KR20230076240A - 연료전지 분리판 제조방법 - Google Patents

연료전지 분리판 제조방법 Download PDF

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Abstract

상부금형과 하부금형 사이에 소재를 배치하는 소재준비단계, 상부금형과 하부금형 사이를 좁혀 상기 소재의 둘레를 이중으로 압박하여 고정하는 소재고정단계 및 상부포밍금형과 하부포밍금형을 이동시켜 상기 소재에 유로를 포밍하는 포밍단계를 포함하는 연료전지 분리판 제조방법이 개시된다.

Description

연료전지 분리판 제조방법{MANUFACTURING METHOD OF FUEL CELL SEPERATOR}
본 발명은 연료전지 분리판의 제조방법에 관한 것이다.
특히, 연료전지 분리판을 제조 시 연료전지분리판을 불량없이 포밍할 수 있는 연료전지 분리판의 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로 연료전지(fuel cell)는 연료와 산화제의 전기 화학반응을 통해 전기에너지를 발생시키는 에너지 변환 장치이며, 연료가 계속적으로 공급되는 한 지속적으로 발전이 가능한 장점이 있다.
이러한 연료전지는 전기를 생성하는 스택, 스택으로 연료를 공급하는 연료공급부 및 스택으로 산화제를 공급하는 산화제 공급부로 이루어진다. 또한, 이 스택은 막전극조립체(Membrane Electrode Assembly)와 분리판(Separator)이 순차적으로 적층된 구조를 이루며, 막전극조립체는 연료의 산화 및 환원제의 환원 반응을 통해전기를 생성한다.
분리판은 연료전지 스택에서 각 전지를 분리하고 있는 전도성 판으로, 인접한 두 전지에서 한 전지에서는 연료극판으로 다른 한 전지에서는 공기극판으로 기능한다. 분리판은 연료가스와 공기를 차단하는 역할 외에 연료가스와 공기의 유로 확보 및 외부 회로에 전류를 전달하는 역할을 하므로, 높은 전기 전도성, 내식성, 열전도성과 함께 낮은 기체 투과성이 요구된다.
그러기에 분리판은 다양하고 미세한 유로가 형성되어야 하므로 제조가 매우 어렵다. 분리판은 일례로 프레스 공정을 통하여 제조될 수 있다. 즉, 분리판은 소재를 사이에 두고, 상부금형과 하부금형의 가압으로 인하여 소재에 유로를 형성하는 방식으로 제조될 수 있다.
그러나 이렇게 제조되는 분리판은 불량률이 매우 높은 실정이다. 그 이유를 살펴보면, 소재를 사이에 두고 상부금형, 하부금형이 소재를 가압하는 과정에서 소재가 정위치에 고정되지 않고 이동되어 소재가 잘못 변형되기 때문인 것으로 확인되었다.
등록특허 제10-2019612호 "연료전지분리판의 유로 형성시스템"
일 실시예에 의한 본 발명인 연료전지 분리판 제조방법은 소재를 포밍 시 소재의 이동을 방지하여 정확한 위치에 유로를 형성함으로써 불량률이 저감될 수 있는 연료전지 분리판 제조방법을 제공하는 데 목적이 있다.
일 실시예에 의한 연료전지 분리판 제조방법은 상부금형과 하부금형 사이에 소재를 배치하는 소재준비단계, 상부금형과 하부금형 사이를 좁혀 상기 소재의 둘레를 이중으로 압박하여 고정하는 소재고정단계 및 상부포밍금형과 하부포밍금형을 이동시켜 상기 소재에 유로를 포밍하는 포밍단계를 포함한다.
상기 소재고정단계에서 상부금형에는 상부금형의 둘레를 따라서 상부비드가 배치되고, 하부금형에는 하부금형의 둘레를 따라서 하부비드가 배치되며, 상기 상부비드와 하부비드 중 어느 하나에는 이격된 위치에 돌출된 고정돌기가 형성되고 다른 하나에는 상기 고정돌기에 대응하는 고정홈이 형성된 것을 특징으로 한다.
