KR100794030B1 - Manufacturing method of integrated graphite separator for fuel cell - Google Patents
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Abstract
본 발명은 연료전지용 일체형 분리판의 제작 방법에 관한 것으로, 다수의 단위 전지에 삽입되어 상기 단위 전지를 상호 분리하며 냉각수가 순환되는 냉각수 유로(310)가 형성된 연료전지용 흑연 분리판(300)에 있어서, 상기 흑연 분리판(300)은, 흑연보다 낮은 용융점을 갖는 저 용융점 금속(120)으로 상기 냉각수 유로(310)의 형상을 갖는 금속 유로 부재(100)를 만드는 단계(S10); 상기 흑연 분리판(300)을 만드는 하판 금형(210) 안에 상기 금속 유로 부재(100)를 넣고 흑연 가루를 채우는 단계(S20); 상기 하판 금형(210) 위에 상판 금형(220)을 놓고 압축 소결하는 단계(S30); 및 압축 소결에 의해 상기 금속 유로 부재(100)가 용융되면 금형(210, 220)의 외부로 저 용융점 금속(120)의 용융액을 배출시키는 단계(S40)를 거쳐 제작되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 일체형 흑연 분리판의 제작 방법을 제공한다. 이에 흑연 분리판의 상판 및 하판을 따로따로 제작하지 않고 일체로 성형할 수 있어 제작 공정이 단축되어 생산 원가의 절감은 물론 공정 시간 단축으로 생산성이 향상되며, 제품의 강도 및 정밀도가 향상되는 효과가 있다.The present invention relates to a method for fabricating an integrated separator plate for a fuel cell, comprising: a fuel cell graphite separator plate (300) having a coolant flow path (310) inserted into a plurality of unit cells to separate the unit cells from each other and circulating cooling water; The graphite separation plate 300 is a step of making a metal flow path member 100 having a shape of the cooling water flow path 310 from a low melting point metal 120 having a lower melting point than graphite (S10); Inserting the metal flow path member (100) into the lower plate mold (210) for making the graphite separating plate (300) (S20); Placing the upper mold 220 on the lower mold 210 and performing compression sintering (S30); And discharging the molten liquid of the low melting point metal 120 to the outside of the molds 210 and 220 when the metal flow path member 100 is melted by compression sintering (S40). Provided is a method for producing a graphite separator. Therefore, the upper and lower plates of the graphite separation plate can be molded integrally without being manufactured separately. Therefore, the manufacturing process is shortened, thereby reducing the production cost and improving the productivity by shortening the process time, and improving the strength and precision of the product. have.
Description
도 1a 및 1b는 종래의 흑연 분리판을 가공하는 방법을 도시한 모식도.1A and 1B are schematic views showing a method of processing a conventional graphite separator.
도 2는 종래의 금속 분리판을 가공하는 방법을 도시한 모식도.Figure 2 is a schematic diagram showing a method of processing a conventional metal separating plate.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 흑연 분리판 가공을 위한 구성 요소를 도시한 개략도.Figure 3 is a schematic diagram showing the components for machining the graphite separator according to an embodiment of the present invention.
도 4는 도 3에 따른 흑연 분리판의 가공 순서를 도시한 모식도.4 is a schematic diagram showing a processing sequence of the graphite separator according to FIG.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명* Explanation of symbols for the main parts of the drawings
100 : 금속 유로 부재 110 : 유로 금형100: metal flow path member 110: flow path mold
120 : 저 용융점 금속 200 : 금형 조립체120: low melting point metal 200: mold assembly
210 : 하판 금형 212 : 수용부210: lower plate mold 212: receiving portion
214 : 하판 형상 220 : 상판 금형214: lower plate shape 220: upper plate mold
222 : 상판 형상 230 : 흑연 가루222: top plate shape 230: graphite powder
300 : 흑연 분리판 310 : 냉각수 유로300: graphite separator 310: cooling water flow path
400 : 배출관 500 : 펌프400: discharge pipe 500: pump
본 발명은 연료전지용 일체형 흑연 분리판의 제작 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 연료전지용 흑연 분리판을 일체로 형성하여 복잡한 냉각수 통로의 설계가 가능하고 제작 효율 및 제품 성능을 향상시킨 연료전지용 일체형 흑연 분리판의 제작 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for manufacturing an integrated graphite separator for fuel cells, and more particularly, to integrally form a graphite separator for fuel cells to enable the design of a complicated cooling water passage, and to improve the production efficiency and product performance. It relates to a manufacturing method of the separator.
