KR20090007098A

KR20090007098A - 연료전지의 금속분리판 용접장치

Info

Publication number: KR20090007098A
Application number: KR1020070070744A
Authority: KR
Inventors: 유성필
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2007-07-13
Filing date: 2007-07-13
Publication date: 2009-01-16
Also published as: CN101342635B; CN101342635A; KR100986934B1; US20090014497A1

Abstract

본 발명은 금속분리판의 상판과 하판을 접합하는 공정이 단순하고, 구성이 매우 간단하며, 용접 성능과 수밀 성능이 확보가 용이하고, 금속분리판의 열변형을 방지할 수 있는 연료전지의 금속분리판 용접장치에 관한 것으로서, 용접장치 본체와, 상기 용접장치 본체의 하부에 배치되고, 상기 금속분리판이 안착되는 받침 유닛과, 상기 받침 유닛과 대향되게 상기 용접장치 본체의 상부에 배치되고, 상기 금속분리판의 상판에 소정의 압력으로 압착된 후 회전되면서 상기 금속분리판의 상판과 하판을 마찰 교반 용접시키는 마찰 교반 유닛과, 상기 마찰 교반 유닛과 상기 받침 유닛 중 적어도 어느 하나에 배치되어 상기 금속분리판의 용접 온도를 감지하고, 상기 용접 온도가 설정 온도 범위 내에 유지되도록 상기 마찰 교반 유닛의 작동을 제어하는 온도 제어 유닛을 포함한다.

연료전지, 금속분리판, 마찰 교반 용접, 용접장치, 마찰봉, 요철부

Description

연료전지의 금속분리판 용접장치 {Apparatus for welding separating panel of fuel sell}

본 발명은 연료전지의 금속분리판 용접장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 금속분리판의 상판과 하판을 접합하는 공정이 단순하고, 용접 성능과 수밀 성능이 확보가 용이하며, 금속분리판의 열변형을 방지할 수 있는 연료전지의 금속분리판 용접장치에 관한 것이다.

일반적으로 연료전지는, 수소와 산소가 가진 화학 에너지를 전기 에너지로 직접 변환시키는 전기화학적 장치로써, 수소와 산소를 양극과 음극에 공급하여 연속적으로 전기를 생산하는 발전 기술이다. 이러한 연료 전지는 작동 온도와 주연료의 형태에 따라 알카리형(AFC), 인산염형(PAGC), 용융 탄산염형(MCFC), 고체 전해질형(SOFC), 고분자 전해질형(PEMFC) 등으로 구분된다. 한편, 자동차 쪽에서는, 고분자 전해질을 이용하고 백금 촉매를 쓰는 PEM형의 연료전지를 대부분 사용하고 있 다.

도 1은 일반적인 연료전지의 스택 모듈을 제작하는 과정이 도시된 도면이고, 도 2는 도 1에 도시된 연료전지의 스택을 나타낸 구성도이며, 도 3은 종래 기술에 따른 금속분리판의 상판과 하판을 접합하는 다양한 예를 나타낸 도면이다.

도 1에는 자동차에 사용되는 연료전지의 스택 모듈을 제작하는 과정이 도시되어 있는 바, 상기 연료전지의 스택 모듈의 제작 과정을 설명하면 다음과 같다. 도 1의 (a)에서는, 분리판(2)과 멤브레인(4)이 별도의 공정으로 각각 제조된다. 상기 분리판(2)은 금속 또는 흑연으로 제조된다. 흑연분리판은 가공비용이 높은 반면에, 금속분리판은 가공비용이 낮고 프레스 성형이 가능하므로, 상기 금속분리판이 주로 사용된다. 도 2의 (b)에서는, 상기 분리판(2)과 상기 멤브레인(4)이 서로 교호되도록 복수개가 적층되어 스택(6)이 완성된다. 도 2의 (c)와 (d)에서는 상기 스택(6)이 조립되어 스택 모듈(8)이 완성된다.