상기 상부금형과 하부금형의 둘레에는 설치홈이 형성되고, 상기 설치홈과 연통되는 연통홈이 형성되며, 상기 상부비딩과 하부비딩은 각각 상부금형과 하부금형의 설치홈에 배치되고, 고정체가 상기 연통홈을 관통하며 배치되어 상기 상부비딩과 하부비딩을 고정하는 것을 특징으로 한다.
상기 상부비드는 3개의 피스로 구성되며, 3개의 피스 중 가운데 피스는 하면이 평평하게 형성되고, 나머지 피스는 고정홈이 형성되어 있으며, 상기 가운데 피스는 가압실린더와 연결되어 있어서, 상기 가압실린더가 동작되어 가운데 피스가 소재를 가압한 후 상부금형이 하부금형으로 가까워지는 것을 특징으로 한다.
상기 상부금형에는 상기 설치홈과 이격된 위치에 가이드홈이 형성되며, 상기 가이드홈에는 가이드비드가 배치되며, 상기 가이드비드는 가이드실린더와 연결되어 있어서, 상기 가압실린더가 동작되기 전 상기 가이드실린더가 동작되어 상기 가이드비드가 상기 소재를 가압하는 것을 특징으로 한다.
일 실시예에 의한 본 발명은 소재의 외곽측에 상부비드와 하부비드를 이용하여 이중 절곡 구조를 형성하여 다단으로 소재를 잡은 후 상부포밍금형과 하부포밍금형을 이동시켜 소재를 가공함으로써 소재가 이동되지 않아 불량률이 저감될 수 있다.
도 1은 일 실시예에 의한 본 발명인 연료전지 분리판 제조방법의 순서도이다.
도 2는 일 실시예에 의한 본 발명인 연료전지 분리판 제조방법에 활용되는 금형들의 분해도이다.
도 3은 일 실시예에 의한 본 발명인 연료전지 분리판 제조방법에 활용되는 금형들의 일부분 확대도이다.
도 4a는 일 실시예와 다른 실시예에 의한 본 발명인 연료전지 분리판 제조방법에 활용되는 금형들의 일부분 확대도이고 도 4b는 도 4a의 금형들이 동작된 후 상태를 도시한 것이다.
도 5a 내지 도 5c는 다른 실시예에 의한 본 발명인 연료전지 분리판 제조방법에 활용되는 금형들의 일부분 확대도이다.
도 6a 내지 도 6d는 또 다른 실시예에 의한 본 발명인 연료전지 분리판 제조방법에 활용되는 금형들의 일부분 확대도이다.
도 7은 일 실시예에 의한 본 발명의 금형들이 동작된 후 최종 상태의 단면도를 도시한 것이다.
이하, 본 발명의 일실시예를 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 그러나 이는 본 발명의 범위를 한정하려고 의도된 것은 아니다.
각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
또한, 도면에 도시된 구성요소의 크기나 형상 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시될 수 있다. 또한, 본 발명의 구성 및 작용을 고려하여 특별히 정의된 용어들은 본 발명의 실시예를 설명하기 위한 것일 뿐이고, 본 발명의 범위를 한정하는 것이 아니다.
도 1은 일 실시예에 의한 본 발명인 연료전지 분리판 제조방법의 순서도이고, 도 2는 일 실시예에 의한 본 발명인 연료전지 분리판 제조방법에 활용되는 금형들의 분해도이며, 도 3은 일 실시예에 의한 본 발명인 연료전지 분리판 제조방법에 활용되는 금형들의 일부분 확대도이다.
도 1을 통하여 일 실시예에 의한 본 발명인 연료전지 분리판 제조방법의 순서를 살펴보면, 본 발명인 연료전지 분리판 제조방법은 소재준비단계, 소재고정단계, 포밍단계를 포함한다.
