KR102248990B1 - 연료전지차용 금속분리판 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 상호 적층 구조로 부착되는 양극판, 다공판 및 음극판으로 이루어진 금속분리판의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 양극판, 다공판 및 음극판 순으로 적층되어 결합하는 금속분리판 제조방법에 있어서, 1)롤 형태에서 권출되는 소재 외면에 그물망 형태의 타공부를 형성 후, 절단부에 의해 소재 양측을 절단하여 상기 다공판을 획득하는 단계와, 2)상기 양극판 상면에 상기 다공판을 안착하여 스폿 용접하는 단계 및 3)상기 양극판과 스폿 용접된 상기 다공판 상부에 상기 음극판을 안착시켜 상호 열 접착하여 금속분리판을 획득하는 단계를 포함하되, 상기 다공판은 외면에 길이방향으로 동일 간격을 갖는 다수의 돌출부가 형성되게 회전하는 천공롤러와 횡 방향으로 마주보도록 회전하는 지지롤러 사이에 해당 소재가 면접하도록 인입되어 상기 돌출부의 가압에 의해 상기 타공부가 형성될 수 있도록 하는 것을 특징으로 한다.

Description

연료전지차용 금속분리판 제조방법{Manufacturing method for metal seperator of fuel cell}

본 발명은 상호 적층 구조로 부착되는 양극판, 다공판 및 음극판으로 이루어진 금속분리판의 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로 연료전지의 기본적인 구조는 전기화학 반응이 일어나는 막-전극 접합체(MEA)와 반응가스를 막-전극 접합체로 고르게 분산시켜주는 다공성 매체인 가스확산층(GDL) 그리고 분리판이 교대로 반복 적층되어 있는 구조이다.

연료전지 중 고분자 전해질막 연료전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell, PEMFC)는 수소와 산소의 전기화학 반응에 의해 전기를 직접 생산하는 발전 장치이다.

고분자 전해질막 연료전지에서는 연료극인 양극(anode)을 통해 수소가 공급되고, 공기극인 음극(cathode)으로는 산소가 공급되며, 연료극으로 공급된 수소는 전해질의 양쪽에 구성된 전극층에 의해 수소 이온과 전자로 분리된다.

수소 이온은 전해질 막을 통과하여 공기극으로 전달되며, 전자의 경우 분리판을 통해 외부 도선을 통한 포집이 이루어져서 전류를 생성시킨다.

그리고, 공기극으로 전달된 수소 이온은 공급된 공기 중의 산소와 만나서 물이 형성된다.

분리판은 발생한 전류를 수집 및 전달하고, 수소와 산소의 직접 접촉을 막아 폭발 및 연소의 위험을 방지하고, 반응가스 및 생성물의 수송, 반응열 전달, 각 전극 및 촉매, 기체 확산층의 접합을 이루기 위한 구조체 역할을 한다.

다공성 분리판은 연료전지의 연료 분배 및 전기화학적 성능을 향상시켜 주지만, 전체적인 형상 및 구조가 매우 복잡하고, 복잡한 형상으로 인하여 분리판의 성형 및 대량생산에 어려움이 있다.

다공성 분리판을 제조하기 위하여, 에칭 가공법 또는 스탬핑 가공법을 활용하고 있으나, 제작 비용 및 제작 시간이 많이 소요되며 성형의 한계로 인하여 세밀하고 다양한 형상의 다공성 분리판의 제조가 어려운 문제가 있다.

대한민국 공개 특허 제10-2015-0134583호

상술한 종래의 문제점을 해결하기 위해 본 발명은 양극판과 음극판 사이에 구비되는 다공판을 용이하게 형성하여 금속분리판을 획득하도록 함으로써, 해당 금속분리판의 제조에 대한 공정시간의 단축과 동시에 양질의 금속분리판을 제조할 수 있는 제조방법을 제공하고자 하는데 그 목적이 있다.