일반적으로 연료전지에는 전력을 생산하는 다수의 단위 전지를 상호 구분하고 냉각수를 순환시키는데 용이하도록 다수의 분리판을 사용하고 있다.In general, a plurality of separator plates are used in a fuel cell to easily distinguish a plurality of unit cells that generate electric power and to circulate cooling water.
최근 많이 사용되고 있는 고분자 전해질형 연료전지의 경우 분리판이 전체 연료전지 스택 가격의 60% 정도로 가장 높은 비중을 차지하고 있어 이에 따른 분리판의 제작 원가 절감을 위한 많은 연구가 진행되고 있다.In the case of polymer electrolyte fuel cells, which have been widely used in recent years, the separator has the highest proportion of 60% of the total fuel cell stack price, and thus, many studies have been conducted to reduce the manufacturing cost of the separator.
분리판의 소재로 이용되기 위해 요구되는 특성으로는 낮은 가격 외에도 우수한 가공성, 우수한 기계적 강도와 높은 전기 전도성, 낮은 밀도와 낮은 기체 투과율, 그리고 화학적인 안정성을 들 수 있다. 이러한 다양한 요구 사항을 만족시키는 재료로 현재 탄소와 고분자로 제조한 복합 분리판과, 스테인리스 강을 위주로 한 금속 분리판 개발이 이루어지고 있다.In addition to low cost, the properties required for the material of the separator include excellent processability, excellent mechanical strength and high electrical conductivity, low density and low gas permeability, and chemical stability. As a material that satisfies these various requirements, a composite separator made of carbon and polymer and a metal separator based on stainless steel are being developed.
이러한 분리판의 표면에는 냉각수가 순환되는 냉각수 유로가 정밀하게 복잡하게 구성되는데, 이 냉각수 유로의 제작을 위해 분리판을 일체형으로 제작하지 못하고 상면 및 하면을 각각 가공하여 결합해 사용하고 있다.On the surface of the separator plate, a coolant flow path through which coolant is circulated is precisely complicated. For the production of the coolant flow path, the separator is not manufactured integrally, and the upper and lower surfaces are processed and combined.
첨부된 도 1a 및 1b는 종래의 흑연 분리판을 가공하는 방법을 도시한 모식도이고, 도 2는 종래의 금속 분리판을 가공하는 방법을 도시한 모식도이다.1A and 1B are schematic views showing a method of processing a conventional graphite separator, and FIG. 2 is a schematic view showing a method of processing a conventional metal separator.
도 1에 도시된 바와 같이, 흑연 분리판(10)은 기계에 의한 가공이나 압축 소결(고체의 가루를 틀 속에 넣고 적당히 가압하여 단단하게 만든 다음 녹는점에 가까운 온도로 가열하여 가루들이 서로 증착하거나 재결정화되어 한 덩어리가 되도록 하는 방법)에 의해 상판 및 하판이 따로 가공되어 상호 결합되었다.As shown in Figure 1, the
또한 도 2에 도시된 바와 같이, 금속 분리판(20)은 프레스 성형(프레스로 가압하여 필요한 모양으로 성형하는 방법)에 의해 가공되어 사용되었다.In addition, as shown in FIG. 2, the
그러나 기계 가공의 경우 과다한 공수 때문에 작업 공정이 길어지는 단점이 있고, 압축 소결의 경우 상판 및 하판의 결합 공차가 발생하거나 부분적으로 휘는 문제가 발생하는 경우가 있다. However, in the case of machining, there is a disadvantage in that the working process is long due to excessive maneuvering, and in the case of compression sintering, there may be a problem in that the combined tolerance of the upper and lower plates is caused or partially curved.