소재준비단계는 상부금형(100)과 하부금형(200) 사이에 포밍이될 소재를 준비하고 배치하는 단계이다. 소재는 설정된 두께를 가지는 플레이트의 형상으로 형성됨이 바람직하다. 준비된 소재는 하부금형(200)에 배치되어 준비됨이 바람직하다.
소재고정단계는 상부금형(100)과 하부금형(200) 사이를 좁혀 소재의 둘레를 압박하여 소재의 둘레에 고정을 위한 돌기를 형성하는 단계이다. 소재고정단계에서는 소재의 둘레에 설정된 형상(예를 들면 사각형)으로 돌기를 형성한다. 소재의 둘레에 형성된 돌기는 소재의 중앙 부분에 유로들이 형성될 때 고정을 소재가 포밍 과정 중 움직이지 않고 고정되도록 할 수 있다. 즉, 소재고정단계에서는 상부금형(100)과 하부금형(200)이 소재의 둘레를 적어도 이중으로 압박하여 고정할 수 있다.
포밍단계는 소재의 가운데 부분에 유로를 포밍하는 단계이다. 포밍단계는 상부포밍금형(150)과 하부포밍금형(250)을 이동시켜 소재에 유로를 형성하는 단계이다. 여기서 상부포밍금형(150)과 하부포밍금형(250)이 소재를 가압할 때 전술한 소재고정단계에서 상부금형(100)과 하부금형(200)이 소재의 둘레를 이중으로 압박한 채 소재의 둘레에 이중의 돌기를 형성하고, 소재를 고정하므로 소재는 위치가 움직이지 않은 채 고정될 수 있다. 따라서 본 발명은 분리판에 미세한 유로를 형성할 때 소재가 움직이지 않음으로 미세하고 복잡한 유로를 형성할 수 있다.
도 2, 도 3을 통하여 전술한 분리판을 제조하는 방법을 수행하는 본 발명의 금형들을 살펴보면, 금형들은 상부금형(100), 하부금형(200), 상부포밍금형(150), 하부포밍금형(250)을 포함한다. 여기서, 상부금형(100)에는 상부금형(100)의 둘레를 따라서 상부비드(130)가 배치되고, 하부금형(200)에는 하부금형(200)의 둘레를 따라서 하부비드(220)가 배치된다.
상부금형(100)은 가압실린더와 연결되며, 상하로 이동 가능하게 형성된다. 상부금형(100)은 중앙에 상부홀(110)이 형성되고, 둘레를 따라서 설치홈(120)이 형성되며, 설치홈(120)과 연통되는 연통홈(121)이 형성된다. 상부홀(110)은 상부포밍금형(150)이 이동될 수 있는 공간이 될 수 있다. 상부금형(100)의 설치홈(120)에는 상부비드(130)가 배치되고, 연통홈(121)을 통해서 고정체가 배치되어 상부비드(130)는 설치홈(120)에서 고정될 수 있다.
하부금형(200)은 베드에 고정되어 배치될 수 있다. 하부금형(200)은 상부금형(100)과 마찬가지로 가운데 하부홀(210)이 형성되며, 둘레를 따라서 설치홈(120)이 형성되고, 설치홈(120)과 연통되는 연통홈(121)이 형성될 수 있다. 하부금형(200)의 하부홀(210)은 하부포밍금형(250)이 이동되는 공간이 될 수 있으며, 하부금형(200)의 설치홈(120)에는 하부비드(220)가 상부비드(130)와 마찬가지 형태로 배치될 수 있다.
여기서 상부금형(100)과 하부금형(200) 중 어느 하나에는 두 개의 고정돌기가 형성되고, 다른 하나에는 두 개의 고정돌기와 대응되는 위치에 두 개의 고정홈이 형성된다. 다만, 소재의 고정을 위하여 상부금형(100)에 고정돌기가 형성되고, 하부금형(200)에 고정홈이 형성되는 것이 바람직하다.
