell)로 이루어져 있는데, 각 셀은 분리판과 막 전해질 조립체(membrane electrolyte assembly: MEA)로 구성된다. 이 중 핵심 기술인 분리판은 막 전해질을 기준으로 수소극과 공기극으로 구분되는데, 스택을 지지하는 지지체로서의 역할을 하기 위해 기계적 강도가 우수해야 하며, 동시에 전기적 특성을 가져야 하는 등 연료전지 시스템에서 기술력이 크게 요구되는 부품이다.
분리판은 소재 측면에서 흑연괴, 금속, 탄소복합재로 나뉘며, 흑연괴의 경우 가공비용 면에서 금속분리판의 경우 부식 문제의 측면에서 해결해야 할 과제가 남아 있다. 반면 탄속복합재 성형 분리판의 경우 비용이 저렴할 뿐만 아니라 부식 발생의 문제도 없어 활발한 연구가 진행되고 있다.
탄소복합재 분리판은 열경화성 수지 또는 열가소성 수지를 전도성 필러와 혼합 혹은 혼련하여 만든 소재를 이용하여 성형하며, 열경화성 수지를 이용한 소재의 경우 주로 압축프레스를 사용하여 성형하고 열가소성 수지를 이용한 소재의 경우 압축프레스와 사출성형기를 모두 이용하여 성형할 수 있다. 그러나 열경화성 수지를 이용한 압축 성형의 경우 열가소성 수지를 이용한 사출성형에 비해 사이클 타임이 길어 대량생산 및 양산화에는 어려움이 있다.
분리판의 성형시간 단축과 대량 생산을 위해서는 사출성형기술을 개발하여야 하는데 이 또한 과량의 전도성 필러로 인해 흐름성이 떨어지는 분리판 소재의 특성상 금형이 150℃ 이상의 고온 상태를 유지해야 하는데 이 경우 제품의 냉각이 월활이 이루어지지 않을 수 있다.
한국등록특허 10-0792077호(등록일: 2007년12월28일)
본 발명의 목적은 연료전지 분리판의 사출성형에 적정한 온도까지 코어를 가열하고 원활한 분리를 위해 적정한 온도까지 냉각시키기 위해 가열과 냉각 효율을 높여서 성형 성능을 높일 수 있는 연료전지 분리판 성형용 금형 및 그를 이용한 연료전지 분리판 및 연료 전지를 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 분리판 성형용 금형은 복수의 제1 코어를 구비하여, 제1 코어 배면에 적어도 하나의 제1 히터를 구비하는 고정금형; 및 고정금형과 마주보도록 배치되며, 복수의 제2 코어를 구비하고, 제2 코어 배면에 적어도 하나의 제2 히터를 구비하는 가동금형;을 포함하며, 제1 히터 및 제2 히터는 가동금형과 고정금형이 서로 맞물릴 때, 각각 제1 코어와 제2 코어에서 떨어지며, 가동금형과 고정금형의 맞물린 면이 떨어질 때, 제1 코어와 제2 코어에 이웃하며, 제1 코어와 상기 제2 코어 사이에서 성형된 성형품을 분리한 후, 다음 성형재를 투입하기 이전에 제1 코어 및 제2 코어 중 적어도 하나를 예열한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 분리판 성형용 금형의 제1 코어 또는 제2 코어는 각각 배면에 적어도 하나의 냉각 배관이 배치될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 분리판 성형용 금형의 제1 히터 또는 제2 히터는 각각 제1 코어 또는 제2 코어의 배면과 3mm 내지 10mm 이격되어 배치될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 분리판 성형용 금형의 제1 히터 또는 제2 히터는 10㎠ 내지 20㎠의 가열면적을 가지며, 제1 코어 또는 제2 코어의 형상에 따라 가열면적의 레이아웃이 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 분리판 성형용 금형의 제1 코어 및 제2 코어는 각각 제1 히터 및 제2 히터에 의해서 30 ~ 40초에서 170도 이상에서 가열될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 분리판 성형용 금형의 제1 코어 및 제2 코어는 냉각배관에 의해서 5~10초에서 135도 이하로 냉각될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 분리판 성형용 금형의 가동금형은 유압 또는 공압에 의해서 이동하여 고정금형과 맞물리거나 이격되어 이동될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 분리판 성형용 금형의 제1 히터 또는 제2 히터는 가열하는 판면이 사각형 형상으로 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 분리판은 연료전지 분리판 성형용 금형을 통하여 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지는 연료 전지판 성형 금형에 의해 형성될 수 있다.