도 2를 참조하면, 상기 스택(6)은, 상기 금속분리판(2)들 사이에 상기 멤브레인(4)이 각각 배치된 샌드위치 구조로 형성된다. 상기 금속분리판(2)은, 상기 멤브레인(4)을 사이에 두고 수소(H)와 산소(O)를 반응시켜 전기 에너지를 얻음과 아울러 냉각수(W)를 이용하여 반응 온도를 조절한다. 상기 금속분리판(2)은 상판(2a)과 하판(2b)으로 구성된다. 상기 상판(2a)과 하판(2b)의 일부는 서로 반대방향으로 벌어져 상기 냉각수(W)가 수용되는 냉각수 수용부(3)를 형성한다. 상기 냉각수 수용부(3)는 상기 금속분리판(2)에 복수개가 형성된다. 상기 멤브레인(4)은 전해질 고분자막으로써, 전기적으로는 절연체이나 수소이온에 대해서는 좋은 전도체로 작용되어 수소이온이 잘 통과되는 성질을 갖는다. 따라서, 상기 멤브레인(4)은 공급된 수소에서 분리된 전자와 수소이온 중 수소이온만 통과시켜 전력을 얻게 된다.

도 3을 참조하면, 상기 금속분리판(2)의 상판(2a)과 하판(2b)은 다양한 방법으로 접합되는 바, 도 3의 (a)는 레이저빔(10)을 사용하여 용접하는 방법이고, 도 3의 (b)는 접착제(12)를 사용하여 접착하는 방법이며, 도 3의 (c)는 개스킷(14)을 사용하여 결합시키는 방법이다.

그러나, 도 3의 (a)와 같이 레이저빔(10)으로 용접하는 방법은, 레이저빔(10)의 발생 장치가 필요하여 설비투자비가 증가되고, 용접시 발생되는 고열에 의하여 상기 금속분리판(2)이 열변형되며, 용접 부위의 과열시 홀 생성으로 인하여 용접 불량이 발생되는 문제점이 있다.

또한, 도 3의 (b)와 같이 접착제(12)로 접착시키는 방법은, 접착제(12)의 도포, 압착, 열경화시키는 공정이 매우 난해하게 진행되고, 접착제(12)의 정량 조절이 실패되면 접착제(12)가 외부로 누출되거나 부족하게 되고, 공정 자동화가 어려운 문제점이 있다. 특히, 상기 접착제(12)를 고온에서 단시간 내에 경화시키면 상기 금속분리판(2)에 열변형이 발생되고, 상기 접착제(12)를 상온에서 장시간에 걸쳐 경화시키면 경화시간이 증가되며, 상기 접착제(12)가 경화될 때까지 접착제(12)의 형태를 유지시켜야 하는 문제점이 있다.

또한, 도 3의 (c)와 같이 개스킷(14)으로 결합시키는 방법은, 상판(2a)과 하판(2b)을 기계적인 조인트로 체결하기 때문에 기계적인 접합 기술의 한계로 인하여 수작업 공정이 필요하고, 수밀 성능이 저하되는 문제점이 있다.

본 발명은, 금속분리판의 상판과 하판을 접합하는 공정이 단순하고, 구성이 매우 간단하며, 용접 성능과 수밀 성능이 확보가 용이하고, 금속분리판의 열변형을 방지할 수 있는 연료전지의 금속분리판 용접장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명은, 상판과 하판으로 구성된 연료전지의 금속분리판을 용접하는 연료전지의 금속분리판 용접장치에 있어서, 용접장치 본체와, 상기 용접장치 본체의 하부에 배치되고, 상기 금속분리판이 안착되는 받침 유닛과, 상기 받침 유닛과 대향되게 상기 용접장치 본체의 상부에 배치되고, 상기 금속분리판의 상판에 소정의 압력으로 압착된 후 회전되면서 상기 금속분리판의 상판과 하판을 마찰 교반 용접시키는 마찰 교반 유닛과, 상기 마찰 교반 유닛과 상기 받침 유닛 중 적어도 어느 하나에 배치되어 상기 금속분리판의 용접 온도를 감지하고, 상기 용접 온도가 설정 온도 범위 내에 유지되도록 상기 마찰 교반 유닛의 작동을 제어하는 온도 제어 유닛을 포함하는 연료전지의 금속분리판 용접장치를 제공한다.

상기 금속분리판의 용접 부위에는 상측으로 개구된 요철부가 형성된다. 그리고, 상기 요철부의 양측면부는 하부에서 상부로 갈수록 좌측면과 우측면 사이의 이 격된 거리가 증가되도록 경사지게 형성된다.

