KR102397872B1 - 연료전지용 분리판 제조 방법 - Google Patents

연료전지용 분리판 제조 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 소정 길이가 평평하게 형성되고 상부로 돌출된 랜드부와 상기 랜드부에서 일체로 연결되어 소정 길이가 평평하게 형성되고 하부로 함몰된 채널부로 구성된 유로가 형성된 연료전지용 분리판 제조 방법으로써,
분리판용 금속 박판을 준비하는 준비 단계; 상기 금속 박판에 유로를 성형하는 유로 성형 단계; 및 상기 금속 박판의 측면을 타공하여 연료 주입 입출구용 홀을 성형하는 피어싱 단계를 포함하고,
상기 유로 성형 단계는, 제1 금형을 이용하여 돌출부 및 오목부를 성형하는 1차 성형 단계; 및 제2 금형을 이용하여 상기 돌출부 및 오목부를 가압하여 상기 랜드부 및 채널부의 최종 형상을 성형하는 2차 성형 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

연료전지용 분리판 제조 방법{METHOD OF MANUFACTURING METAL SEPERATOR FOR FUEL CELL}
본 발명은 연료전지용 분리판 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 예비 성형 고정을 통해 유로 채널 단면 감소를 최소화할 수 있는 연료전지용 분리판 제조 방법에 관한 것이다.
연료전지(Cell)는 연료와 산화제를 전기화학적으로 반응시켜 전기에너지를 발생시키는 장치이며, 연료전지의 스택(stack)은 약 440개의 셀로 구성되며, 각 셀은 금속분리판과 이를 밀폐시키는 가스켓, 기체확산층(GDL), 막전극접합체(MEA)를 포함하여 구성된다.
연료전지는 사용되는 전해질의 종류에 따라 폴리 전해질막 연료전지, 직접 메탄올 연료전지, 인산형 연료전지, 용융탄산염 연료전지, 고체 산화물 연료전지 등이 있다.
이들 연료전지의 상용화를 앞당기고 확대하기 위해서는 전체 연료전지 시스템의 소형화, 경량화, 저렴화 등이 이루어져야 하며 이를 위해 가장 시급히 개선해야 할 부품이 바로 분리판이다.
분리판은 연료전지의 핵심부품으로서 기체확산층과 막전극접합체를 지지하는 지지대 기능을 수행하는 동시에 외부에서 공급된 수소와 산소가 서로 섞이지 않고, 각 전극 내부로 균일하게 공급되도록 하는 기능을 수행한다
분리판에는 연료(수소) 및 공기를 전극에 공급하기 위한 유로가 형성되며, 연료전지 반응시에 나타나는 강산성 분위기에 견딜 수 있도록 높은 내식성이 요구된다.
분리판은 유로를 용이하게 성형할 수 있도록 성형성이 높아야 하며, 전기 및 열의 전도율이 높고 충분한 기계적 강도를 가져야 한다.
특히 분리판의 유로는 그 형상이 매우 미세하여 이러한 유로 형상을 두께가 얇은 박판형의 소재에 성형하는 과정은 고도의 정밀성이 요구된다.
분리판에 유로를 형성하는 방법으로 프레스 금형을 이용한 방법이 널리 이용되고 있다.
하지만 금속 분리판의 두께가 매우 얇기 때문에 프레스로 가공할 경우 금속판이 손상될 우려가 있다.
(01) 대한민국 공개특허공보 제10-2020-0022998호, 연료전지 분리판 조립체 제조방법, 공개일 : 2020.03.04 (02) 대한민국 공개특허공보 제10-2012-0090361호, 매니폴더 위치의 일치 조절을 통해 개선된 품질을 갖는 연료전지 제조 장치 및 그 방법, 공개일:2012.08.17
본 발명은 연료전지용 분리판의 유로 형성시 금속 박판이 손상되는 것을 방지할 수 있는 연료전지용 분리판 제조 방법을 제공하고자 한다.
본 발명은 연료전지용 분리판 유로 형성시 유로 채널의 단면 감소를 최소화할 수 있는 연료전지용 분리판 제조 방법을 제공하고자 한다.
