KR20200090263A

KR20200090263A - 금속 개스킷의 용접 개소 결정방법

Info

Publication number: KR20200090263A
Application number: KR1020207019462A
Authority: KR
Inventors: 다케시 마사카; 켄토 나가마쓰; 가즈아키 세토구치
Original assignee: 엔오케이 가부시키가이샤
Priority date: 2018-11-05
Filing date: 2019-10-31
Publication date: 2020-07-28
Also published as: CN111566392B; WO2020095817A1; US11338395B2; JPWO2020095817A1; DE112019005530T5; KR102398210B1; CN111566392A; US20210039205A1; JP6923761B2

Abstract

한 쌍의 금속 개스킷에 대해, 실링 비드의 면압 빠짐을 방지할 수 있는 용접 개소를 발견한다. 개구(12)의 둘레를 둘러싸는 실링 비드(31)와, 접합면(13)으로부터 돌출되는 복수의 구조물(S)을 갖는 한 쌍의 금속 개스킷(11)의 접합면(13)을 용접에 의해 접합한다. 실링 비드(31)와 상대 부재 사이에 감압 매체(101)를 개재시켜, 접합한 한 쌍의 금속 개스킷(11)을 상대 부재와 함께 적층하여 체결한다. 체결을 풀어 취출한 감압 매체(101)에 남은 흔적에 의해, 실링 비드(31)의 면압 빠짐 개소(C)를 검출한다. 복수의 구조물(S) 중, 면압 빠짐 개소(C)에 가장 가까운 제1 구조물(S1)과, 제1 구조물(S1)에 가장 가까운 제2 구조물(S2)에 4변을 접촉시켜 둘러싸는 직사각형 영역(R) 내에, 추가 용접 개소(W2)를 결정한다.

Description

금속 개스킷의 용접 개소 결정방법

본 발명은 금속 개스킷의 용접 개소(箇所) 결정방법에 관한 것이다. 금속 개스킷은 예를 들면 연료전지 등에 사용된다. 금속 개스킷의 용접 개소 결정방법은 한 쌍의 금속 개스킷을 용접에 의해 접합하는 용접 개소를 결정하는 것이다.

연료전지는 연료전지 셀을 복수개 적층한 스택 구조를 가진다. 연료전지는 전해질막의 양면에 한 쌍의 전극층을 설치한 반응 전극부(MEA:Membrane Electrode Assembly)를 가지며, 반응 전극부의 두께 방향 양측에 세퍼레이터가 적층된다. 반응 전극부의 캐소드 측으로는 산화 가스(공기)를 공급하며, 애노드 측으로는 연료 가스(수소)를 공급한다. 이로써, 물의 전기분해의 역반응인 전기 화학 반응에 의해 전력을 발생한다.

적층된 연료전지 셀 내에는, 산화 가스(공기), 연료 가스(수소), 냉각수 등의 매체 유체를 위한 유로가 설치된다. 유로는 예를 들면 세퍼레이터에 의해 형성된다. 세퍼레이터는 예를 들면 철이나 알루미늄 등의 금속 재료로 이루어진 한 쌍의 금속 개스킷을 접합시킨 것이다. 한 쌍의 금속 개스킷 사이나 다른 부재 사이에, 매체 유체를 위한 유로를 형성한다. 이와 같은 금속 개스킷은 쌍극판이라 불린다.

일본 특표 2006-504872호 공보(이하, 「특허문헌 1」)에 나타낸 바와 같이, 금속 개스킷(쌍극판(3, 3'))에는, 개구(개구(4, 5a, 5b))가 설치된다(특허문헌 1의 단락[0041], [0043], 도 4 참조). 개구의 둘레는 실링 비드(sealing bead)(비드 배열(7, 7'))로 둘러싸여 봉지된다. 한쪽의 비드 배열(7)은 구멍부(8)를 통해(특허문헌 1의 도 5a, 도 5b 참조), 또다른 쪽의 비드 배열(7')은 터널(덕트(28))을 통해(특허문헌 1의 도 6a, 도 6b 참조) 각각 외부와 연결된다. 이로써, 금속 개스킷은 산화 가스(공기)나 연료 가스(수소), 냉각수 등의 매체 유체를 원하는 경로로 인도한다(특허문헌 1의[0053]~[0056] 참조).