상기 마찰 교반 유닛은, 상기 금속분리판의 요철부의 양측면부에 각각 접촉되도록 소정의 직경으로 수직하게 형성된 마찰봉과, 상기 마찰봉의 상부에 연결되어 상기 마찰봉을 회전시키는 회전기구와, 상기 회전기구과 상기 용접장치 본체 사이에 배치되어 상기 마찰봉과 상기 회전기구를 상하 방향으로 이송시키는 마찰봉 이송기구를 포함한다. 상기 마찰봉은, 상기 회전기구에 상부가 연결되어 상기 회전기구에 의하여 회전되는 연결봉과, 상기 연결봉의 하부에 형성되어 상기 요철부의 양측면부에 동시에 접촉되는 마찰부를 포함할 수 있다. 상기 마찰부는, 상기 양측면부의 상부가 이격된 거리보다는 작은 직경으로 형성되고, 상기 양측면부의 하부가 이격된 거리보다는 큰 직경으로 형성된다. 또한, 상기 마찰부는 상기 금속분리판보다 강도와 내열성이 우수한 재료로 형성된다.

상기 받침 유닛은, 상기 금속분리판의 용접 부위와 대응되는 형상으로 형성된 받침대를 포함한다. 상기 받침대는, 상기 금속분리판의 이송을 위하여 상기 금속분리판이 안착되는 안착면에 롤러가 배치될 수 있다. 한편, 상기 받침 유닛은, 상기 받침대와 상기 용접장치 본체 사이에 배치되어 상기 받침대를 상하 방향으로 이송시키는 받침대 이송기구를 더 포함할 수 있다.

상기 온도 제어 유닛은, 상기 금속분리판 중에서 열변형이 심한 부위의 온도를 감지하는 제 1 온도센서와, 상기 금속분리판 중에서 용접시 발생한 열이 안정적으로 전달되는 부위의 온도를 감지하는 제 2 온도센서와, 상기 제 1 온도센서와 상기 제 2 온도센서의 감지된 온도에 따라 상기 회전기구의 작동을 조절하는 제어부 를 포함한다. 상기 제 1,2 온도 센서는, 비접촉식 적외선 열감지 센서를 포함할 수 있다. 상기 제 1 온도 센서는, 상기 금속분리판 중에서 상기 요철부와 연결된 부분의 온도를 감지하도록 배치된다. 상기 제 2 온도 센서는, 상기 금속분리판 중에서 상기 요철부의 하부의 온도를 감지하도록 배치된다. 한편, 상기 제어부는, 상기 제 1 온도 센서의 감지온도가 제 1 설정온도 이상이면 상기 마찰봉의 회전 속도가 감소되는 방향으로 상기 회전기구의 작동을 제어한다. 상기 제어부는, 상기 제 2 온도 센서의 감지온도가 상기 제 1 설정온도보다 낮은 제 2 설정온도 이하이면 상기 마찰봉의 회전 속도가 증가되는 방향으로 상기 회전기구의 작동을 제어한다.

본 발명에 따른 연료전지의 금속분리판 용접장치는, 금속분리판의 상판과 하판이 마찰 교반 용접되기 때문에, 용접 성능과 수밀 성능이 용이하게 확보되고, 설비와 공정이 매우 단순하게 구성되어 자동화 및 원가절감이 구현되는 이점이 있다.

또한, 본 발명의 연료전지의 금속분리판 용접장치는, 마찰 교반 용접시 열변형 부위의 온도와 용접 부위의 온도를 감지하여 마찰 교반 유닛의 작동을 제어하기 때문에, 금속분리판의 열변형이 방지되고, 마찰 교반 용접의 최적화가 구현되는 이점이 있다.

또한, 본 발명의 연료전지의 금속분리판 용접장치는, 마찰 교반 유닛의 마찰봉이 금속분리판의 요철부의 양측면부에 각각 접촉되어 마찰 교반 용접이 실시되므로, 한번의 용접 작업에 의하여 2줄의 용접 라인이 형성되는 이점이 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예를 설명하면 다음과 같다.

도 4는 본 발명에 따른 연료전지의 금속분리판 용접장치에 적용된 마찰 교반 용접을 설명하기 위한 참고도이다. 이하에서는, 종래의 구성과 동일한 구성요소에 동일한 참조 번호를 부여하고, 그에 대한 설명은 생략한다.

