KR20080051887A - 연료전지용 금속분리판의 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 연료전지용 금속분리판의 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 금속분리판의 기밀성을 유지하기 위해 종래의 분리판에 러버 시일을 삽입하여 접합한 경우에는 시일의 접착력에 따라 기밀성이 결정되고, 시일에 의한 접착작업이 수작업으로 이루어지는 번거로움이 있었으나, 이를 개선하기 위해 시밍과 컴파운더를 채용하여 분리판의 강성을 증가시키고, 자동화가 가능하고 대량생산이 용이하도록 한 연료전지용 금속분리판의 제조방법에 관한 것이다.
이를 위해, 본 발명은 두개의 평판을 요철형태로 성형하는 제1단계와; 상기 평판에 컴파운더를 도포하는 제2단계와; 상기 평판이 대칭되도록 맞대어 매칭시키는 제3단계와; 상기 평판의 양단부를 롤러에 의해 시밍하는 제4단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료전지용 금속분리판의 제조방법을 제공한다.
시밍, 롤러, 컴파운더

Description

연료전지용 금속분리판의 제조방법{Manufacturing method for metal seperator of fuel cell}
도 1은 본 발명에 따른 연료전지용 금속분리판의 접합순서를 나타내는 구성도이고,
도 2는 본 발명에 따른 접합방법에 의해 제조된 연료전지용 금속분리판의 일실시예를 나타내는 구성도이고,
도 3은 종래의 금속분리판의 접착구조를 나타내는 구성도이고,
도 4는 종래의 접합방법에 따라 제조된 금속분리판이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
10 : 제1평판 11 : 제2평판
12 : 냉각수 유로 13 : 수소유로
14 : 공기유로 15 : 컴파운더
16 : MEA 17 : 러버 시일
18 : 원뿔형 롤러 19 : 원통형 롤러
본 발명은 연료전지용 금속분리판의 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 금속분리판의 기밀성을 유지하기 위해 종래의 분리판에 러버 시일을 삽입하여 접합한 경우에는 시일의 접착력에 따라 기밀성이 결정되고, 시일에 의한 접착작업이 수작업으로 이루어지는 번거로움이 있었으나, 이를 개선하기 위해 시밍과 컴파운더를 채용하여 분리판의 강성을 증가시키고, 자동화가 가능하고 대량생산이 용이하도록 한 연료전지용 금속분리판의 제조방법에 관한 것이다.
소형 연료전지는 무공해 전원으로서 휴대전화, 무전기, 노트북 컴퓨터 및 기타 배터리를 사용하는 소형 휴대용 전자기기에서 수시로 충전이 필요한 배터리를 대체하거나, 야외에서 배터리를 충전하여 사용할 때 유용하여 전 세계적으로 많은 연구개발이 진행되고 있다.
즉, 소형 연료전지는 연료로 수소 또는 메탄올을 사용할 수 있으며, 연료가 공급되면 즉시 전력을 발생시킬 뿐만 아니라, 연료가 공급되는 한 전력을 계속 발생할 수 있으므로, 장시간 충전이 요구되는 배터리를 대체하거나, 별도의 전원이 없는 곳에서도 기존 배터리를 충전할 수 있는 것이다.
특히 수소는 휴대 가능한 연료인 LPG, 가솔린, 디젤 등의 연료를 소형 개질기를 통하여 얻을 수 있으므로, 일반 연료를 사용하는 휴대용 연료전지도 구성 가능하다.
지금까지 개발된 소형 휴대용 연료전지는 대부분 고분자 전해질막 또는 고체 산화물막 등 고체 전해질을 사용하고 있으며, 일부 알칼리 수용액 또는 용융탄산염 등 액체전해질을 사용하는 경우도 있다.
고분자 전해질 연료전지는 기본적으로 고분자 전해질막과 막의 양면에 코팅된 연료극층(anode layer) 및 공기극층(cathode layer), 그리고 이들 전극에 연료 및 공기를 공급해 주는 분리판으로 이루어진다.
