KR20100020308A - 연료전지 분리판 성형용 금형장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 연료전지 분리판의 사출성형 또는 압축성형에 이용가능한 연료전지 분리판 성형용 금형장치에 관한 것으로, 성형되는 연료전지 분리판의 외곽부의 두께가 얇아지는 것을 방지하여 부위별 두께편차를 최소화할 수 있는 연료전지 분리판 성형용 성형장치에 관한 것이다.

연료전지 분리판, 런너, 게이트, 2 캐비티

Description

연료전지 분리판 성형용 금형장치{MOLDING APPARATUS FOR FUEL CELL SEPARATOR}

본 발명은 연료전지 분리판 성형용 금형장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 사출 또는 사출압축성형되는 연료전지 분리판의 부위별 두께편차를 최소화할 수 있는 연료전지 분리판 성형용 금형장치에 관한 것이다.

근래에 들어서 유가는 계속 급등하고 있다. 뿐만 아니라 계속되는 석유연료의 사용으로 인한 이산화탄소 배출로 인해 환경오염 문제는 심각해져만 가고 있다. 이에 세계는 기후협약, 도쿄의정서 등의 방법을 내놓으며 환경오염문제를 해결하기 위하여 노력하고 있다. 그 노력의 하나로 선진국에서는 태양광, 풍력, 연료전지 등 대체 에너지에 대한 개발을 서두르고 있다. 그 중 전기 분해 열반응을 통해 에너지를 발생시키는 연료전지가 주목을 받고 있다.

연료전지는 물 이외에는 배출물이 전혀 없는 친환경 발전 장치일 뿐만아니라 효율도 매우 높다. 연료전지의 구성은 크게 스택, 개질기, 전력변환기로 구성되는데 그중 스택이 장치의 중추적인 역할을 한다. 스택은 수내지 수십장의 셀(cell) 로 이루어져 있는데, 각 셀은 분리판과 막 전해질 조립체(Membrane-electrolyte assembly: MEA)로 구성된다.

분리판은 막 전해질 조립체를 기준으로 수소극과 공기극으로 구분 되는데, 스택을 지지하는 지지체로서의 역할을 위해 기계적 강도가 우수해야 하며, 동시에 전기적 특성을 가져야 하는 등 연료전지 시스템에서 기술력이 크게 요구되는 부품 중 하나이다.

현재 분리판은 소재 측면에서 흑연괴, 금속, 탄소복합재로 나뉘는데, 흑연괴의 경우 가공비용 면에서, 금속분리판의 경우 부식문제 면에서 해결해야할 과제가 남아 있다.

반면 탄소복합재 성형분리판의 경우 비용이 저렴할 뿐만 아니라 부식 발생의 문제도 없어 활발한 연구가 진행되고 있다. 탄소복합재 분리판은 열경화성 수지 혹은 열가소성 수지를 전도성 필터와 혼합 혹은 혼련하여 만든 소재를 이용하여 성형하는데, 열경화성 수지를 이용한 소재의 경우 주로 압축 프레스를 사용하여 성형하고, 열가소성 수지를 이용한 소재의 경우 압축 프레스와 사출기를 모두 이용하여 성형할 수 있다.

그러나 열경화성 수지를 이용한 압축 성형의 경우 열가소성 수지를 이용한 사출성형에 비해 사이클타임이 길어 대량생산 및 양산화에는 어려움이 있다. 분리판의 성형시간 단축과 대량 생산은 연료전지의 상용화를 위해 반드시 해결해야 할 문제이다. 또한, 과량의 전도성 필터로 인해 흐름성이 떨어지는 분리판 소재의 특성상 사출성형에도 큰 어려움이 있는 것이 사실이다.

이러한 문제점들을 해결하기 위하여 금형 가열 냉각 방법, 핫런너 방법, 사출압축성형 방법 등이 시도되고 있으나 이 또한 해결해야 할 많은 문제점들을 가지고 있다.