상술한 기술적 과제를 해결하기 위해 본 발명에 따른 연료전지차용 금속분리판 제조방법은 양극판(20), 다공판(10) 및 음극판(30) 순으로 적층되어 결합하는 금속분리판 제조방법에 있어서, 1)롤 형태에서 권출되는 소재(40) 외면에 그물망 형태의 타공부(11)를 형성 후, 절단부(130)에 의해 소재(40) 양측을 절단하여 상기 다공판(10)을 획득하는 단계와, 2)상기 양극판(20) 상면에 상기 다공판(10)을 안착하여 스폿 용접하는 단계 및 3)상기 양극판(20)과 스폿 용접된 상기 다공판(10) 상부에 상기 음극판(30)을 안착시켜 상호 열 접착하여 금속분리판(M/S)을 획득하는 단계를 포함하되, 상기 다공판(10)은 외면에 길이방향으로 동일 간격을 갖는 다수의 돌출부(111)가 형성되게 회전하는 천공롤러(110)와 횡 방향으로 마주보도록 회전하는 지지롤러(120) 사이에 해당 소재(40)가 면접하도록 인입되어 상기 돌출부(111)의 가압에 의해 상기 타공부(11)가 형성될 수 있도록 하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 천공롤러(110)의 둘레면에는 소정의 길이 폭(D1)을 갖는 공간면(113)이 형성되어 상기 돌출부(111)의 가압에 의해 상기 타공부(11) 양측에 소정 길이 폭(D2)을 갖는 평탄부(41)가 형성될 수 있도록 하며, 상기 절단부(130)는 서로 이웃하는 한 쌍이 소정의 길이 폭(D5)을 갖되 소재(40) 양측에 형성된 한 쌍의 상기 평탄부(41)를 절단하여 상기 다공판(10)을 획득하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 절단부(130)는 상기 평탄부(41) 길이 폭(D2)이 동일 간격으로 이등분될 수 있게 소재(40)를 절단하여 상기 타공부(11)를 기준으로 상기 다공판(10) 양측에 스폿 용접을 위한 용접면(13)이 형성될 수 있도록 하는 것이 바람직하다.

또한, 소재(40)에 형성되는 한 쌍의 상기 평탄부(41) 길이 폭(D4)은 상기 천공롤러(110) 둘레길이(C1)와 동일하게 형성되되 해당 소재(40)에 형성되는 상기 타공부(11)의 길이 폭(D3)은 해당 둘레길이(C1)에서 상기 공간면(113)의 길이 폭(D1)을 제외한 나머지 상기 천공롤러(110)의 둘레길이(C2)와 동일한 것이 바람직하다.

또한, 상기 지지롤러(120)는 상기 돌출부(111)의 가압에 의해 상기 지지롤러(120)의 손상방지는 물론, 상기 타공부(11)의 형성이 용이하게 외면이 교체 가능한 쿠션재(121)로 덮혀 있되 외면에는 상방으로 탄성력을 가하는 탄성체(123)가 관통 삽입되어 하방으로 가압하는 상기 돌출부(111)의 진동이 흡수될 수 있도록 하는 것이 바람직하다.

본 발명에 따르면, 종래와는 차별적으로 서로 다른 둘레길이를 갖는 돌출부와 공간면이 형성된 천공롤러 및 상기 천공롤러와 횡방향으로 서로 마주보게 회전하는 지지롤러를 통해 롤 형태에서 일 방향으로 권출되는 소재에 타공부는 물론, 용접면을 위한 평탄부를 신속하게 형성 후, 절단부의 절단을 통해 다공판을 생성하여 양극판과 음극판 사이에 부착되어 금속분리판을 성형함으로써, 상기 금속분리판의 성형에 따른 공정시간을 단축시켜 양질의 물품을 대량으로 생산하여 제공할 수 있는 효과를 갖게 된다.

도 1은 본 발명에 따른 연료전지차용 금속분리판 제조방법의 흐름도.
도 2는 도 1에 대한 소재에 타공부와 평탄부를 형성하는 천공롤러와 지지롤러를 나타낸 도면.
도 3은 도 2에 대한 천공롤러를 나타낸 도면.
도 4는 도 1에 대한 절단부를 이용하여 다공판의 획득을 나타낸 도면.
도 5 및 도 6은 도 1에 대한 획득한 다공판과 양극판의 스폿 용접을 나타낸 도면.
도 7은 도 1에 대한 스폿 용접된 다공판 상부에 음극판이 부착되는 모습을 도시한 도면.