전극층이 코팅된 전해질막을 전극-전해질 어셈블리 (membrane-electrode assembly, 이하 MEA라 칭하며, MEA의 연료극에서는 수소 또는 메탄올이 수소이온(H + )으로 전환되고, 연료극에서 생성된 수소이온은 전해질 막을 통하여 공기극 쪽으로 이동되어, 공기극에 공급되는 공기 중 산소와 반응하여 물을 생성한다.
이 과정에서 연료극에서 생성된 전자가 외부회로를 통하여 공기극으로 전달되어 소모됨으로써 전력이 발생된다. 즉, 고분자 전해질 연료전지는 수소와 산소의 화학적 에너지를 직접 전기 에너지로 변환시키는 역할을 하며, 실온에서도 작동이 가능하여 휴대용 연료전지로 적합하다.
실제로 사용되는 고분자 전해질 연료전지는 MEA와 분리판 여러 장을 서로 순차적으로 적층함으로써 구성된다. 이때, 분리판은 적층된 각각의 MEA에 수소와 공기가 균일하게 공급되도록 하고, 전기적으로는 MEA를 직렬 연결하는 역할을 한다.
현재 고분자 전해질 연료전지용 분리판 재료로는 전기전도도, 무게, 부식 등을 고려하여 그래파이트(graphite)가 가장 많이 사용되고 있다.
즉, 그래파이트 분말을 고온, 고압에서 판형으로 성형한 후 수지를 함침시켜 제작된 두께 2mm 이상의 그래파이트 판을 모재로 하여 이 판의 양면에 기계 가공으 로 가스 채널을 형성시키는 분리판 제작방법이 일반적으로 사용된다.
그러나 기계 가공에 의해 분리판을 제작할 경우 가공비가 높을 뿐만 아니라, 가공 시간이 길고, 특히 모재 두께가 3mm 이하인 경우에는 기계적 강도가 떨어져 가공이 매우 어려운 단점이 있다.
최근에는 파이버(fiber)로 강화된 두께 1∼2mm의 그래파이트 호일(foil)을 프레스로 압축하여 유로를 형성시킴으로써, 분리판 가공비를 절감하고 두께를 감소시키려는 시도가 있었다.
그러나 이러한 분리판 제작방법의 경우에도 유로가 형성된 얇은 그래파이트 분리판의 기계적 강도가 낮아 충격 또는 약간의 큰 힘이 가해질 경우 쉽게 파손되는 단점이 있다.
따라서, 그래파이트 분리판의 두께를 줄이는 데에는 한계가 있으며, 이는 소형 고분자 전해질 연료전지의 실용화에 있어서 장애 요인으로 작용하고 있다.
이러한 그래파이트 분리판의 단점을 해결하기 위하여 최근에는 금속재료를 사용하여 분리판을 제작하는 방법이 일부 시도되고 있다.
금속 제품을 분리판 재료로 사용할 경우 가공이 용이하여 제작 단가가 낮아지며, 분리판의 두께 또한 감소시킬 수 있다.
또한, 기존의 흑연분리판에 비해 전기전도도가 우수하고, 연료전지 전체 크기를 흑연판에 비해 40% 줄일 수 있어 차세대 연료전지용 분리판으로 현재 활발히 개발되고 있다.
상기 분리판은 수소, 공기 및 냉각수를 공급하기 위한 유로를 형성하고, MEA(16)를 지지하는 역할을 하며, 이와 같은 역할을 수행하기 위해 전기전도도 및 기밀성이 요구되고 있다.
그러나, 기밀성이 유지되지 않는 경우에는 냉각수 누설로 인한 MEA(16)가 오염되어 오염된 셀이 작동이 불가능하게 되고, 특히 수소 가스 누설로 인한 화재 위험이 발생할 가능성이 있다.
현재에는 기밀성을 유지하기 위해 도 4 및 도 5에 도시한 바와 같이 두개의 판을 요철모양으로 성형한 후, 상하판의 양단부에 러버계열 시일(100)(SEAL)을 삽입하고, 러버 시일(100)의 접착력을 이용하여 금속분리판의 기밀성 유지 및 상하판을 결합한다.
그러나, 종래의 제조방법에 따른 분리판 성형 후 시일 접착 및 제1 및 제2평판(10,11)의 접착은 수작업으로 이루어져 대량생산에 어려움이 있고, 인건비가 증가하는 요인이 되고 있다.