도 4를 참조하면, 본 발명은, 마찰 교반 용접 방법을 이용하여 금속분리판(2)의 상판(2a)과 하판(2b)을 용접하는 장치를 제공한다. 즉, 선단에 돌기부(16)가 있는 툴(18)을 회전시키면서 상기 금속분리판(2)의 상판(2a)에 가압하면, 상기 툴(18)과 상기 금속분리판(2)의 마찰열 및 소성 유동에 따른 발열에 의하여 상판(2a)과 하판(2b)이 연화되고, 상기 연화된 재료가 교반되면서 상기 상판(2a)과 하판(2b)이 고상 접합된다. 따라서, 상기 상판(2a)과 하판(2b)이 마찰 교반 용접 방법에 의하여 접합되면, 마찰열에 의한 소성 유동 상태로 접합되기 때문에 종래의 용접 방법에 비하여 열발생량이 현저하게 감소되고, 종래의 용접 장치에 비하여 설비가 단순하며, 오염물질과 전기소모량도 작은 이점이 있다.

도 5는 본 발명에 따른 연료전지의 금속분리판 용접장치가 도시된 사시도이고, 도 6은 도 5에 도시된 금속분리판 용접장치를 나타낸 정면도이며, 도 7과 도 8은 도 5에 도시된 금속분리판 용접장치의 주요부를 나타낸 사시도와 정면도이고, 도 9는 도 5에 도시된 금속분리판 용접장치의 마찰봉을 나타낸 사시도이다.

도 5 및 도 6을 참조하면, 본 발명에 따른 연료전지의 금속분리판 용접장치(100)는, 용접장치 본체(110)와, 상기 용접장치 본체(110)의 하부에 배치되어 상기 금속분리판(2)이 안착되는 받침 유닛(120)과, 상기 용접장치 본체(110)의 상부에 배치되어 상기 금속분리판(2)의 상판(2a)과 하판(2b)을 마찰 교반 용접시키는 마찰 교반 유닛(130)과, 상기 마찰 교반 유닛(130)과 상기 받침 유닛(120) 중 적어도 어느 하나에 배치되어 상기 금속분리판(2)의 용접 온도에 따라 상기 마찰 교반 유닛(130)의 작동을 제어하는 온도 제어 유닛(140)을 포함한다. 상기 용접장치 본체(110)는, 상기 금속분리판 용접장치(100)의 골격을 형성하는 부품으로써, 상기 받침 유닛(120)과 상기 마찰 교반 유닛(130) 및 상기 온도 제어 유닛(140)이 설치된다.

도 5 및 도 8을 참조하면, 상기 금속분리판(2)은, 상판(2a)과 하판(2b)이 접합된 형상으로 구성된다. 상기 금속분리판(2)의 일부에는 냉각수를 수용하는 냉각수 수용부(3)가 형성된다. 상기 냉각수 수용부(3)는, 상기 상판(2a)이 상측으로 융기됨과 아울러 상기 상판(2a)과 대응되는 하판(2b)이 하측으로 융기된 구조로 형성된다. 또한, 상기 금속분리판(2)의 상판(2a)과 하판(2b)이 용접되는 부위에는, 상기 상판(2a)과 하판(2b)이 상측으로 개구된 요철부(102)가 형성된다. 상기 요철부(102)의 양측면부(104)(106)는 하부에서 상부로 갈수록 좌측면부(104)와 우측면부(106) 사이의 이격된 거리(D)가 증가되는 방향으로 경사지게 형성된다. 즉, 상기 요철부(102)는 ‘Ｖ’형상으로 양측면부(104)(106)가 경사지게 형성된다.