이하, 상기 목적 외에 본 발명의 다른 목적 및 특징들은 첨부 도면을 참조한 실시 예에 대한 설명을 통하여 명백히 드러나게 될 것이며, 다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가진 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 연료전지차용 금속분리판 제조방법(이하, 간략하게 '제조방법'이라 한다)에 대하여 상세히 설명하도록 한다.

먼저, 도 1에 도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 제조방법(1)은 크게 1)롤 형태에서 권출되는 소재 외면에 그물망 형태의 타공부를 형성 후, 절단부에 의해 소재 양측을 절단하여 상기 다공판을 획득하는 단계(S100)와, 2)상기 양극판 상면에 상기 다공판을 안착하여 스폿 용접하는 단계(S200) 및 3)상기 양극판과 스폿 용접된 상기 다공판 상부에 상기 음극판을 안착시켜 상호 열 접착하여 금속분리판을 획득하는 단계(S300)를 포함한다.

더욱 상세하게 설명하면, 상기 1)단계(S100)는 소재(40) 외면에 복수의 타공부(11)를 형성하여 다공판(10)을 획득하고자 하는 단계이다.

이를 위해, 스틸재질로 이루어진 소재(40)는 도 2 내지 도 4에 도시한 바와 같이, 권출 가능한 롤 형태로 회전가능하게 다수의 수직 및 수평프레임 등의 결합으로 이루어진 베이스(미도시)에 설치되어 해당 베이스에 구비된 모터 등과 각각 회전가능하게 결합하는 천공롤러(110)와 지지롤러(120)의 회전을 통해 일 방향으로 이송되어 권출이 가능하게 한다.

이때, 천공롤러(110)와 지지롤러(120)는 횡방향(도면상으로 수직방향)으로 수직되게 베이스에 설치되되 그 사이로 소재(40)가 인입되어 상기 천공롤러(110) 및 상기 지지롤러(120)의 회전 및 가압에 의해 해당 소재(40)가 일 방향으로 이송될 수 있도록 하는 것이 바람직하다. (도 2 참조)

여기서, 천공롤러(110) 외면에는 소재(40) 외면에 다수의 타공부(11)가 동일 간격을 갖도록 천공 형성될 수 있게 돌출부(111)가 외측 방향으로 돌출 구비되며, 상기 돌출부(111)를 통해 일 방향으로 이송되는 소재(40) 외면에 복수의 타공부(11)가 소정의 길이 폭(D3)을 갖게 형성되게 된다.

여기서, 천공롤러(110) 둘레면에는 획득된 다공판(10)에 한 쌍의 용접면(13)이 형성되어 양극판(20)과 서로 스폿 용접이 가능할 수 있게 돌출부(111)가 형성되지 않은 공간면(113)이 소정의 길이 폭(D1)을 갖게 형성된다.

하여, 회전하는 천공롤러(110)와 지지롤러(120) 사이에 인입되어 이송되는 소재(40)가 상기 천공롤러(110) 둘레면에 형성된 돌출부(111)와 접할시에는 해당 소재(40) 외면을 천공하여 타공부(11)를 형성하며, 공간면(113)과 해당 소재(40) 외면이 접하는 부분에서는 단지 가압만 이루어져 다공판(10)에 형성되고자 하는 평탄부(41)가 상기 소재(40) 외면에 형성되어 절단부(130)에 의해 절단공정 이후에 다공판(10) 외면에 상기 타공부(11)는 물론, 상기 공간면(113)의 길이 폭(D1)과 동일하게 소정의 길이 폭(D2)를 갖는 용접면(13)이 형성되도록 하는 것이다.

아울러, 타공부(11)의 길이 폭(D3)은 천공롤러(110)의 둘레면 즉, 상기 천공롤러(110) 외면에 형성된 공간면(113)의 둘레길이(C2)를 제외한 돌출부(111)가 형성된 둘레길이(C1)와 동일한 길이를 가짐으로써, 작업자는 다공판(10)에 형성하고자 하는 타공부(11)의 길이 폭(D3)과 대응하여 서로 다른 외경(h1,h2)을 갖는 상기 천공롤러(110)를 사용하여 상기 타공부(11)의 길이 폭을 조절할 수 있도록 한다. (도 2 참조)

이를 위해, 천공롤러(110)가 회전가능하게 결합하는 베이스는 횡방향으로 장공의 형상을 갖는 회전공을 형성하여 외경이 서로 다른 상기 천공롤러(110)가 해당 베이스에 고정된 상태로 설치되는 지지롤러(120) 상부에 회전가능하게 결합할 수 있도록 한다.