한 쌍의 금속 개스킷은 예를 들면 용접에 의해 접합된다(특허문헌 1의 단락[0032], [0059] 참조). 이때, 실링 비드를 상대 부재에 규정의 압력으로 하여금 밀접시켜, 양호한 실링성을 확보하기 위해서는, 옆 어긋남이 생기지 않도록 한 쌍의 금속 개스킷을 용접하는 것이 중요하다. 금속 개스킷끼리에 옆 어긋남이 생기면, 실링 비드가 좌굴(坐屈)하여 면압(面壓)의 저하나 빠짐(이하, 본 명세서의 전체를 통해 「면압 빠짐」이라고 함)이 발생하여, 실링성이 손상된다. 이로써, 용접 개소와 용접 개소 수를 신중하게 결정할 필요가 있다.

그런데, 금속 개스킷은 미세하고 복잡한 형상이며, 반응 전극부 등과 함께 적층되며 체결되었을 때, 각부에 어떤 응력이 가해지는지를 해석하는 것이 쉽지 않다. 이로써, 실링 비드에는, 국소적으로 면압 빠짐이 발생할 수 있다. 면압 빠짐의 발생은 이종 유체의 혼합을 일으키기 때문에 방지하는 것이 요구된다.

여러 가지 실험에 의해 검증받지 않으면, 면압 빠짐이 발생하고 있는 것 자체도, 그 발생 장소도 찾을 수 없다. 또, 면압 빠짐의 발생을 발견할 수 있었다 하더라도, 그 대책을 위한 추가 용접을 어디에 실시하면 되는지도 확실하지 않다. 물론, 면압 빠짐이 발생하고 있는 장소의 근방에 추가 용접을 행하면 된다는 것은 쉽게 상상된다. 그러나, 구체적으로 추가 용접을 행해야 하는 위치는 반드시 분명하지 않으며, 공간상의 문제로 면압 빠짐이 발생하고 있는 장소의 근방에 추가 용접을 행하지 못할 수도 있다.

본 발명은 실링 비드의 면압 빠짐을 방지할 수 있는 용접 개소를 발견하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 금속 개스킷의 용접 개소 결정방법은,

개구의 둘레를 둘러싸는 실링 비드와, 접합면으로부터 돌출되는 복수의 구조물을 갖는 한 쌍의 금속 개스킷의 상기 접합면을 용접에 의해 접합하고,

상기 실링 비드와 상대 부재 사이에 감압 매체를 개재(介在)시켜, 접합한 상기 한 쌍의 금속 개스킷을 상기 상대 부재와 함께 적층하여 체결하고,

체결을 풀어 취출한 상기 감압 매체에 남은 흔적에 의해, 상기 실링 비드의 면압 빠짐 개소를 검출하고,

상기 복수의 구조물 중, 상기 면압 빠짐 개소에 가장 가까운 제1 구조물과, 상기 제1 구조물에 가장 가까운 제2 구조물에 4변을 접촉시켜 둘러싸는 직사각형 영역 내에, 추가 용접 개소를 결정하는

방법이다.

본 발명에 의하면 실링 비드에 면압 빠짐이 발생하고 있는 것을 검출하고, 이것을 방지하기 위한 추가 용접 개소를 발견할 수 있다.

도 1은 실시형태의 쌍극판(금속 개스킷)의 평면도이다.
도 2는 실링 비드 및 터널의 주변 구조를 확대하여 나타낸 평면도이다.
도 3은 도 2 중의 A-A선 단면도이다.
도 4의 (a)는 감압 매체에 남은 흔적을 예시한 평면도, 도 4의 (b)는 흔적의 일부를 확대하여 나타낸 평면도이다.

이하, 실시형태를 도면에 기초하여 설명한다.