본 발명에 의한 연료전지 분리판 성형용 금형 및 그를 이용한 연료전지 분리판 및 연료 전지는 연료전지 분리판의 사출성형에 적정한 온도까지 코어를 가열하고 원활한 분리를 위해 히터와 냉각배관을 적용하여 가열과 냉각 효율을 높여 성능이 우수한 연료전지 분리판 성형용 금형을 제공하고 이를 통하여 성형능을 연료전지 분리판 및 연료 전지를 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 분리판 성형용 금형의 고정 금형을 나타내는 평면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 분리판 성형용 금형의 가동 금형을 나타내는 평면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 분리판 성형용 금형에 냉각배관이 설치된 것을 나타내는 사진이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 분리판 성형용 금형에서 히터의 동작상태를 나타내는 개념도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 분리판 성형용 금형과 비교예의 성능을 비교하는 그래프이다.
도 6a 및 도 6b는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 분리판 성형용 금형과 비교예의 성형용 금형을 이용하여 성형한 연료 전지판을 비교한 사진이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 이때, 첨부된 도면에서 동일한 구성 요소는 가능한 동일한 부호로 나타내고 있음에 유의한다. 또한, 본 발명의 요지를 흐리게 할 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략할 것이다. 마찬가지 이유로 첨부 도면에 있어서 일부 구성요소는 과장되거나 생략되거나 개략적으로 도시되었다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 분리판 성형용 금형의 고정 금형을 나타내는 평면도이며, 도2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 분리판 성형용 금형의 가동 금형을 나타내는 평면도이며, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 분리판 성형용 금형에 냉각배관이 설치된 것을 나타내는 사진이며, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 분리판 성형용 금형에서 히터의 동작상태를 나타내는 개념도이다.
도 1 내지 도 3을 참조하여 설명하면, 연료전지 분리판 성형용 금형은 고정금형(100) 및 가동금형(200)을 구비한다.
고정금형(100)은 복수의 제1 코어(110, 120)를 구비하며, 복수의 코어(110, 120) 배면에는 적어도 하나의 제1 히터(111, 121)를 구비한다. 제 1 코어(110, 120)에는 연료전지 분리판을 성형하기 위한 판면(140)이 형성되어 있다. 본 실시예에서는 도1에 도시된 바와 같이, 좌측과 우측의 제1 코어(110, 120) 각각에 제1 히터(111, 121)가 복수로 구비되었으나 히터의 개수가 이에 제한되는 것은 아니며, 제1 코어(110, 120)의 가열온도의 설정 값에 따라 배열의 방법 및 구비되는 숫자를 변경시킬 수 있다.
제1 히터(111,121)의 가열면적은 10 ~ 20㎠일 수 있으나 그 가열면적이 이에 제한되는 것은 아니다. 본 실시예에서 제1 히터(111)의 가열하는 판면의 형상은 사각형으로 형성되었으나 삼각형, 원형 등 다양한 형상으로 적용될 수 있는 것으로서 그 형상이 이에 제한되는 것은 아니다.
이렇게 고정금형(100)에 복수의 제1 히터(111, 121)가 배열되면 제1 코어(110, 120)의 온도를 빠르게 상승시킬 수 있으므로, 연료전지 분리판의 성형품의 품질을 높일 수 있다.
또한, 서로 이웃하여 배치되는 제1 코어(110, 120)의 중앙에 추가적으로 보조 제1 히터(131)를 구비할 수 있으며, 보조 제1 히터(131)는 상기 설명한 제1 히터(111,121)와 동일한 가열면적 및 형상으로 형성될 수 있다.
제1 코어(110, 120)는 복수의 제1 히터(111, 121) 및 보조 제1 히터(131)에 전원을 공급하는 커넥터(140)를 구비할 수 있다.