본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로서, 두개의 평판을 각각 성형한 후 하나의 분리판으로 접합함에 있어서, 상판 및 하판의 양단부 사이에 컴파운더를 도포한 후, 시밍작업을 통해 접착시킴으로써, 기밀성을 유지할 수 있고, 성형 변형 보정이 가능하고 스택 적층이 용이하여 분리판의 강성을 증가시킬 수 있고, 자동화가 가능하고 대량생산이 용이한 연료전지용 금속분리판의 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 연료전지용 금속분리판의 제조방법에 있어서,
두개의 평판을 요철형태로 성형하는 제1단계와; 상기 평판에 컴파운더를 도포하는 제2단계와; 상기 평판이 대칭되도록 맞대어 매칭시키는 제3단계와; 상기 평판의 양단부를 롤러에 의해 시밍하는 제4단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
바람직한 구현예로서, 상기 제2단계는 컴파운더 도포 후 롤러 시밍 전에 하부에 위치한 제2평판의 양단부가 상부에 위치한 제1평판보다 횡방향으로 더 돌출되도록 매칭시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
더욱 바람직한 구현예로서, 상기 제4단계의 시밍은 상기 제1 및 제2평판 사이에 컴파운더가 도포된 채로 제1평판과 제2평판의 끝단부가 상방향으로 절곡되는 단계(a)와, 상기 제2평판의 더 돌출된 끝단부가 제1평판의 상단부를 감싸면서 제1평판의 상면에 겹치도록 절곡되는 단계(b)와, 상기 단계에서 상기 제1평판과 제2평판의 양단부가 "ㄷ"자형으로 한 번 더 절곡되는 단계(c)를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 (a), (b)단계에서의 절곡작업은 원뿔형 롤러가 회전 및 수평방향으로 이송되면서 이루어지고, 상기 (c)단계에서의 절곡작업은 원통형 롤러가 회전 및 수평방향으로 이송되면서 이루어지는 것을 특징으로 한다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조로 상세하게 설명한다.
첨부한 도 1은 본 발명에 따른 연료전지용 금속분리판의 접합순서를 나타내는 구성도이고, 도 2는 본 발명에 따른 접합방법에 의해 제조된 연료전지용 금속분리판의 일실시예를 나타내는 구성도이다.
본 발명에 따른 금속분리판의 성형방법은 두개의 판을 절단한 후, 요철형태로 만들기 위해 프레스기로 절곡한 다음, 상부에 위치한 제1평판(10)과 하부에 위치한 제2평판(11)을 요부는 요부끼리 철부는 철부끼기 맞대어 놓는다.
즉, 프레스기로 절곡성형된 제1평판(10)의 형상은 사다리꼴 형태의 요부와 철부가 지그재그로 형성되어 있고, 제2평판(11)의 형상도 제1평판(10)과 같다. 이때, 상기 제1평판(10)과 제2평판(11)이 대칭이 되도록 제2평판(11)을 180도 회전시켜 제1평판(10)과 접합하게 되면, 육각형의 냉각수 유로(12)가 형성되고, 냉각수 유로(12) 사이에는 제1평판(10)의 수소유로(13)와 제2평판(11)의 공기유로(14)가 형성되게 된다.
상기 제1평판(10)과 제2평판(11)으로 접합된 분리판은 MEA(16)를 가운데 두고 적층하게 되면 MEA(16)의 상부에 형성된 공기극으로 산소가 공급되고, MEA(16)의 하부에 형성된 수소극으로 수소가 공급된다.
상기 분리판의 기밀성을 유지하기 위해 먼저, 제1 및 제2평판(10,11) 끝단 사이에 컴파운더(15)를 일정량 삽입한다.
한편, 시밍작업은 여러번의 절곡이 이루어지고 컴파운더(15)를 바깥으로 빠져나가지 않도록 하기 위해 시밍작업 전에 제2평판(11)의 일단부가 제1평판(10)보 다 일정길이로 길게 나오도록 제1 및 제2평판(11,12)을 매칭시키는 작업이 필요하다.
상기 제2평판(11) 끝단부를 일정길이로 길게 뽑아낸 다음, 제1평판(10) 및 제2평판(11) 일단부에서 안쪽으로 일정한 위치에서 상방향으로 절곡하고, 제2평판(11)의 끝단부를 제1평판(10)의 끝단까지 안쪽으로 절곡한다.