본 발명은 소정 길이가 평평하게 형성되고 상부로 돌출된 랜드부와 상기 랜드부에서 일체로 연결되어 소정 길이가 평평하게 형성되고 하부로 함몰된 채널부로 구성된 유로가 형성된 연료전지용 분리판 제조 방법으로써,
분리판용 금속 박판을 준비하는 준비 단계; 상기 금속 박판에 유로를 성형하는 유로 성형 단계; 및 상기 금속 박판의 측면을 타공하여 연료 주입 입출구용 홀을 성형하는 피어싱 단계를 포함하고,
상기 유로 성형 단계는, 제1 금형을 이용하여 돌출부 및 오목부를 성형하는 1차 성형 단계; 및 제2 금형을 이용하여 상기 돌출부 및 오목부를 가압하여 상기 랜드부 및 채널부의 최종 형상을 성형하는 2차 성형 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시예에서, 상기 제1 금형은 제1 산과 제1 골이 연속적으로 형성된 제1 하부금형 및 제1 상부금형을 포함하고, 상기 제1 산은 원형으로 형성된 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시예에서, 상기 제2 금형은 제2 산과 제2 골이 연속적으로 형성된 제2 하부금형 및 제2 상부금형을 포함하고, 상기 제2 산과 제2 골은 상기 랜드부와 채널부의 형상과 동일하게 형성된 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시예에서, 상기 제2 산의 양쪽 모서리에는 돌기가 형성되고, 상기 돌기 사이에는 평탄부가 형성된 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시예에서, 상기 1차 성형 단계는 상기 하부 금형과 상부 금형이 서로 닿지 않도록 가압하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시예에서, 상기 제1 산의 곡률반경은 유로의 피치 거리에 비례하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시예에서, 상기 제1 산의 곡률반경은 유로의 랜드부 또는 채널부 폭의 1/2 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시예에서, 상기 1차 성형 단계는 금속 박판의 중립면 전개 길이가 2차 성형시 금속 박판의 전개 길이와 동일한 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시예에서, 상기 1차 성형 단계는 금속 박판의 중립면 전개 길이가 2차 성형시 금속 박판의 전개 길이보다 10% 이내의 범위에서 짧게 형성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의하면, 연료전지용 분리판 제조시 1차 성형을 통해 집중 응력을 분산시켜 균일한 두께를 확보함으로써 미세 크랙이 발생하는 것을 방지할 수 있다.
또한, 본 발명에 의하면, 1차 성으로 대략적인 형상을 성형 후 2차 성형으로 최종 형상을 성형함으로써, 유로 형성시 굴절부에서 두께가 얇아지는 것을 방지할 수 있다.
또한, 본 발명에 의하면, 2차 성형시 금형에 공기가 빠질 수 있는 형상을 추가하여 공기의 압력에 의한 성형 하중을 낮추어 제품의 변형을 방지할 수 있다.
또한, 본 발명에 의하면 성형 하중을 감소시켜 국부적으로 재료가 감소되는 것을 방지할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 분리판을 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 분리판의 유로의 형상을 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 분리판 제조 방법을 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 분리판 제조에 사용되는 제1 금형을 나타낸 것으로, 도 4의 (a)는 성형 전, 도 4의 (b)는 성형 후를 나타낸 것이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 분리판 제조시 1차 성형과 2차 성형시의 금속 박판의 길이를 나타낸 것이다.
도 6은 제1 금형의 산의 곡률 반경과 그에 따른 산의 형상을 나타낸 것이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 분리판 제조에 사용되는 제2 금형을 나타낸 것으로, 도 7의 (a)는 성형 전, 도 7의 (b)는 성형 후를 나타낸 것이다.
도 8은 반응부/확산부의 두께 측정 위치를 나타낸 것으로, 도 8의 (a)는 두께 측정 위치를 나타낸 것이고, 도 8의 (b)는 각각의 위치에서의 유로 두께 측정 위치를 나타낸 것이다.
도 9는 도 8의 위치별 두께 측정 데이터를 나타낸 것이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
제1, 제2, A, B 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하 첨부된 도면을 참조하면 본 발명의 실시예에 대해 상세히 살펴본다.
본 발명의 실시예에 따른 분리판은 상부 분리판과 하부 분리판에 유로를 형성한 후 상하부 분리판을 접합하여 형성한다.