상부포밍금형(150)은 소재에 유로를 형성하기 위한 상부성형코어가 하면에 형성될 수 있다. 하부포밍금형(250)은 상부성형코어와 대응되는 형태의 하부성형코어가 상면에 형성될 수 있다. 한편, 상부비드(130) 하부비드(220)에는 미도시되어 있으나, 길이방향으로 벤트홀이 형성되어 공기를 외부로 배출할 수도 있다.
이러한 본 발명의 금형들을 통하여 분리판이 제조되는 과정을 살펴보면 분리판을 정렬하여 하부금형(200)에 배치하고(소재준비단계), 가압실린더를 동작하여 상부금형(100)을 이동시켜 소재를 가압한다. 그러면 상부비드(130)와 하부비드(220)의 고정돌기와 고정홈으로 인하여 소재의 둘레에 이중의 돌기가 형성될 수 있다. (소재고정단계) 그후 상부포밍금형(150)과 하부포밍금형(250)을 이동시켜 소재에 유로를 형성한다. (포밍단계)
도 4a는 일 실시예와 다른 실시예에 의한 본 발명인 연료전지 분리판 제조방법에 활용되는 금형들의 일부분 확대도이고 도 4b는 도 4a의 금형들이 동작된 후 상태를 도시한 것이다.
도 4a에 따른 금형은 상부비드(130)에 고정홈이 하부비드(220)에 고정돌기가 형성되어 있으며, 하부비드(220)는 어퍼실린더와 연결되어 있다. 하부비드(220)는 하부금형(200)에 배치 시 고정돌기가 하부금형(200)의 상면과 수평하도록 위치될 수 있다. 즉, 하부비드(220)는 설치홈(120) 내로 배치되어 있다. 따라서 소재가 하부금형(200)에 배치되는 경우 안정적으로 하부금형(200)에 배치될 수 있다.
도 4a에 의한 금형들은 상부금형(100)이 하부금형(200) 방향으로 이동되어 소재를 고정하고, 도 4b와 같이 어퍼실린더가 동작되어 소재의 둘레를 가압하여 이중의 돌기를 형성할 수 있다. 따라서 소재는 안정적으로 고정된 채 이중 돌기가 형성되며, 그 위치가 유지될 수 있다.
즉, 도 4a,4b에서 도시된 바와 같이 상부금형(100)과 하부금형(200)은 평평한 하면과 상면을 가지고 있는데, 상부금형(100)이 하부금형(200) 방향으로 이동되어 소재를 가압하는 경우 소재는 상부금형(100)과 하부금형(200)의 평평한 부분에 위치되어 고정될 수 있다. 그후 어퍼실린더가 동작되어 하부비드(220)를 상부비드(130) 방향으로 이동되어 소재에 이중 돌기 구조가 형성될 수 있다. 그러므로 소재는 안정적으로 위치가 고정된 채 둘레에 이중의 돌기가 형성되므로, 소재의 위치가 변형되지 않을 수 있다.
도 5a 내지 도 5c는 다른 실시예에 의한 본 발명인 연료전지 분리판 제조방법에 활용되는 금형들의 일부분 확대도이다.
도 5a 내지 도 5c에 의한 본 발명인 금형은 상부비드(130)가 3개의 피스로 구성될 수 있으며, 가운데 피스에 가압실린더(전술하여 설명한 상부금형(100)과 하부금형(200)에 연결된 가압실린더와는 다른 구성임)가 연결될 수 있다. 도 4에서는 본 발명의 특징을 설명하기 위하여 설치홈(120), 연결홈, 고정체 등은 생략하였으며 본 발명의 설명을 위한 핵심 구성인 상부비드(130)와 하부비드(220) 등만을 도시하였음에 유의여야 한다.