상기 절곡작업에 사용되는 롤러의 형상은 원추형상으로서 원주면이 일정각도로 경사지게 형성되어, 회전과 수평이송이 동시에 이루어지면서 제1평판(10) 및 제2평판(11)을 절곡하는 구조로 이루어져 있다.
이때, 상기 원추형 롤러(18)는 분리판의 두께방향으로 회전가능하여 제1평판(10) 및 제2평판(11)을 절곡할 수 있다.
이에 따라, 제2평판(11)보다 더욱 긴 제1평판(10)의 일단부가 제2평판(11)의 안쪽면에 겹쳐지게 되고, 그다음 "ㄱ"자 형상인 분리판의 일단부를 다시한번 절곡하면 "ㄷ"자 형태로 되어 시밍작업이 완료가 된다.
이때, 상기 절곡작업에 사용되는 롤러의 형상은 직경이 일정한 원통형으로서, 상기 원추형 롤러(18)와 마찬가지로 회전과 수평이송을 동시에 수행하면서 제1평판(10) 및 제2평판(11)을 절곡하여 접합하게 된다.
여기서 상기 컴파운더(15) 삽입 및 시밍작업은 전자동화 되어 이루어지고, 시밍작업에 의해 제1평판(10) 및 제2평판(11)이 서로 접착되어 하나의 분리판이 완성되게 된다.
상기 분리판을 상하방향으로 적층하고, 분리판 사이에 MEA(16)를 배치하여 접착하되, 상기 시밍작업에 의해 접착된 분리판의 양단부와 MEA(16) 사이에는 러버시일(17)이 삽입되게 된다.
이상에서는 본 발명을 특정의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 이러한 실시예에 한정되지 않으며, 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위내에서 실시할 수 있는 다양한 형태의 실시예들을 모두 포함한다.
이상에서 본 바와 같이, 본 발명에 따른 연료전지용 금속분리판의 제조방법에 의하면, 두개의 평판을 각각 성형한 후 하나의 분리판으로 접합함에 있어서, 제1 및 제2평판의 양단부 사이에 컴파운더를 도포한 후, 시밍작업을 통해 접착시킴으로써, 기밀성을 유지할 수 있고, 성형 변형 보정이 가능하고 스택 적층이 용이하여 분리판의 강성을 증가시킬 수 있고, 자동화가 가능하고 대량생산이 용이한 장점이 있다.

Claims (4)

  1. 연료전지용 금속분리판의 제조방법에 있어서,
    두개의 평판을 요철형태로 성형하는 제1단계와;
    상기 평판에 컴파운더(15)를 도포하는 제2단계와;
    상기 평판이 대칭되도록 맞대어 매칭시키는 제3단계와;
    상기 평판의 양단부를 롤러에 의해 시밍하는 제4단계;
    를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료전지용 금속분리판의 제조방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 제2단계는 컴파운더(15) 도포 후 롤러 시밍 전에 하부에 위치한 제2평판(11)의 양단부가 상부에 위치한 제1평판(10)보다 횡방향으로 더 돌출되도록 매칭시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 금속분리판의 제조방법.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 제4단계의 시밍은 상기 제1 및 제2평판(11) 사이에 컴파운더(15)가 도 포된 채로 제1평판(10)과 제2평판(11)끝단부가 상방향으로 절곡되는 단계(a)와, 상기 제2평판(11)의 더 돌출된 끝단부가 제1평판(10)의 상단부를 감싸면서 제1평판(10)의 상면에 겹치도록 절곡되는 단계(b)와, 상기 단계에서 상기 제1평판(10)과 제2평판(11)의 양단부가 "ㄷ"자형으로 한 번 더 절곡되는 단계(c)를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료전지용 금속분리판의 제조방법.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 (a), (b)단계에서의 절곡작업은 원뿔형 롤러(18)가 회전 및 수평방향으로 이송되면서 이루어지고, 상기 (c)단계에서의 절곡작업은 원통형 롤러(19)가 회전 및 수평방향으로 이송되면서 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료전지용 금속분리판의 제조방법.
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