도 6과 도 7 및 도 8을 참조하면, 상기 받침 유닛(120)은, 상기 금속분리 판(2)의 요철부(102)와 대응되는 형상으로 형성되어 상기 요철부(102)가 안착되는 받침대(122)와, 상기 받침대(122)와 상기 용접장치 본체(110) 사이에 배치되어 상기 받침대(122)를 상하 방향으로 이송시키는 받침대 이송기구(124)를 포함한다. 상기 받침대(122)는, 상기 금속분리판(2)의 이송을 위하여 상기 요철부(102)가 안착되는 안착면(122a)(122b)에 복수개의 롤러(126)가 배치된다. 상기 받침대(122)의 안착면(122a)(122b)은, 상기 요철부(102)의 좌측면부(104)와 우측면부(106)가 각각 안착되는 좌측 안착면(122a)과 우측 안착면(122b)으로 이루어진다. 상기 좌측 안착면(122a)과 우측 안착면(122b)도 상기 요철부(102)의 양측면부(104)(106)와 동일하게 ‘Ｖ’형상으로 경사지게 형성된다. 상기 받침대 이송기구(124)는, 상기 받침대(122)를 상하방향으로 직선 이동시키기 위하여 상기 받침대(122)와 상기 용접장치 본체(110) 사이에 배치된 리니어 모터를 포함한다.

도 5 및 도 6을 참조하면, 상기 마찰 교반 유닛(130)은, 상기 요철부(102)의 양측면부(104)(106)에 각각 접촉되도록 소정의 직경으로 수직하게 형성된 마찰봉(132)과, 상기 마찰봉(132)의 상부에 연결되어 상기 마찰봉(132)을 회전시키는 회전기구(134)와, 상기 회전기구(134)와 상기 용접장치 본체(110) 사이에 배치되어 상기 마찰봉(132)과 상기 회전기구(134)를 상하 방향으로 이송시키는 마찰봉 이송기구(136)를 포함한다. 상기 회전기구(134)는, 상기 마찰봉(132)을 다양한 회전 속도로 회전시키기 위하여 상기 마찰봉(132)의 상부가 회전축에 연결된 모터를 포함하고, 상기 마찰봉 이송기구(136)는 상기 마찰봉(132)을 상하방향으로 직선 이동시키기 위하여 상기 회전기구(134)와 상기 용접장치 본체(110) 사이에 배치된 리니어 모터를 포함한다.

도 6과 도 8 및 도 9를 참조하면, 상기 마찰봉(132)은, 상기 회전기구(134)에 상부가 연결되어 상기 회전기구(134)에 의하여 회전되는 연결봉(138)과, 상기 연결봉(138)의 하부에 형성되어 상기 요철부(102)의 양측면부(104)(106)에 동시에 접촉되는 마찰부(139)를 포함한다. 상기 마찰부(139)는, 상기 양측면부(104)(106)의 상부가 이격된 거리(D1)보다는 작은 직경으로 형성되고, 상기 양측면부(104)(106)의 하부가 이격된 거리(D2)보다는 큰 직경으로 형성된다. 상기 마찰부(139)는 상기 금속분리판(2)보다 강도와 내열성이 우수한 재료로 형성된다. 상기 마찰부(139)는 도 9에 도시된 바와 같이, 상기 연결봉(138)의 하부에 원뿔 형상으로 형성되되, 상기 연결봉(138)의 하부에 원뿔의 꼭지점 부위가 연결되고, 상기 원뿔의 하부 모서리는 라운드지게 형성된다.

따라서, 상기 마찰봉 이송기구(136)와 상기 받침대 이송기구(124)에 의하여 상기 마찰봉(132)의 마찰부(139)가 상기 요철부(102)의 양측면부(104)(106)에 각각 압착된 후, 상기 회전기구(134)에 의하여 상기 마찰봉(132)의 마찰부(139)가 고속으로 회전되면 상기 요철부(102)의 양측면부(104)(106)를 형성하는 상판(2a)과 하판(2b)이 상기 마찰부(139)에 의하여 마찰 교반 용접된다.

도 6과 도 7 및 도 8을 참조하면, 상기 온도 제어 유닛(140)은, 상기 금속분리판(2) 중에서 열변형이 심한 부위(A)의 온도를 감지하는 제 1 온도센서(142)와, 상기 금속분리판(2) 중에서 용접시 발생한 열이 안정적으로 전달되는 부위(B)의 온도를 감지하는 제 2 온도센서(144)와, 상기 제 1 온도센서(142)와 상기 제 2 온도 센서(144)의 감지된 온도에 따라 상기 회전기구(134)의 작동을 조절하는 제어부(146)를 포함한다. 상기 금속분리판(2) 중에서 열변형이 심한 부위(A)는 상기 요철부(102)의 양측면부(104)(106)의 상부와 연결된 연결부(A)이고, 상기 금속분리판(2) 중에서 용접시 발생한 열이 안정적으로 전달되는 부위(B)는 상기 요철부(102)의 양측면부(104)(106)의 하부가 연결된 저면부(B)이다.