본 실시형태는 연료전지에 사용되는 금속 개스킷으로서의 쌍극판(11)에 대해, 한 쌍의 쌍극판(11)을 접합하기 위한 용접 개소를 결정하는 용접 개소 결정방법이다. 보다 상세하게는, 쌍극판(11)에 설치되어 있는 실링 비드(31)의 면압 빠짐을 방지하는 용접 개소를 발견하는 방법에 관한 것이다.

<쌍극판(금속 개스킷)의 구조>

도 1에 나타낸 바와 같이, 쌍극판(11)은 직사각형 형상을 가진다. 쌍극판(11)은 개구(12)를 가진다. 개구(12)는 대소 2개의 직사각형 형상을 결합한 형상을 가진다. 반응 전극부(미도시) 등과 함께 쌍극판(11)을 적층시켜 체결하였을 때, 개구(12)는 각종 유체를 유통시키기 위한 매니폴드(미도시)를 형성한다.

개구(12)의 둘레에는, 실링 비드(31)가 2열 병렬로 설치된다. 설명의 편의상, 개구(12)에 가까운 쪽을 실링 비드(제1 실링 비드, 31a), 실링 비드(31a)의 외주측에 위치하는 쪽을 실링 비드(제2 실링 비드, 31b)로도 표기한다. 실링 비드(31)(31a, 31b)에서는, 복수개의 터널(51)이 연결된다. 한 쌍의 쌍극판(11)은 표리가 완전히 반전된 형상을 가진다. 한 쌍의 접합면(13)을 접합시키는 것에 의해, 실링 비드(31)의 내부에 캐비티(32)를 형성하고, 터널(51)의 내부에 연결로(52)를 형성한다(도 3 참조).

도 2 및 도 3에 나타낸 바와 같이, 2열의 실링 비드(31)(31a, 31b)는 개구(12)를 따라 접합면(13)의 이면측으로부터 돌출된다. 실링 비드(31)는 산(山)형의 단면 형상을 가지며, 정상부에 평탄한 실링면(33)을 가진다.

복수개의 터널(51)은 접합면(13)의 이면측으로부터 돌출된 구조물(S)이다. 터널(51)은 산형 형상의 실링 비드(31)의 중복 부분에 연결되고, 캐비티(32)에 연결되는 연결로(52)를 내부에 형성한다. 제1 터널(51a)은 개구(12)를 면하여 설치되며, 개구(12)와 제1 실링 비드(31a) 내의 캐비티(32)를 연결시킨다. 제2 터널(51b)은 제1 실링 비드(31a)와 제2 실링 비드(31b)를 연결하고, 각각의 캐비티(32)를 연결시킨다. 제1 터널(51a)과 제2 터널(51b)은 직선상으로는 배열되어 있지 않으며, 내부의 연결로(52)가 연장되는 방향과 직교하는 방향으로 어긋나게 배열된다.

쌍극판(11)은 또한 정류 비드(71)를 가진다. 정류 비드(71)는 접합면(13)의 이면측으로부터 돌출된 구조물(S)이다. 정류 비드(71)는 접합면(13)의 이면측을 흐르는 유체의 흐름을 제어하며, 유속을 균일화시킨다.

<쌍극판(금속 개스킷)의 용접 개소 결정방법>

본 실시형태의 쌍극판의 용접 개소 결정방법은 접합 공정, 검출 공정, 결정 공정을 가진다. 접합 공정에서는, 한 쌍의 쌍극판(11)의 접합면(13)을 용접에 의해 접합한다. 검출 공정에서는, 실링 비드(31)에 면압 빠짐이 발생한 개소을 검출한다. 결정 공정에서는, 추가 용접 개소를 결정한다.

(1) 용접 공정

한 쌍의 쌍극판(11)의 위치를 맞춰 서로의 접합면(13)을 접합시켜, 한 쌍의 쌍극판(11)을 용접에 의해 고정한다. 도 2 중, 용접한 개소를 일차 용접 개소(W1)로서 나타낸다. 즉, 일차 용접 개소(W1)는 개구(12)에 면하는 복수개의 제1 터널(51a) 사이의 접합면(13)에 위치한다.