가동금형(200)은 고정금형(100)과 마주보도록 배치되며, 고정금형(100)의 연료전지 분리판 판면(130)을 향하여 유압 또는 공압에 의해서 이동할 수 있다. 가동금형(200)은 복수의 제2 코어(210, 220)를 구비하며, 복수의 제2 코어(210, 220) 배면에는 적어도 하나의 제2 히터(211, 221)를 구비한다. 제2 코어(210, 220)에는 연료전지 분리판을 성형하기 판면이 형성된다.
본 실시예에서는 도 2에 도시된 바와 같이, 좌측과 우측의 제2 코어(210, 220) 각각에는 제2 히터(211, 221)가 4개씩 구비되었으나 히터의 개수가 이에 제한되는 것은 아니며, 제2 코어(210, 220)의 가열온도의 설정 값에 따라 배열의 방법 및 구비되는 숫자를 변경시킬 수 있다.
제2 히터(211,221)의 가열면적 및 형상은 상기 설명한 제1 히터(111, 121)와 동일하므로 이하 자세한 내용은 생략한다. 또한, 서로 이웃하여 배치되는 제2 코어(210, 220)의 중앙위치에 추가적으로 보조 제2 히터(231)를 구비할 수 있다.
이렇게 가동금형(200)의 복수의 제2 히터(211,221)가 배열되면, 제2 코어(210, 220)의 온도를 빠르게 상승시킬 수 있으므로, 연료전지 분리판의 성형품의 품질을 높일 수 있다.
제2 코어(210, 220)는 복수의 제2 히터(211,221) 및 보조 제2 히터(231)에 전원을 공급하는 커넥터(240)를 구비할 수 있다.
가동금형(200)이 고정금형(100)을 향해 이동하여, 가동금형(200)과 고정금형(100)이 서로 맞물리게 되면, 제1 히터(111,121)와 제2 히터(211,221)는 각각 제1 코어(110, 120)와 제2 코어(210, 220)에서 접촉이 해제된다. 반대로 가동금형(200)과 고정금형(100)이 서로 맞물린 면이 떨어지게 되면, 제1 히터(111,121)와 제2 히터(211,221)는 각각 제1 코어(110, 120)와 제2 코어(210, 220)에 이웃하게 된다.
가동금형(200)은 맞물리거나 맞물림이 해제될 때, 이를 안내하여 정확한 가동금형(200)의 이동을 안내할 수 있는 가이드핀(112) 및 가이드판(113)이 구비할 수 있다.
제1 히터(111,121)와 제2 히터(211,221)는 제1 코어(110, 120)와 제2 코어(210, 220)의 배면에서 3mm 내지 10mm 이격되어 배치될 수 있다. 이로 인하여 제1 코어(110, 120)와 제2 코어(210, 220) 사이에서 성형되는 연료전지 성형판이 과도한 열에 의해서 눌러붙는 것을 방지할 수 있다. 이때 제1 히터(111,121) 및 제2 히터(211,221)는 30 ~ 40초에서 제1 코어(110, 120)와 제2 코어(210, 220)를 각각 가열할 수 있다. 설정된 가열시간으로 가열하면 제1 코어(110, 120)와 제2 코어(210, 220)를 170도까지 빠르게 온도를 올릴 수 있어 연료전지 분리판의 품질을 높일 수 있다.
제1 코어(110, 120)와 제2 코어(210, 220)는 복수의 냉각배관(130)을 구비할 수 있다. 냉각배관(130)은 성형된 연료전지판을 분리할 때, 제1 코어(110, 120)와 제2 코어(210, 220)를 5 ~10초 사이에서 130도 이하로 냉각하여 분리를 용이하게 할 수 있다. 제1 코어(110, 120)와 제2 코어(210, 220)의 온도가 빠르게 냉각되므로 제1 코어(110, 120)와 제2 코어(210, 220) 사이에서 성형된 연료 전지판의 분리를 빠르게 할 수 있다.
이때, 제1 히터(111,121)와 제2 히터(211,221)는 고정금형(100)과 상기 가동금형(200)에서 성형된 연료전지판을 분리한 후, 다음 성형재를 투입하기 이전에 제1 코어(110, 120) 및 제2 코어(210, 220) 중 적어도 하나를 예열할 수 있다. 따라서 작업시간을 단축함으로써 연료전지판의 생산성을 향상시킬 수 있다.