상기 제 1 온도센서(142)는, 상기 마찰 교반 유닛(130)에 설치된 좌측 브래킷(150)과 우측 브래킷(152)의 단부에 각각 배치되어 상기 연결부(A)의 온도를 감지하는 비접촉식 적외선 열감지 센서이다. 상기 좌측 브래킷(150)과 상기 우측 브래킷(152)의 상부는 상기 회전기구(134)에 연결되되, 상기 회전기구(134)에 의하여상기 좌측 브래킷(150)과 상기 우측 브래킷(152)은 회전되지 않는다. 상기 좌측 브래킷(150)과 상기 우측 브래킷(152)의 하부는 상기 연결부(A)의 상측에 위치되되, 상기 제 1 온도센서(142)가 각각 배치된다.

상기 제 2 온도센서(144)는, 상기 받침대(122)에 배치되어 상기 저면부(B)의 온도를 감지하는 비접촉식 적외선 열감지 센서이다. 상기 받침대(122)는 상기 좌측 안착면(122a)과 우측 안착면(122b) 사이에 센서설치홈(128)이 상기 저면부(B)와 대향되게 형성되고, 상기 센서설치홈(128)의 내부에 상기 제 2 온도센서(144)가 설치된다. 이때, 상기 센서설치홈(128)은 상기 제 2 온도센서(144)와 상기 저면부(B)가 간섭되지 않도록 충분히 깊게 형성된다.

도 10을 참조하면, 상기 제어부(146)는, 상기 제 1 온도센서(142)의 감지온도가 제 1 설정온도 이상이면 상기 회전기구(134)의 작동을 제어하여 상기 마찰 봉(132)의 회전 속도를 감소시키고, 상기 제 2 온도센서(144)의 감지온도가 상기 제 1 설정온도보다 낮은 제 2 설정온도 이하이면 상기 회전기구(134)의 작동을 제어하여 상기 마찰봉(132)의 회전 속도를 감소시킨다. 상기 제 1 설정온도는 용접시 발생되는 열에 의하여 상기 연결부(A)가 열변형되는 온도이고, 상기 제 2 설정온도는 상기 요철부(102)의 마찰 교반 용접을 위한 최저 용접 온도에서 상기 저면부(B)의 온도이다.

상기와 같이 구성된 본 발명에 따른 연료전지의 금속분리판 용접장치의 작동과 작용 효과를 살펴보면 다음과 같다. 도 10은 본 발명에 따른 금속분리판 용접장치를 제어하기 위한 구성이 도시된 개략도이고, 도 11은 본 발명에 따른 금속분리판 용접장치의 제어 방법이 도시된 순서도이며, 도 12는 본 발명에 따른 금속분리판 용접장치의 구동시 용접온도가 도시된 그래프이다.

먼저, 받침 유닛(120)의 받침대(122)에 금속분리판(2)의 요철부(102)를 안착시킨다. 그리고, 받침대 이송기구(124)를 상측으로 수직하게 이동시키고, 마찰봉 이송기구(136)를 하측으로 수직하게 이동시킨다. 따라서, 상기 받침대 이송기구(124)와 상기 마찰봉 이송기구(136)에 의하여 상기 요철부(102)의 양측면부(104)(106)에 마찰봉(132)의 마찰부(139)가 소정의 압력으로 각각 압착된다.(S1)

상기 마찰봉(132)을 회전기구(134)가 설정속도로 회전시키면, 상기 마찰부(139)와 상기 양측면부(104)(106)의 마찰 부위는 마찰열이나 소성 유동에 따른 발열로 인하여 연화 및 용융되고, 상기 마찰부(139)에 의하여 연화 및 용융된 부위 가 교반된다. 이때, 상기 금속분리판(2)을 전방 또는 후방으로 이송시키면, 상기 요철부(102)의 양측면부(104)(106)를 따라 전후방향으로 길게 용접 라인이 형성된다.(S2)

상기와 같이 마찰 교반 용접이 이루어질 경우, 상기 요철부(102)와 연결된 연결부(A)의 온도를 제 1 온도센서(142)가 감지하고, 상기 요철부(102)의 하부에 형성된 저면부(B)의 온도를 제 2 온도센서(144)가 감지한다.(S3)