분리판의 유로를 성형하는 방법으로 프레스 금형을 이용한 방법이 이용될 수 있다. 하지만 금속판의 두께가 얇아지면서 프레스 금형을 이용하는 경우 금속판이 손상되는 문제가 발생하게 된다. 본 발명에서는 이러한 문제를 해결하고자 한다.
분리판(1)의 유로(10)는 소정 길이가 평평하게 형성되고 상부로 돌출된 랜드부(11)와 상기 랜드부에서 일체로 연결되어 소정 길이가 평평하게 형성되고 하부로 함몰된 채널부(12)로 구성된다.
본 발명에 따른 연료전지용 분리판 제조 방법은 분리판용 금속 박판을 준비하는 준비 단계(S100), 금속 박판의 모서리에 홀을 형성하는 파일럿 피어싱 단계(S200), 상기 금속 박판에 유로를 성형하는 유로 성형 단계(S300), 및 상기 금속 박판의 측면을 타공하여 연료 주입 입출구용 홀(15)을 성형하는 피어싱 단계(S400), 및 금속 박판의 테두리를 커팅하는 블랭킹 단계(S500)를 포함한다.
상기 파일럿 피어싱 단계(S200)는 금속 박판의 모서리에 홀을 형성하는 단계이다. 금속 박판의 모서리에 홀을 형성함으로써 가공 공정에서 소재의 위치를 정확하게 안내할 수 있다.
상기 유로 성형 단계(S300)는, 제1 금형(20)을 이용하여 돌출부 및 오목부를 성형하는 1차 성형 단계(S310); 및 제2 금형(30)을 이용하여 상기 돌출부 및 오목부를 가압하여 상기 랜드부(11) 및 채널부(12)의 최종 형상을 성형하는 2차 성형 단계(S320)를 포함할 수 있다.
상기 금속 박판의 두께는 대략 0.08mm 내지 0.10mm 일 수 있으며 스테인레스 박판 일 수 있다.
상기 유로 성형 단계(S300)는 예비 성형(1차)과 본 성형(2차)의 두 단계를 거쳐 형성될 수 있다.
상기 피어싱 단계(S400)는 분리판용 금속 박판의 가장자리를 타공하여 연료 주입 입출구용 홀(15)을 형성하는 단계이다. 상기 연료 주입 입출구용 홀(15)은 복수개 형성될 수 있으며, 연료 주입 입출구용 홀을 통해 수소, 산소, 및 냉각수가 유입될 수 있다.
1차 성형을 통해 유로의 대략적인 모양을 성형한 후 2차 성형을 통해 유로의 최종 모양을 성형함으로써 금속판이 손상되는 것을 방지할 수 있다.
상기 제1 금형(20)은 제1 산(21)과 제1 골(22)이 연속적으로 형성된 제1 하부금형(23)과 제2 상부금형(24)을 포함한다. 산은 금형에서 돌출된 부분이고, 골은 오목한 부분이다.
1차 성형 단계(S310)에서는 제1 하부금형(23) 위에 분리판용 금속 박판(1)을 위치시킨 후 제1 상부금형(24)으로 프레스하여 돌출부와 오목부를 성형할 수 있다. 1차 성형 후 돌출부의 높이는 최종 성형시 랜드부의 높이보다 높게 형성된다.
1차 성형 단계(S310)에서 제1 상부금형(24)은 하강할 때 제1 하부금형(23)과 닿지 않을 정도로 프레스하여 랜드부(11)에 대응되는 부분은 돌출되도록 하고 채널부(12)에 대응되는 부분은 함몰되게 하여 대략적인 형상만 형성할 수 있다.
1차 성형 후 유로가 형성되는 금속 박판의 전개 길이(l1)는 2차 성형 후 유로가 형성되는 금속 박판의 전개 길이(l2)와 같거나 10% 범위 내에서 짧게 형성될 수 있다. 본 발명에서 금속 박판의 전개 길이(l1, l2)는 중립면의 전개 길이를 의미한다. 중립면이란 금속 판에 힘을 가하여 굽힘 작업을 하더라도 그 내부에 수직 응력이 생기지 않는 면, 즉 신축하지 않는 면을 말한다.