또한, 프레스 성형의 경우 복잡한 냉각수 유로를 성형하기 위한 금형을 만드는 작업이 쉽지 않고 금속 분리판의 성형시 냉각수 유로가 불완전하게 성형되거나 부분적으로 휘는 문제가 발생하는 경우가 있다.In addition, in the case of press molding, it is not easy to make a mold for molding a complicated cooling water flow path, and there may be a problem that the cooling water flow path is incompletely formed or partially curved when the metal separation plate is formed.
이러한 문제들에 의해 많은 비용이 발생하게 되고, 상면 및 하면을 따로 제작하여 결합시키므로 결합 부위에 대한 취약성이 우려되기도 한다.Due to these problems, a lot of costs are generated, and because the upper and lower surfaces are manufactured separately and combined, there is a concern about vulnerability to the bonding site.
본 발명의 목적은 흑연 분리판의 상판 및 하판을 분리하여 제작하지 않고 저 용융점을 갖는 금속을 이용해 흑연 분리판을 일체로 성형하는 연료전지용 일체형 흑연 분리판의 제작 방법을 제공하는 것이다.SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a method for producing an integrated graphite separator for a fuel cell in which the graphite separator is integrally formed using a metal having a low melting point without separately manufacturing the upper and lower plates of the graphite separator.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 다수의 단위 전지에 삽입되 어 상기 단위 전지를 상호 분리하며 냉각수가 순환되는 냉각수 유로가 형성된 연료전지용 흑연 분리판에 있어서, 상기 흑연 분리판은, 흑연보다 낮은 용융점을 갖는 저 용융점 금속으로 상기 냉각수 유로의 형상을 갖는 금속 유로 부재를 만드는 단계; 상기 흑연 분리판을 만드는 하판 금형 안에 상기 금속 유로 부재를 넣고 흑연 가루를 채우는 단계; 상기 하판 금형 위에 상판 금형을 놓고 압축 소결하는 단계; 및 압축 소결에 의해 상기 금속 유로 부재가 용융되면 금형의 외부로 저 용융점 금속의 용융액을 배출시키는 단계를 거쳐 제작되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 일체형 흑연 분리판의 제작 방법을 제공한다.In order to achieve the above object, the present invention is inserted into a plurality of unit cells, the unit cells are separated from each other and a cooling water flow path formed with a cooling water passage in which cooling water is circulated, the graphite separation plate, the graphite separation plate, graphite Making a metal flow path member having a shape of the cooling water flow path from a low melting point metal having a lower melting point; Filling the graphite powder with the metal flow path member in a lower mold forming the graphite separator; Placing a top mold on the bottom mold and performing compression sintering; And discharging the molten metal of the low melting point metal to the outside of the mold when the metal flow path member is melted by compression sintering.
압축 소결에 의해 상기 금속 유로 부재가 용융되면 금형의 외부로 저 용융점 금속의 용융액을 배출시키는 단계는 상기 금속 유로 부재가 용융되면 상기 금속 유로 부재를 상기 금형 조립체의 외부로 배출하는 배출관; 및 상기 배출관을 통해 상기 저 용융점 금속의 용융액을 상기 금형 조립체로부터 흡입하는 펌프를 이용하는 것을 특징으로 한다.When the metal flow path member is melted by compression sintering, the step of discharging the melt of the low melting point metal to the outside of the mold comprises: a discharge pipe for discharging the metal flow path member to the outside of the mold assembly when the metal flow path member is melted; And a pump for sucking the melt of the low melting point metal from the mold assembly through the discharge pipe.