본 발명의 연료전지 분리판 성형용 금형을 통하여 전도성 filter 가 82% 중량 %, PP 수지가 18% 구성된 연료전지 분리판을 형성할 수 있으며, 이러한 연료전지 분리판에 의해서 연료전지를 제조할 수 있는 것은 자명한 사실이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 분리판 성형용 금형과 비교예의 성능을 비교하는 그래프이며, 도 6a 및 도 6b는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 분리판 성형용 금형과 비교예의 성형용 금형을 이용하여 성형한 연료전지판을 비교한 사진이다.
그래프에 도시된 바와 같이, 실시예는 본 발명에 의해 시간에 따른 코어의 온도상승을 나타내는 것이며, 비교예는 종래 기술의 시간에 따른 코어의 온도상승을 나타내는 것이다. 비교예는 금형내 코어의 온도가 성형시간 40초가 경과한 후에도 130℃를 넘지 못하는 것으로 나타났으나, 실시예의 경우 170℃에 도달하는 것으로 나타났다. 이렇게 코어의 온도를 빠르게 상승시킴으로 인해서 도 6a 및 도 6b에 나타난 바와 같이, 본 발명에 의한 연료 전지판의 성형품질은 비교예의 경우 보다 우수한 것으로 나타났다.
한편, 본 명세서와 도면에 개시된 본 발명의 실시예들은 본 발명이 기술 내용을 쉽게 설명하고 본 발명의 이해를 돕기 위해 특정 예를 제시한 것일 뿐이며, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시예들 이외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형예들이 실시 가능하다는 것은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것이다.
100 : 고정금형 110, 120 : 제1 코어
111, 121 : 제1 히터 200 : 가동금형
210, 220 : 제2 코어 211, 221 : 제2 히터

Claims (10)

  1. 복수의 제1 코어를 구비하여, 상기 제1 코어 배면에 적어도 하나의 제1 히터를 구비하는 고정금형; 및
    상기 고정금형과 마주보도록 배치되며, 복수의 제2 코어를 구비하고, 상기 제2 코어 배면에 적어도 하나의 제2 히터를 구비하는 가동금형;을 포함하며,
    상기 제1 히터 및 상기 제2 히터는,
    상기 가동금형과 상기 고정금형이 서로 맞물릴 때, 각각 상기 제1 코어와 상기 제2 코어에서 떨어지며, 상기 가동금형과 상기 고정금형의 맞물린 면이 떨어질 때, 상기 제1 코어와 상기 제2 코어에 이웃하며,
    상기 제1 코어와 상기 제2 코어 사이에서 성형된 성형품을 분리한 후, 다음 성형재를 투입하기 이전에 상기 제1 코어 및 제2 코어 중 적어도 하나를 예열하는 것을 특징으로 하는 연료전지 분리판 성형용 금형.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 히터 또는 상기 제2 히터는,
    각각 상기 제1 코어 또는 제2 코어의 배면과 3mm 내지 10mm 이격되어 배치되는 것을 특징으로 하는 연료전지 분리판 성형용 금형.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1 히터 또는 상기 제2 히터는,
    10㎠ 내지 20㎠의 가열면적을 가지며, 상기 제1 코어 또는 제2 코어의 형상에 따라 가열면적의 레이아웃이 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지 분리판 성형용 금형.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1 코어 및 상기 제2 코어는,
    각각 상기 제1 히터 및 상기 제2 히터에 의해서 30 ~ 40초에서 170도 이상에서 가열되는 것을 특징으로 하는 연료전지 분리판 성형용 금형.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제1 코어 또는 상기 제2 코어는,
    각각 배면에 적어도 하나의 냉각배관이 배치되는 것을 특징으로 하는 연료전지 분리판 성형용 금형.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제1 코어 및 상기 제2 코어는,
    상기 냉각배관에 의해서 5~10초에서 135도 이하로 냉각되는 것을 특징으로 하는 연료전지 분리판 성형용 금형.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 가동금형은,
    유압 또는 공압에 의해서 이동하여 상기 고정금형과 맞물리거나 이격되어 이동는 것을 특징으로 하는 연료전지 분리판 성형용 금형.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제1 히터 또는 상기 제2 히터는,
    가열하는 판면이 사각형 형상으로 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지 분리판 성형용 금형.
  9. 삭제
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