이때, 도시한 바와 같이, 천공롤러(110)의 둘레길이(C1)는 소재(40)에 형성된 타공부(11)를 중심으로 그 양측에 형성되는 한 쌍의 평탄부(41)를 포함하는 길이 폭(D4)과 동일하게 형성되도록 하는 것이 바람직하다.

이와 같이, 천공롤러(110)의 돌출부(111)와 공간면(113)을 통해 소재(40) 외면에 다수의 타공부(11)와 평탄부(41)가 형성된 상태로 상기 천공롤러(110)와 지지롤러(120) 사이에서 해당 소재(40)가 이송에 의해 벗어나면 한 쌍의 블레이드를 포함하는 절단부(130)가 한 쌍의 상기 평탄부(41)로 각각 이동하여 소정 면적을 갖는 다공판(10)의 획득이 가능하게 한다.

아울러, 한 쌍의 절단부(130)는 제어부의 제어신호를 통해 다공판(10)의 획득을 위해 최초에만 한 쌍의 상기 절단부(130)가 동시 이동하여 상기 다공판(10)을 획득하되 최초의 상기 다공판(10) 획득 이후에는 어느 하나의 상기 절단부(130)만 평탄부(41)를 이동하여 또 다른 상기 다공판(10)을 획득할 수 있도록 한다.

이때, 평탄부(41)를 이동하는 한 쌍 또는 어느 하나의 절단부(130)는 상기 평탄부(41) 길이 폭(D4) 중앙부를 절개할 수 있도록 이동하여 최초는 물론, 그 이후에 획득하고자 하는 각각의 다공판(10)에 타공부(11)를 기준으로 한 쌍의 용접면(13)이 형성될 수 있도록 하는 것이 바람직하며, 이를 위해 한 쌍의 상기 절단부(130) 간의 이웃하는 길이 폭(D5)은 각각의 상기 절단부(140)가 상기 평탄부(41) 면적대비 중앙부에 위치할 수 있는 길이 폭을 갖도록 한다.

한편, 본 발명에서의 지지롤러(120)는 도시한 바와 같이, 소재(40) 외면의 손상 방지는 물론, 해당 소재(40) 외면을 천공하는 돌출부(111)가 가압시에 상기 지지롤러(120) 외면에 손상이 가해지지 않도록 그 외면에 쿠션재(121)가 감싸지도록 구비되며, 상기 지지롤러(120)는 그 하부에 구비되는 코일스프링 형태의 탄성체(123)의 탄성력에 의해 타공부(11)가 형성시에 발생할 수 있는 진동 등이 흡수될 수 있도록 한다.

하여, 상방으로 가해지는 탄성체(123)의 탄성력에 의해 쿠션재(121)가 구비된 지지롤러(120)는 용이하게 천공롤러(110)와 횡방향으로 면접하되 그 사이로 소재(40)가 인입되어 상기 천공롤러(110) 및 상기 지지롤러(120)의 회전 및 가압을 통해 해당 소재(40)가 용이하게 이송될 수 있도록 한다.

이때, 소재(40) 하면과 면접하는 쿠션재(121)의 두께는 돌출부(111)가 해당 소재(40)를 관통시에 지지롤러(120)와 직접적인 접촉이 일어나지 않을 정도 즉, 상기 돌출부(111)의 돌출 길이보다 더 길게 형성될 수 있도록 하는 것이 바람직하다.

그 다음, 2)단계(S200)는 도 5 및 도 6에 도시한 바와 같이, 상술한 1)단계(S100)에서 획득한 다공판(10)과 양극판(20)을 스폿 용접하기 위한 단계이다.

이를 통해, 다공판(10)은 한 쌍의 용접면(13) 하면이 양극판(20) 상면과 서로 면접할 수 있게 안착된 상태에서 용접기(140)를 통해 스폿 용접을 실행하여 후술하는 음극판(30)이 부착되기 이전에 상기 다공판(10)이 상기 양극판(20) 상면에 일시적으로 안착 고정될 수 있도록 한다.

이때, 양극판(20) 외면에는 평행하거나 지그재그 형상으로 이루어지되 수소가스가 이동하기 위한 이동로를 제공하는 복수의 채널(21)이 형성되어 있는 것이 바람직하다.