만약, 상기 제 1 온도센서(142)의 감지온도가 제 1 설정온도 이상이면, 상기 제어부(146)는 상기 회전기구(134)의 작동을 조절하여 상기 마찰봉(132)의 회전 속도를 설정량 만큼 감속시킨다. 또한, 상기 제 2 온도센서(144)의 감지온도가 제 2 설정온도 이하이면, 상기 제어부(146)는 상기 회전기구(134)의 작동을 조절하여 상기 마찰봉(132)의 회전 속도를 설정량 만큼 가속시킨다. 상기 마찰봉(132)의 회전속도를 감속 또는 가속시키는 설정량은 미리 제어부(146)에 설정되거나 사용자에 의하여 조정될 수 있다. 따라서, 도 12에 도시된 바와 같이, 상기 마찰 교반 용접시의 실제 용접 온도는, 상기 제 1 설정온도와 상기 제 2 설정온도 사이를 유지하도록 보정된다. (S4,S5,S6,S7)

상기 금속분리판(2)의 마찰 교반 용접이 완료되면, 상기 회전기구(134)의 작동을 정지시키고, 상기 마찰봉 이송기구(136)와 상기 받침대 이송기구(124)를 초기위치로 복귀시킨다.(S8,S9,S10)

이상과 같이 본 발명에 의한 연료전지의 금속분리판 용접장치를 예시된 도면 을 참조로 설명하였으나, 본 발명은 상기의 실시예와 도면에 의해 한정되지 않고, 그 발명의 기술사상 범위내에서 당업자에 의해 다양한 변형이 가능할 수 있음은 물론이다.

본원 발명에 따른 연료전지의 금속분리판 용접장치를 채용하면, 연료전지의 제조시 금속분리판의 상판과 하판을 접합하는 공정이 단순하게 이루어지고, 금속분리판의 용접 성능과 수밀 성능이 하나의 공정으로 확보 가능하며, 금속분리판의 열변형이 방지될 수 있다.

도 1은 일반적인 연료전지의 스택 모듈을 제작하는 과정이 도시된 도면,

도 2는 도 1에 도시된 연료전지의 스택을 나타낸 구성도,

도 3은 종래 기술에 따른 금속분리판의 상판과 하판을 접합하는 다양한 예를 나타낸 도면,

도 4는 본 발명에 따른 연료전지의 금속분리판 용접장치에 적용된 마찰 교반 용접을 설명하기 위한 참고도,

도 5는 본 발명에 따른 연료전지의 금속분리판 용접장치가 도시된 사시도,

도 6은 도 5에 도시된 금속분리판 용접장치를 나타낸 정면도,

도 7은 도 5에 도시된 금속분리판 용접장치의 주요부를 나타낸 사시도,

도 8은 도 5에 도시된 금속분리판 용접장치의 주요부를 나타낸 정면도,

도 9는 도 5에 도시된 금속분리판 용접장치의 마찰봉을 나타낸 사시도,

도 10은 본 발명에 따른 금속분리판 용접장치를 제어하기 위한 구성이 도시된 개략도,

도 11은 본 발명에 따른 금속분리판 용접장치의 제어 방법이 도시된 순서도,

도 12는 본 발명에 따른 금속분리판 용접장치의 구동시 용접온도가 도시된 그래프,

Claims

상판과 하판으로 구성된 연료전지의 금속분리판을 용접하는 연료전지의 금속분리판 용접장치에 있어서,

용접장치 본체와; 상기 용접장치 본체의 하부에 배치되고, 상기 금속분리판이 안착되는 받침 유닛과; 상기 받침 유닛과 대향되게 상기 용접장치 본체의 상부에 배치되고, 상기 금속분리판의 상판에 소정의 압력으로 압착된 후 회전되면서 상기 금속분리판의 상판과 하판을 마찰 교반 용접시키는 마찰 교반 유닛과; 상기 마찰 교반 유닛과 상기 받침 유닛 중 적어도 어느 하나에 배치되어 상기 금속분리판의 용접 온도를 감지하고, 상기 용접 온도가 설정 온도 범위 내에 유지되도록 상기 마찰 교반 유닛의 작동을 제어하는 온도 제어 유닛을 포함하는 연료전지의 금속분리판 용접장치.
청구항 1에 있어서,