1차 성형시 금속 박판의 전개 길이(l1)를 길게 하면 랜드부(11)의 평탄이 좋지 않을 우려가 있으므로 최종 성형의 전개 길이(l2)와 동일하게 하거나 10% 범위 내에서 짧게 유지되어야 한다. 1차 성형시 금속 박판의 전개 길이(l1)가 10% 범위를 벗어나 더 짧아지면 2차 성형시 인장 응력을 많이 받아 금속 박판이 손상될 우려가 있다.
상기 제1 금형(20)의 제1 산(21)의 곡률 반경(R)은 피치 길이에 비례하여 증가한다. 피치 길이는 랜드부와 채널부의 폭을 합산한 것을 의미한다.
제1 금형(20)에서 제1 산(21) 중 하부금형(23)에 형성된 제1 산(21-1)은 랜드부의 대응하고, 상부금형(24)에 형성된 제1 산(21-2)은 채널부에 대응한다. 따라서 제1 금형의 제1 산(21)은 랜드부 및 채널부의 폭에 따라 달라질 수 있다.
제1 산(21)의 곡률 반경(R)은 피치 길이에 비례하여 커진다.
따라서 랜드부와 채널부의 폭이 다른 경우, 제1 산(21)의 곡률 반경은 랜드부 및 채널부의 폭에 비례하여 커지며, 곡률 반경(R)의 최대값은 랜드부 및 채널부 폭의 1/2인 것이 바람직하다. 즉, 하부금형(23)에 형성된 제1 산(21-1)의 곡률 반경의 최대값은 랜드부 폭의 1/2인 것이 바람직하고, 상부금형(24)에 형성된 제1 산(21-2)의 최대 곡률 반경은 채널부 폭의 1/2인 것이 바람직하다. 곡률반경이 최대값 보다 작아지면 산의 상부에 평탄 구간이 발생하게 된다. 제1 산(21) 중에서 하부금형에 형성된 산은 랜드부에 대응되고, 상부금형에 형성된 산은 채널부에 대응된다. 즉, 하부금형의 산의 최대 곡률반경은 랜드부 폭의 절반인 것이 바람직하고, 상부금형의 산의 최대 곡률반경은 채널부 폭의 절반인 것이 바람직하다.
1차 성형 단계에서는 제1 산의 곡률반경을 최대한 크게 하여 국부적 두께 감소를 최소화하고, 중립면의 전개길이를 2차 성형시의 길이와 같거나 허용된 범위 내에서 짧게 하여 2차 성형에서 인장 응력을 최소화하여 2차 성형시 박판이 손상되는 것을 방지할 수 있다. 그리고 1차 성형시 돌출부의 높이는 2차 성형보다 높게 하여 돌출부가 금형의 평탄면에 먼저 닿게 하고 금형의 코너부가 닿는 시점을 최대한 늦춘다.
다음으로, 2차 성형 단계(S320)에 대해 살펴본다.
2차 성형 단계에서는 제2 금형(30)을 이용하여 최종 유로 형상을 성형한다.
상기 제2 금형(30)은 제2 산(31)과 제2 골(32)이 연속적으로 형성된 제2 하부금형(33) 및 제2 상부금형(34)을 포함한다. 상기 제2 산(31)과 제2 골(32)은 상기 랜드부와 채널부의 형상과 동일하게 형성될 수 있다.
상기 제2 산(31)의 양쪽 모서리에는 돌기(311)가 형성되고, 상기 돌기 사이에는 평탄부(312)가 형성될 수 있다.
상기와 같이 양쪽 모서리에 돌기(311)를 형성함으로써 평탄부(312)의 높이가 상대적으로 낮아지고 평탄부를 통해 공기가 빠져나갈 수 있다. 따라서 성형시 압력일 낮추어 제품의 변형 및 제품 표면에 불량을 최소화할 수 있다.
이하에서는 본 발명의 실시예에 따라 제조된 분리판의 효능에 대해 살펴보기로 한다.
도 8은 반응부/확산부의 두께 측정 위치를 나타낸 것이고, 도 9는 도 8의 위치별 두께 측정 데이터를 나타낸 것이다.
아래 표 1은 도 8의 위치에서의 두께 측정 결과를 나타낸 것으로, 본 발명의 실시예에 의한 경우와 유로를 한 번에 성형한 비교예를 나타낸 것이다.
본 실시예에서는 POSS 470FC로 두께는 80um의 매우 얇은 금속 박판이 사용되었다.