일차 용접 개소(W1)에서 용접하는 것에 의해, 한 쌍의 쌍극판(11)이 전혀 옆 어긋남이 없이 접합되면, 실링 비드(31)에 면압 빠짐은 발생하지 않는다. 이 경우, 추가 용접은 불필요하다. 한편, 접합된 한 쌍의 쌍극판(11)에 옆 어긋남이 생기는 경우, 그 위치에 따라서는, 실링 비드(31)의 좌굴에 의한 면압 빠짐이 발생할 가능성이 있다. 본 실시형태에서는, 후술하는 검출 공정에서, 면압 빠짐 발생의 유무와 그 발생 위치를 검출한다. 면압 빠짐이 발생하는 경우에는, 결정 공정에 의해 추가 용접을 하며, 면압 빠짐의 발생을 방지한다.

(2) 검출 공정

실링 비드(31)에 면압 빠짐이 발생하고 있는 개소(이하 「면압 빠짐 개소(C)」라고도 함)를 검출한다.

면압 빠짐 개소(C)를 검출하기 위해서는, 용접에 의해 접합시킨 한 쌍의 쌍극판(11)을 반응 전극부(미도시)와 함께 복수조 적층하여 체결한다. 이때, 실링 비드(31)와 상대 부재 사이에 감압지 등과 같은 감압 매체(101)(도 4의(a)(b) 참조)를 끼워넣어 개재시킨다. 체결에 의해 쌍극판(11)에 가하는 압력은 쌍극판(11)을 사용한 실제 제품, 즉 연료전지의 제조에 있어서 가하는 압력과 동등하게 한다. 이로써, 실링 비드(31)는 휘며, 상대 부재에 밀접하여 실링 작용이 생긴다.

쌍극판(11)을 포함한 적층물을 적층시켜 체결한 후, 체결을 풀어 감압 매체(101)를 취출한다. 실링 비드(31)가 상대 부재에 규정의 압력으로 하여금 밀접하고 있었던 경우, 감압 매체(101)에는 실링 비드(31)와 상대 부재 사이의 밀접 영역 전체에 걸쳐 흔적(102)이 남는다. 흔적(102)에 희미함이나 빠짐(총칭하여 「빠짐(103)」이라고 함)이 있으면, 거기에 면압 빠짐이 발생하고 있다고 판단할 수 있다. 흔적(102)의 빠짐(103)은 예를 들면 화상 검사 장치에 의해 검출될 수 있다. 이와 같이 해서, 실링 비드(31)의 면압 빠짐 개소(C)를 검출한다(도 2 및 도 4의(b) 참조).

(3) 결정 공정

실링 비드(31)에 면압 빠짐이 발생하고 있는 것이 검출된 경우, 면압 빠짐을 해소할 수 있는 추가 용접 개소를 결정한다.

추가 용접 개소는 실링 비드(31)의 면압 빠짐 개소(C)에 가장 가까운 구조물(제1 구조물, S)과, 제1 구조물(S)에 가장 가까운 구조물(제2 구조물, S)에 4변을 접촉시켜 둘러싸는 직사각형 영역(R) 내의 위치이다. 추가 용접 개소는 직사각형 영역(R) 내이면 어디에서라도 좋고, 용접의 용이함 등을 고려하여 위치를 정할 수 있다. 도 2에는, 제1 구조물(S1), 제2 구조물(S2), 추가 용접을 행한 개소인 추가 용접 개소(W2)가 나타나며, 직사각형 영역(R)을 해칭(hatching)으로 나타낸다.

제2 구조물(S2)은 제1 구조물(S1)에 가장 가까운 구조물(S)인 것 이외로, 특별한 조건이 없다. 한편, 본 실시형태에서는, 제1 구조물(S1)이 개구(12)에 가까운 측의 제1 터널(51a)인 경우, 제1 터널(51a) 사이에 일차 용접 개소(W1)가 위치하는 관계상, 제1 터널(51a)을 제2 구조물(S2)로 하면, 원래 있는 일차 용접 개소(W1)에 추가 용접 개소(W2)가 겹칠 가능성이 높다. 따라서, 제1 구조물(S1)이 제1 터널(51a)인 경우, 제1 실링 비드(31a)를 개재하여 제1 구조물(S1)과는 반대측에 위치하는 구조물(S)을 제2 구조물(S2)로 하는 것이 바람직하다.