상기 저 용융점 금속은 상기 압축 소결 공정의 가열 온도인 200도 이하의 용융점을 갖는 금속인 것을 특징으로 한다.The low melting point metal is characterized in that the metal having a melting point of 200 degrees or less which is the heating temperature of the compression sintering process.
상기 금속 유로 부재는 주물(casting) 방법에 의해 제작되는 것을 특징으로 한다.The metal flow path member is manufactured by a casting method.
이하에서는 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시 예에 대해 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings will be described in detail an embodiment of the present invention.
첨부된 도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 흑연 분리판 가공을 위한 구성 요소를 도시한 개략도이고, 도 4는 도 3에 따른 흑연 분리판의 가공 순서를 도시한 모식도이다.3 is a schematic view showing the components for processing the graphite separator according to an embodiment of the present invention, Figure 4 is a schematic diagram showing the processing sequence of the graphite separator according to FIG.
도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시 예에 따른 흑연 분리판(300)은 먼저 냉각수 유로(310)의 형상으로 금속 유로 부재(100)를 만들고(S10), 이를 금형 조립체(200) 내부에 삽입한 후 흑연 가루(230)를 채운다(S20). 그 후 압축 소결하고(S30), 압축 소결 공정에 의해 저 용융점 금속(120)으로 만들어진 금속 유로 부재(100)가 용융되면 펌프(500)로 이를 빨아들여 배출관(400)을 통해 금형 조립체(200)의 외부로 배출하는 과정(S40)에 의해 만들어진다. As shown in Figure 3 and 4, the
이때 펌프(500)는 진공 펌프를 사용하나, 액화된 저 용융점 금속(120)의 용융액을 금형 조립체(200)의 외부로 배출시킬 수 있다면 그 종류에 제한 없이 사용될 수 있다.At this time, the
도 4에 도시된 바와 같이, 금속 유로 부재(100)는 주물 방법, 즉 흑연 분리판(300)에 형성하고자 하는 냉각수 유로의 형상이 만들어진 유로 금형(110)의 주입구(112)를 통해 저 용융점 금속(120)의 용융액을 부어 만들어진다.As shown in FIG. 4, the metal
저 용융점 금속(120)은 니켈 등과 같이 용융점이 섭씨 200도 이하인 금속을 이용하는 것이 바람직하다. 그 이유에 관해서는 후술하기로 한다.The low
이렇게 냉각수 유로(310)에 해당하는 부분을 미리 제작하여 사용하므로 복잡한 형상을 갖는 냉각수 유로(310)도 손쉽게 성형이 가능하다.Since a portion corresponding to the cooling
저 용융점 금속(120)의 용융액이 굳어 흑연 분리판(300)에 성형하고자 하는 금속 유로 부재(100)를 형성하면 금속 유로 부재(100)를 금형 조립체(200)에 삽입 한다.When the melt of the low
금형 조립체(200)는 하판 금형(210) 및 상판 금형(220)으로 구성되어 흑연 가루(230)를 압축 소결에 의해 흑연 분리판(300)으로 가공한다.The
하판 금형(210)의 내측에는 흑연 가루(230)가 수용되는 수용부(212)가 형성되며, 수용부(212)의 바닥면에는 흑연 분리판(300)의 하판 형상(214)이 성형되어 있다. 이 하판 형상(214) 위에 금속 유로 부재(100)가 삽입된다. An
금속 유로 부재(100)가 수납된 후 흑연 가루(230)가 수용부(212)에 채워지고, 그 상부에 상판 금형(220)이 결합된다.After the metal
상판 금형(220)은 하판 금형(210)의 상측에 결합되는데, 하부 판면에 흑연 분리판(300)의 상판 형상(222)이 성형되어 있다. The
상판 금형(220)이 하판 금형(210)의 상부에 위치한 후 프레스로 상판 금형(220)을 가압하고 열을 가하여 압축 소결(고체의 가루를 틀 속에 넣고 적당히 가압하여 단단하게 만든 다음 녹는점에 가까운 온도로 가열하여 가루들이 서로 증착하거나 재결정화되어 한 덩어리가 되도록 하는 방법) 공정을 진행한다.After the