상부비드(130)는 제1피스(131), 제2피스(132), 제3피스(133)로 구성될 수 있다. 그리고 제2피스(132)에는 가압실린더가 연결되어 있다. 제1피스(131)와 제3피스(133)의 하면에는 고정돌기가 형성되어 있다. 하부비드(220)의 상면에는 제1피스(131), 제3피스(133)와 대응되는 위치에 고정홈이 각각 형성된다.
이와 같이 형성된 본 발명은 소재고정단계에서 다음과 같이 동작될 수 있다. 도 5b에 도시된 바와 같이 제2피스(132)에 연결된 가압실린더가 동작되어 소재를 하부금형(200) 방향으로 가압하여 1차로 고정을 하고, 그후 도 5c에 도시된 바와 같이 상부금형(100)이 동작되어 제1피스(131)와 제2피스(132)가 소재를 가압하여 소재에 이중의 돌기를 형성한다.
본 발명이 이와 같이 동작되는 이유는 도 2, 3을 통하여 설명한 일 실시예에 의한 금형으로 소재에 이중 돌기를 형성하는 경우, 그 과정에서 소재가 움직이며, 잘못된 위치에 이중 돌기가 형성되는 문제가 발생되었기 때문이다.
이를 해결하기 위하여 본 발명은 제2피스(132)를 통하여 먼저 소재를 1차로 고정하고 그 후에 제1피스(131), 제3피스(133)를 이용하여 소재의 둘레를 가공하였다. 그럼으로 인하여 본 발명은 움직이지 않을 수 있다.
도 6a 내지 도 6d는 또 다른 실시예에 의한 본 발명인 연료전지 분리판 제조방법에 활용되는 금형들의 일부분 확대도이다.
도 6a 내지 도 6d에 의한 금형들은 가이드홈, 가이드비드(140), 가이드실린더를 추가로 포함할 수 있다.
가이드홈은 상부금형(100)에 형성된 홈으로 전술한 설치홈(120)과 연통된 홈일 수 있다. 따라서 상부비드(130)를 기준으로 도 6a에서 확인될 수 있듯이 좌측과 우측에 각각의 가이드비드(140)가 배치될 수 있다. 즉, 상부비드(130)를 기준으로 좌측에는 제1가이드비드(141), 우측에는 제2가이드비드(142)가 배치될 수 있다.
가이드비드(140)는 가이드실린더와 연결될 수 있다. 따라서 가이드비드(140)는 가이드 실린더의 동작에 따라 하부비드(220) 방향으로 이동될 수 있다. 여기서 가이드비드(140)는 하면이 평평하게 형성될 수 있다. 도 6a 내지 도 6d와 같이 본 발명이 가이드비드(140)를 포함하는 이유는 보다 소재를 안정적으로 고정하기 위함이다.
즉, 도 6b 내지 도 6d를 통하여 본 발명의 금형의 동작을 설명하자면, 도 6b에서 확인할 수 있듯이 소재가 고정되고 난 후 가이드실린더가 동작되어 제1가이드비드(141), 제2가이드비드(142)가 하부비드(220) 방향으로 이동될 수 있다. 따라서 소재는 적어도 두 지점이 고정될 수 있다.
그후에 도 6c에서 확인할 수 있듯이 제2피스(132)에 연결된 가압실린더가 동작되어 소재의 가운데 지점을 가압하여 고정한다. 그러면 소재는 안정적으로 3지점이 가압되어 고정될 수 있다.
그후 도 6d에서 도시된 바와 같이 상부금형(100)이 하부금형(200) 방향으로 이동되어 제1피스(131)와 제3피스(133)가 소재를 가압하여 소재에 이중의 돌기를 형성할 수 있다. 그럼으로 인하여 소재는 안정적으로 그 위치가 고정될 수 있다.
도 7은 일 실시예에 의한 본 발명의 금형들이 동작된 후 최종 상태의 단면도를 도시한 것이다.