상기 금속분리판의 용접 부위에는 상측으로 개구된 요철부가 형성되고, 상기 요철부의 양측면부는 하부에서 상부로 갈수록 좌측면과 우측면 사이의 이격된 거리가 증가되도록 경사지게 형성되며,

상기 마찰 교반 유닛은, 상기 금속분리판의 요철부의 양측면부에 각각 접촉되도록 소정의 직경으로 수직하게 형성된 마찰봉과; 상기 마찰봉의 상부에 연결되 어 상기 마찰봉을 회전시키는 회전기구와; 상기 회전기구과 상기 용접장치 본체 사이에 배치되어 상기 마찰봉과 상기 회전기구를 상하 방향으로 이송시키는 마찰봉 이송기구를 포함하는 연료전지의 금속분리판 용접장치.
청구항 2에 있어서,

상기 마찰봉은, 상기 회전기구에 상부가 연결되어 상기 회전기구에 의하여 회전되는 연결봉과; 상기 연결봉의 하부에 형성되어 상기 요철부의 양측면부에 동시에 접촉되는 마찰부를 포함하는 연료전지의 금속분리판 용접장치.
청구항 3에 있어서,

상기 마찰부는, 상기 양측면부의 상부가 이격된 거리보다는 작은 직경으로 형성되고, 상기 양측면부의 하부가 이격된 거리보다는 큰 직경으로 형성된 연료전지의 금속분리판 용접장치.
청구항 3에 있어서,

상기 마찰부는 상기 금속분리판보다 강도와 내열성이 우수한 재료로 형성된 연료전지의 금속분리판 용접장치.
청구항 2에 있어서,

상기 받침 유닛은, 상기 금속분리판의 용접 부위와 대응되는 형상으로 형성된 받침대를 포함하는 연료전지의 금속분리판 용접장치.
청구항 6에 있어서,

상기 받침대는, 상기 금속분리판의 이송을 위하여 상기 금속분리판이 안착되는 안착면에 롤러가 배치된 연료전지의 금속분리판 용접장치.
청구항 6에 있어서,

상기 받침 유닛은, 상기 받침대와 상기 용접장치 본체 사이에 배치되어 상기 받침대를 상하 방향으로 이송시키는 받침대 이송기구를 더 포함하는 연료전지의 금속분리판 용접장치.
청구항 2 내지 청구항 8 중 어느 한 항에 있어서,

상기 온도 제어 유닛은, 상기 금속분리판 중에서 열변형이 심한 부위의 온도 를 감지하는 제 1 온도센서와; 상기 금속분리판 중에서 용접시 발생한 열이 안정적으로 전달되는 부위의 온도를 감지하는 제 2 온도센서와; 상기 제 1 온도센서와 상기 제 2 온도센서의 감지된 온도에 따라 상기 회전기구의 작동을 조절하는 제어부를 포함하는 연료전지의 금속분리판 용접장치.
청구항 9에 있어서,

상기 제 1,2 온도 센서는, 비접촉식 적외선 열감지 센서를 포함하는 연료전지의 금속분리판 용접장치.
청구항 9에 있어서,

상기 제 1 온도 센서는, 상기 금속분리판 중에서 상기 요철부와 연결된 부분의 온도를 감지하도록 배치된 연료전지의 금속분리판 용접장치.
청구항 9에 있어서,

상기 제 2 온도 센서는, 상기 금속분리판 중에서 상기 요철부의 하부의 온도를 감지하도록 배치된 연료전지의 금속분리판 용접장치.
청구항 9에 있어서,

상기 제어부는, 상기 제 1 온도 센서의 감지온도가 제 1 설정온도 이상이면 상기 마찰봉의 회전 속도가 감소되는 방향으로 상기 회전기구의 작동을 제어하는 연료전지의 금속분리판 용접장치.
청구항 13에 있어서,

상기 제어부는, 상기 제 2 온도 센서의 감지온도가 상기 제 1 설정온도보다 낮은 제 2 설정온도 이하이면 상기 마찰봉의 회전 속도가 증가되는 방향으로 상기 회전기구의 작동을 제어하는 연료전지의 금속분리판 용접장치.