이 과정에서 금속 유로 부재(100)의 외부를 흑연 가루(230)가 감싼 상태로 상판 금형(220)에 형성된 상판 형상(222)과 하판 금형(210)에 형성된 하판 형상(214) 간에 증착 등에 의한 상호 접합이 일어나게 된다. In this process, the
이때 약 200도 정도로 금형 조립체(200)를 가열하게 되는데, 저 용융점 금속(120)으로 만들어진 금속 유로 부재(100)는 이 가열 과정에서 용융되어 액화된다. 따라서 저 용융점 금속(120)은 압축 소결 온도인 섭씨 200도 이하에서 용융될 수 있는 금속이어야 한다.At this time, the
액화된 저 용융점 금속(120)의 용융액은 진공 펌프(500)에 의해 배출관(400)으로 배출되어 금형 조립체(200)의 외부로 배출된다.The molten liquid of the liquefied low
이를 위해 배출관(400)은 금형 조립체(200) 및 진공 펌프(500)와 연결되는데, 금형 조립체(200) 내부의 냉각수 유로(310)가 시작되는 부분과 끝나는 부분에 연결되어야 할 것이다(도 3 참조).To this end, the
흑연 분리판(300)의 상판 형상(222) 및 하판 형상(214)이 일체로 접합되고 내부에 수용되어 있던 금속 유로 부재(100)가 용융되어 배출되므로, 흑연 분리판(300)의 내부에 금속 유로 부재(100)의 형상에 대응하는 냉각수 유로(310)가 형성된다.Since the
이러한 방법에 의해 흑연 분리판(300)이 상판 및 하판을 따로 제작하지 않고 일체로 성형이 가능해진다. In this manner, the
또한, 냉각수 유로(310)를 저 용융점 금속(120)으로 미리 성형하여 흑연 분리판(300)의 일체화 성형 후 배출시키므로 아무리 복잡한 냉각수 유로(310)가 필요하더라도 손쉽게 성형할 수 있는 장점이 있다.In addition, since the cooling
한편 본 발명은 상기한 실시 예에 한정되지 않으며, 특허청구범위에서 청구된 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양하게 변형 실시할 수 있는 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 기재된 청구범위 내에 있게 된다.Meanwhile, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and any person having ordinary skill in the art to which the present invention pertains may make various modifications without departing from the gist of the present invention as claimed in the claims. Of course, such changes will fall within the scope of the claims set forth.
이상 설명한 바와 같이 본 발명의 일 실시 예에 따른 연료전지용 일체형 흑연 분리판의 제작 방법을 통해 흑연 분리판의 상판 및 하판을 따로따로 제작하지 않고 일체로 성형할 수 있어 제작 공정이 단축되어 생산 원가의 절감은 물론 공정 시간 단축으로 생산성이 향상되며, 제품의 강도 및 정밀도가 향상되는 효과가 있다.As described above, the manufacturing method of the integrated graphite separator for fuel cell according to an embodiment of the present invention can be molded integrally without separately manufacturing the upper and lower plates of the graphite separator, so that the manufacturing process is shortened to reduce the production cost. Productivity is improved by reducing the process time, as well as reducing the strength and precision of the product.
또한, 복잡한 냉각수 유로를 보다 손쉽게 설계할 수 있어 냉각 효과가 증대되고, 가공상의 한계성이 극복되므로 복잡한 흑연 분리판을 제작할 수 있어 연료전지의 효율이 향상된다.In addition, the complex cooling water flow path can be more easily designed, thereby increasing the cooling effect and overcoming the limitations in processing, thereby making it possible to manufacture a complex graphite separation plate, thereby improving fuel cell efficiency.
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