도 7에서 확인되는 바와 같이 본 발명은 소재의 둘레에 이중의 돌기가 형성되어 소재가 고정된채 상부포밍금형(150)과 하부포밍금형(250)이 소재를 가압함으로써 소재의 위치가 안정적으로 유지되며 변형이 일어날 수 있다. 따라서 정확한 위치에 정확한 유로가 형성된 분리판을 제조할 수 있다.
본 발명은 특정한 실시 예에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 이하의 특허청구범위에 의해 제공되는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 한도 내에서, 본 발명이 다양하게 개량 및 변화될 수 있다는 것은 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.
100 : 상부금형
110 : 상부홀
120 : 설치홈
121 : 연통홈
130 : 상부비드
131 : 제1피스
132 : 제2피스
133 : 제3피스
140 : 가이드비드
141 : 제1가이드비드
142 : 제2가이드비드
150 : 상부포밍금형
200 : 하부금형
210 : 하부홀
220 : 하부비드
250 : 하부포밍금형

Claims (6)

  1. 상부금형과 하부금형 사이에 소재를 배치하는 소재준비단계;
    상부금형과 하부금형 사이를 좁혀 상기 소재의 둘레를 이중으로 압박하여 고정하는 소재고정단계; 및
    상부포밍금형과 하부포밍금형을 이동시켜 상기 소재에 유로를 포밍하는 포밍단계
    를 포함하는 연료전지 분리판 제조방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 소재고정단계에서
    상부금형에는 상부금형의 둘레를 따라서 상부비드가 배치되고,
    하부금형에는 하부금형의 둘레를 따라서 하부비드가 배치되며,
    상기 상부비드와 하부비드 중 어느 하나에는 이격된 위치에 돌출된 고정돌기가 형성되고 다른 하나에는 상기 고정돌기에 대응하는 고정홈이 형성된 것
    을 특징으로 하는 연료전지 분리판 제조방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 상부금형과 하부금형의 둘레에는 설치홈이 형성되고, 상기 설치홈과 연통되는 연통홈이 형성되며,
    상기 상부비딩과 하부비딩은 각각 상부금형과 하부금형의 설치홈에 배치되고,
    고정체가 상기 연통홈을 관통하며 배치되어 상기 상부비딩과 하부비딩을 고정하는 것
    을 특징으로 하는 연료전지 분리판 제조방법.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 상부비드는 3개의 피스로 구성되며,
    3개의 피스 중 가운데 피스는 하면이 평평하게 형성되고, 나머지 피스는 고정홈이 형성되어 있으며,
    상기 가운데 피스는 가압실린더와 연결되어 있어서,
    상기 가압실린더가 동작되어 가운데 피스가 소재를 가압한 후 상부금형이 하부금형으로 가까워지는 것
    을 특징으로 하는 연료전지 분리판 제조방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 상부금형에는
    상기 설치홈과 이격된 위치에 가이드홈이 형성되며, 상기 가이드홈에는 가이드비드가 배치되며, 상기 가이드비드는 가이드실린더와 연결되어 있어서,
    상기 가압실린더가 동작되기 전 상기 가이드실린더가 동작되어 상기 가이드비드가 상기 소재를 가압하는 것
    을 특징으로 하는 연료전지 분리판 제조방법.
  6. 소재가 안착될 수 있으며, 하부홀이 형성되며 상면에 둘레를 따라서 하부비드가 배치된 하부금형;
    상기 하부금형과 이격되어 위치되며 상부홀이 형성되고 하면에 둘레를 따라서 하부비드가 배치되며 상기 하부금형으로 이동되어 상기 소재를 가압하는 상부금형;
    상기 하부금형의 하부홀을 통하여 이동할 수 있으며 상기 소재를 가압하는 하부포밍금형; 및
    상기 상부금형의 상부홀을 통하여 이동할 수 있으며, 상기 소재를 가압하여 상기 소재에 유로를 형성하는 하부포밍금형
    을 포함하는 연료전지 분리판 제조 금형.
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