설명의 편의상, 일차 용접 개소(W1)와 추가 용접 개소(W2)를 합쳐서 용접 개소(W)라고 부른다.

본 실시형태에 의하면, 일차 용접 개소(W1)에 용접을 실시하여 접합한 한 쌍의 쌍극판(11)을 검사하여, 실링 비드(31)의 면압 빠짐을 검출한 경우, 검출된 면압 빠짐 개소(C)에 기초하여, 면압 빠짐을 방지하는 추가 용접 개소(W2)를 발견할 수 있다.

한 쌍의 쌍극판(11)을 용접에 의해 접합하는 실작업 시에는, 일차 용접 개소(W1)와 추가 용접 개소(W2)를 합친 개소를 용접 개소(W)로 하고, 여기에 용접을 실시한다. 이로써, 실링 비드(31)의 면압 빠짐이 방지되며, 실링성이 확보된다. 그 이유는 다음과 같다.

실링 비드(31)는 그 내부를 흐르는 유체의 흐름 방향과 직교하는 방향(좌우 방향)으로 좌굴하기 쉽다. 이로써, 좌우 방향의 양측에 많은 일차 용접 개소(W1)가 있으면, 실링 비드(31)의 좌굴이 억제된다. 그런데, 일차 용접 개소(W1)의 수가 늘어나면 늘어날수록 쌍극판(11)의 접합 작업에 시간이 걸리며, 공간상의 문제로 일차 용접 개소(W1)를 설치하기 어려운 장소도 있다. 이로 인해, 일차 용접 개소(W1)를 과잉하게 설정할 수는 없다.

접합한 한 쌍의 쌍극판(11)을 반응 전극부(미도시)와 함께 복수조 적층시켜 체결하면, 생각도 못하는 장소에서, 실링 비드(31)에 면압 빠짐이 발생하는 것이 판명되었다. 그 원인은 쌍극판(11)끼리 사이에 옆 어긋남이 생기기 때문이라고 추측된다. 터널(51)이나 정류 비드(71) 등의 구조물(S)이 있는 영역은 다른 영역보다 상대적으로 강성이 높다. 이로 인해, 수직 하중을 가하고 있음에도 불구하고, 국소적인 강성 차이로 구조물(S)을 중심으로 꼬는 등 힘이 그 둘레에 가해져, 옆 어긋남이 생기는 것으로 상상된다.

본 실시형태에서는, 면압 빠짐 개소(C)를 검출(검출 공정)하고, 직사각형 영역(R) 내에 추가 용접 개소(W2)를 정한다(결정 공정). 이로써, 한 쌍의 쌍극판(11) 사이에 생기는 옆 어긋남을 방지한다. 추가 용접에 의해 옆 어긋남이 방지되는 것은, 직사각형 영역(R)은, 실링 비드(31)의 면압 빠짐 개소(C)에 가장 가까운 제1 구조물(S1)과, 제1 구조물(S1)에 가장 가까운 제2 구조물(S2)에 4변을 접촉시켜 둘러싸는 영역이기 때문이다. 즉, 면압 빠짐 개소(C)에 가까운 2개의 구조물(S1, S2) 사이의 위치를 추가 용접 개소(W2)로 하는 것에 의해, 구조물(S1, S2)을 중심으로 한 쌍극판(11) 사이의 옆 어긋남이 방지된다.

도 2는 개구(12)에 가까운 열에 위치하는 제1 터널(51a) 중 하나가 제1 구조물(S1)이 되며, 제1 실링 비드(31a)를 개재하여 제1 구조물(S1)과는 반대측에 위치하는 제2 터널(51b) 중 하나가 제2 구조물(S2)이 된 일례를 나타낸다. 이에 대해, 제2 터널(51b) 중 하나가 제1 구조물(S1)인 경우에는, 다른 제2 터널(51b)이 제2 구조물(S2)이 될 수 있다. 또, 면압 빠짐 개소(C)에 따라서는, 정류 비드(71)가 제1 구조물(S1) 또는 제2 구조물(S2)이 될 수도 있다.