금형 가열 냉각 방법은 고온과 저온을 반복함으로서 금형에 변형을 일으켜 손상 위험을 발생시킬 수 있다. 또한 금형 냉각에 시간이 걸려 생산성을 저하시키는 문제점을 갖고 있다.

핫런너 방법은 제품면까지 사출시의 온도와 같은 수준으로 온도 컨트롤이 되어 흐름성을 향상시킬 수는 있으나, 70~95wt%의 전도성 필러(filler)로 구성된 분리판용 소재의 경우 런너 코너부에서 소재가 고화되는 문제가 발생할 가능성이 매우 크며, 또한 금형 및 부품의 제작 비용이 매우 커 경제적인 면을 고려한다면 그 실효성이 매우 작다.

사출압축성형 방법은 소재의 흐름성이 개선되지 않은 상태에서 적용할 경우 반발력으로 인해 사출압이 증가할 뿐만 아니라 형체력도 증가하여 장비에 가해지는 위험이 매우 크며, 성형이 된다 하더라도 성형 재료가 게이트부분에 몰린 상태에서 압축이 가해지기 때문에 제품의 외곽부위가 얇아지는 등의 부위별 두께편차가 발생하여 실제 연료전지 분리판으로서 적용이 매우 어렵다.

본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점을 극복하기 위한 것으로, 본 발명의 하나의 목적은 투입되는 소재의 흐름성을 향상시키고 사출 또는 사출압축성형되는 연료전지 분리판의 부위별 두께편차를 최소화할 수 있는 연료전지 분리판 성형용 성형장치를 제공하는데 있다.

본 발명의 다른 목적은 본 발명의 금형에 의해 제작되어 부위별 두께 편차가 적은 연료전지 분리판 및 이러한 분리판을 구비하는 연료전지 스택을 제공하는 것이다.

상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 하나의 양상은,

2개 이상의 캐비티를 갖는 상하부 금형을 포함하는 연료전지 분리판 성형용 금형장치로서, 용융된 성형 재료가 통과하는 런너에 용융된 재료의 온도를 조절하는 가열수단이 구비되고, 상기 가열수단는 3개 이상의 구간으로 분할되어 각 구간별 온도가 조절되도록 구성된 것을 특징으로 하는 연료전지 분리판 성형용 금형장치에 관한 것이다.

상기 런너는 성형 재료가 투입되는 투입구의 내경이 성형 재료가 캐비티로 주입되는 출구쪽의 내경보다 좁게 형성될 수 있다. 상기 상부금형의 외곽에는 필요에 따라 착탈되는 두께편차 조절블록이 설치될 수 있다.

본 발명의 다른 양상들은 본 발명의 연료전지 분리판 성형용 금형장치를 이용하여 제작된 연료전지 분리판 및 이러한 연료전지 분리판을 구비하는 연료전지 스택에 관한 것이다.

상기한 바와 같이 본 발명 연료전지 분리판 성형용 성형장치에 의하면, 런너로 투입되는 소재의 흐름성이 향상되어 소재가 성형공간으로 이동하는 시간이 단축되며, 소재가 게이트 부위에 과충전되어 두껍게 성형되고 외곽부위가 얇게 성형되는 것이 방지되기 때문에, 성형된 분리판의 두께편차가 감소되어 성능 및 생산성이 향상되는 우수한 효과가 있다.

이하에서 첨부 도면을 참고하여 본 발명에 대해서 더욱 상세하게 설명한다.

본 발명의 일구현예에 의한 연료전지 분리판 성형용 금형장치는 2개 이상의 캐비티를 갖는 상하부 금형을 포함하는 연료전지 분리판 성형용 금형장치로서, 용융된 성형 재료가 통과하는 런너에 용융된 재료의 온도를 일정하게 유지하는 가열수단이 설치되고, 상기 가열수단은 3개 이상의 구간으로 분할되어 각 구간별로 온도가 조절되도록 구성되어 성형 재료의 흐름성이 향상되어 부위별 두께 편차를 최소화하여 균일한 두께를 갖는 연료전지 분리판을 성형할 수 있다. 본 발명의 연료전지 분리판 성형용 금형장치는 전도성 재료와 고분자의 복합재료를 압축성형, 사출성형, 사출압축성형 등의 다양한 공정을 이용하여 분리판으로 성형하는데 이용될 수 있다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 의한 성형장치를 도시한 종단면도이고, 도 2는 본 발명의 일실시예에 의한 성형장치의 일부를 확대한 확대단면도이며, 도 3은 본 발명의 일실시예에 의한 성형장치의 상부금형을 나타내는 저면도이다.