[표 1]
Figure 112021149071773-pat00001
위 표 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 의한 유로의 두께가 비교예보다 두꺼운 것을 확인할 수 있다. 즉, 두께가 두꺼우므로 파손의 우려도 낮아진다고 할 수 있다.
1번 위치에서는 실시예가 비교예보다 평균 6.088um 더 두껍고, 2번 위치에서는 실시예가 비교예보다 평균 14.717um 더 두껍다.
실시예가 비교예보다 두께가 두껍고, 단면적 감소도 최소화할 수 있다. 따라서 성형시 절곡 부분에 발생될 수 있는 파손을 최소화할 수 있다.
이상에서 실시예를 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 실시예에 구체적으로 나타난 각 구성 요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
10 : 유로 20 : 제1 금형
21 : 제1 산 22 : 제1 골
23 : 제1 하부금형 24 : 제1 상부금형
30 : 제2 금형 31 : 제2 산
32 : 제2 골 33 : 제2 하부금형
34 : 제2 상부금형

Claims (9)

  1. 소정 길이가 평평하게 형성되고 상부로 돌출된 랜드부와 상기 랜드부에서 일체로 연결되어 소정 길이가 평평하게 형성되고 하부로 함몰된 채널부로 구성된 유로가 형성된 연료전지용 분리판 제조 방법에 있어서,
    분리판용 금속 박판을 준비하는 준비 단계;
    상기 금속 박판에 유로를 성형하는 유로 성형 단계; 및
    상기 금속 박판의 측면을 타공하여 연료 주입 입출구용 홀을 성형하는 피어싱 단계를 포함하고,
    상기 유로 성형 단계는,
    제1 금형을 이용하여 돌출부 및 오목부를 성형하는 1차 성형 단계; 및
    제2 금형을 이용하여 상기 돌출부 및 오목부를 가압하여 상기 랜드부 및 채널부의 최종 형상을 성형하는 2차 성형 단계를 포함하고,
    상기 제1 금형은 제1 산과 제1 골이 연속적으로 형성된 제1 하부금형 및 제1 상부금형을 포함하고,
    상기 제1 산은 원형으로 형성되고,
    상기 1차 성형 단계는 금속 박판의 중립면 전개 길이가 2차 성형시 금속 박판의 전개 길이와 동일한 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판 제조 방법.
  2. 소정 길이가 평평하게 형성되고 상부로 돌출된 랜드부와 상기 랜드부에서 일체로 연결되어 소정 길이가 평평하게 형성되고 하부로 함몰된 채널부로 구성된 유로가 형성된 연료전지용 분리판 제조 방법에 있어서,
    분리판용 금속 박판을 준비하는 준비 단계;
    상기 금속 박판에 유로를 성형하는 유로 성형 단계; 및
    상기 금속 박판의 측면을 타공하여 연료 주입 입출구용 홀을 성형하는 피어싱 단계를 포함하고,
    상기 유로 성형 단계는,
    제1 금형을 이용하여 돌출부 및 오목부를 성형하는 1차 성형 단계; 및
    제2 금형을 이용하여 상기 돌출부 및 오목부를 가압하여 상기 랜드부 및 채널부의 최종 형상을 성형하는 2차 성형 단계를 포함하고,
    상기 1차 성형 단계는 금속 박판의 중립면 전개 길이가 2차 성형시 금속 박판의 전개 길이보다 10% 이내의 범위에서 짧게 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판 제조 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 제2 금형은 제2 산과 제2 골이 연속적으로 형성된 제2 하부금형 및 제2 상부금형을 포함하고,
    상기 제2 산과 제2 골은 상기 랜드부와 채널부의 형상과 동일하게 형성된 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판 제조 방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제2 산의 양쪽 모서리에는 돌기가 형성되고, 상기 돌기 사이에는 평탄부가 형성된 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판 제조 방법.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 1차 성형 단계는 상기 하부 금형과 상부 금형이 서로 닿지 않도록 가압하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판 제조 방법.
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 제1 산의 곡률반경은 유로의 피치 거리에 비례하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판 제조 방법.
  7. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 제1 산의 곡률반경은 유로의 랜드부 또는 채널부 폭의 1/2 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판 제조 방법.
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