이상, 도면에 기초하여 실시형태를 소개하였다. 실시에 있어서는, 상기 실시형태에 한정되지 않으며 다양한 변형이나 변경이 가능하다.

예를 들면, 실시형태의 한 쌍의 쌍극판(11)에서는, 개구(12)를 면하여 설치된 1군의 제1 터널(51a)과, 제1 터널(51a)보다 개구(12)로부터 멀어진 1군의 제2 터널(51b)이 엇갈리게 배열된다. 결정 공정에서는, 제1 터널(51a) 중 하나를 제1 구조물(S1)로 하며, 제2 터널(51b) 중 하나를 제2 구조물(S2)로 하며, 2개의 구조물(S1, S2)에 4변을 접촉시켜 둘러싸는 직사각형 영역(R) 내에 추가 용접 개소를 설치한다. 여기서, 결정 공정에서 직사각형 영역(R)을 정하는 2개의 구조물(S1, S2)은 엇갈리는 교호 배열을 갖는 쌍극판(11)에 한정되지 않는다. 결정 공정은 선택한 2개의 구조물(S1, S2)에 4변을 접촉시켜 둘러싸는 직사각형 영역(R) 내에 추가 용접 개소를 설치하면 된다.

다른 변형예로서, 결정 공정은 도 2에 예시한 것과 같은 2열의 실링 비드(31a, 31b)를 갖는 쌍극판(11)을 대상으로 하고, 추가 용접 개소를 결정하는 공정에 한정되지 않는다.

기타 실시에 있어서는 모든 변형이나 변경이 가능하다.

11 쌍극판
12 개구
13 접합면
31, 31a, 31b 실링 비드
32 캐비티
33 실링면
51, 51a, 51b 터널
52 연결로
71 정류 비드
101 감압 매체
102 흔적
103 빠짐
C 면압 빠짐 개소
R 직사각형 영역
S, S1, S2 구조물
W 용접 개소
W1 일차 용접 개소
W2 추가 용접 개소

Claims

개구의 둘레를 둘러싸는 실링 비드(sealing bead)와, 접합면으로부터 돌출되는 복수의 구조물을 갖는 한 쌍의 금속 개스킷의 상기 접합면을 용접에 의해 접합하고,
상기 실링 비드와 상대 부재 사이에 감압 매체를 개재(介在)시켜, 접합한 상기 한 쌍의 금속 개스킷을 상기 상대 부재와 함께 적층하여 체결하고,
체결을 풀어 취출한 상기 감압 매체에 남은 흔적에 의해, 상기 실링 비드의 면압(面壓) 빠짐 개소를 검출하고,
상기 복수의 구조물 중, 상기 면압 빠짐 개소에 가장 가까운 제1 구조물과, 상기 제1 구조물에 가장 가까운 제2 구조물에 4변을 접촉시켜 둘러싸는 직사각형 영역 내에, 추가 용접 개소를 결정하는, 금속 개스킷의 용접 개소 결정방법.
제1항에 있어서,
상기 실링 비드는,
내주측에 위치하는 제1 실링 비드,
상기 제1 실링 비드의 외주측에 위치하는 제2 실링 비드를 포함하는, 금속 개스킷의 용접 개소 결정방법.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 복수의 구조물은 상기 접합면으로부터 돌출된 복수의 터널을 포함하는, 금속 개스킷의 용접 개소 결정방법.
제3항에 있어서,
상기 복수의 터널은,
상기 개구와 상기 제1 실링 비드를 연결하는 제1 터널,
상기 제1 실링 비드와 상기 제2 실링 비드를 연결하는 제2 터널을 포함하는, 금속 개스킷의 용접 개소 결정방법.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 복수의 구조물은 상기 접합면의 이면측을 흐르는 유체의 흐름을 제어하는 정류 비드를 포함하는, 금속 개스킷의 용접 개소 결정방법.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제2 구조물은 상기 실링 비드를 개재하여 상기 제1 구조물과는 반대측에 위치하는, 금속 개스킷의 용접 개소 결정방법.