마지막으로, 3)단계(S300)는 도 7에 도시한 바와 같이, 스폿 용접에 의해 양극판(20) 상부에 안착 고정된 다공판(10) 상부에 음극판(30)을 열에 의한 용접 등으로 부착하여 금속분리판(M/S)의 제조가 완성되게 된다.

전술한 바와 같이 본 발명에 따른 제조방법(1)은 종래와는 차별적으로 서로 다른 둘레길이를 갖는 돌출부(111)와 공간면(113)이 형성된 천공롤러(110) 및 상기 천공롤러(110)와 횡방향으로 서로 마주보게 회전하는 지지롤러(120)를 통해 롤 형태에서 일 방향으로 권출되는 소재(40)에 타공부(11)는 물론, 용접면(13)을 위한 평탄부(41)를 신속하게 형성 후, 절단부(130)의 절단을 통해 다공판(10)을 생성하여 양극판(20)과 음극판(30) 사이에 부착되어 금속분리판(M/S)을 성형함으로써, 상기 금속분리판(M/S)의 성형에 따른 공정시간을 단축시켜 양질의 물품을 대량으로 생산하여 제공할 수 있는 효과를 갖게 된다.

이상, 본 발명의 특정 실시예에 대하여 상술하였다. 그러나, 본 발명의 사상 및 범위는 이러한 특정 실시예에 한정되는 것이 아니라, 본 발명의 요지를 변경하지 않는 범위 내에서 다양하게 수정 및 변형 가능하다는 것을 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이해할 것이다.

따라서, 이상에서 기술한 실시예들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이므로, 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 하며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.

1: 본 발명에 따른 연료전지차용 금속분리판 제조방법
10: 다공판
11: 타공부 13: 용접면
20: 양극판
21: 채널
30: 음극판
40: 소재
41: 평탄부
110: 천공롤러 111: 돌출부
113: 공간면 120: 지지롤러
121: 쿠션재 123: 탄성체
130: 절단부
140: 용접기

Claims (5)

1. 양극판(20), 다공판(10) 및 음극판(30) 순으로 적층되어 결합하는 금속분리판 제조방법에 있어서,
   1)롤 형태에서 권출되는 소재(40) 외면에 그물망 형태의 타공부(11)를 형성 후, 절단부(130)에 의해 소재(40) 양측을 절단하여 상기 다공판(10)을 획득하는 단계;
   2)상기 양극판(20) 상면에 상기 다공판(10)을 안착하여 스폿 용접하는 단계; 및
   3)상기 양극판(20)과 스폿 용접된 상기 다공판(10) 상부에 상기 음극판(30)을 안착시켜 상호 열 접착하여 금속분리판(M/S)을 획득하는 단계;를 포함하고,
   상기 다공판(10)은 외면에 길이방향으로 동일 간격을 갖는 다수의 돌출부(111)가 형성되게 회전하는 천공롤러(110)와 횡 방향으로 마주보도록 회전하는 지지롤러(120) 사이에 해당 소재(40)가 면접하도록 인입되어 상기 돌출부(111)의 가압에 의해 상기 타공부(11)가 형성될 수 있도록 하되,
   상기 천공롤러(110)의 둘레면에는 소정의 길이 폭(D1)을 갖는 공간면(113)이 형성되어 상기 돌출부(111)의 가압에 의해 상기 타공부(11) 양측에 소정 길이 폭(D2)을 갖는 평탄부(41)가 형성될 수 있도록 하며,
   절단부(130)는 상기 평탄부(41) 길이 폭(D2)이 동일 간격으로 이등분될 수 있게 소재(40)를 절단하여 상기 타공부(11)를 기준으로 상기 다공판(10) 양측에 스폿 용접을 위한 용접면(13)이 형성될 수 있도록 하고,
   상기 타공부(11)의 길이 폭(D3)은 상기 다공판(10)에 형성하고자 하는 상기 타공부(11)의 길이 폭(D3)과 대응하여 서로 다른 외경(h1, h2)을 갖는 상기 천공롤러(110)를 사용하여 상기 타공부(11)의 길이 폭을 조절할 수 있도록 하는 것을 특징으로 하는 연료전지차용 금속분리판 제조방법.
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