도 1과 도 2를 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 연료전지 분리판 성형용 금형장치(10)는 용융된 성형 재료가 통과하는 런너(100), 상기 런너(100)에 연결되는 게이트(200), 상기 게이트(200)와 연통되어 성형 재료가 주입되는 캐비티(311)가 형성되어, 소재를 성형하는 상부금형(300) 및 하부금형(400)을 포함하는 구성이다. 본 발명의 금형 장치는 2개 이상의 캐비티를 포함하며 용융된 성형 재료가 통과하는 런너(100)에 용융된 재료의 온도를 조절하는 가열수단(140)이 설치되고, 상기 가열수단(140)은 3개 이상의 구간(a,b,c)으로 분할되어 각 구간별로 온도가 조절되도록 구성된다.

상기 런너(100)는 사출성형되는 소재를 투입하는 것으로써, 투입구(110)로 소재가 투입되어 유로(120)를 통해 이동하여 토출구(130)를 통해 게이트(200)로 주입하는 구성이다.

여기서, 상기 투입구(110)의 내경(r1)은 상기 유로(120)의 내경(r2)보다 좁게 형성하여 투입되는 소재가 짧은 시간에 많은 양이 투입되도록 한다.

한편, 상기 런너(100)는 용융된 성형 재료가 고화되지 않고 금형으로 원활히게 흘러갈 수 있도록 통상 상온 내지 350℃의 범위의 고온으로 유지되어야만 한다. 이에 따라 상기 런너(100)에는 히터와 같은 가열수단(140)이 형성되며, 상기 가열 수단(140)은 바람직하게는 3구간으로 나누어 온도를 조절하도록 한다.

상기 토출구(130)는 내경이 외측으로 넓어지는 경사각(131, α)을 갖도록 형성되는데, 상기 경사각(131, θ)은 소재가 원활하게 상기 게이트(200)로 투입되도록 함과 아울러, 성형 후 제품의 이형시에 제품과 런너(100) 사이의 절단을 용이하도록 한다. 여기서 상기 경사각(131)의 범위는 1 내지 10°가 바람직하다.

상기 게이트(200)는 상기 런너(100)로부터 투입된 소재를 상부 및 하부금형(300)(400)의 상, 하부코어(310)(410)로 공급하는 것으로서, 상기 상부금형(300)에 구비되는 상부게이트(210) 및 상기 하부금형(400)에 취부되는 하부게이트(220)를 포함하는 구성이다.

여기서, 상기 하부게이트(220)의 표면(221)이 중앙에서 외측으로 1 내지 10°의 범위에서 하강하는 경사(221, β)를 갖기 때문에 소재가 게이트(200) 부위에 과충전되지 않고 원활하게 성형공간인 캐비티(311)로 이동될 수 있도록 한다.

상기 상부금형(300) 및 하부금형(400)에는 투입된 소재가 연료전지 분리판으로 성형될 수 있도록 하는 캐비티(311)가 갖추어진 상부코어(310) 및 하부코어(410)가 각각 구비된다.

상기 상, 하부코어(410)의 캐비티(311)는 제품이 한번에 다량이 성형될 수 있도록 경우에 따라 다수개가 설치될 수 있다.

한편, 도 1및 도3을 참조하면 상기 상부금형(300)의 외곽, 즉 상기 상부코어(310)의 외측 둘레에는 필요에 따라 착탈되는 다수개의 두께편차 조절블록(500)이 설치되는데, 상기 두께편차 조절블록(500)은 0.1 내지 2.0mm의 높이를 가져 제 품의 부위별 두께편차를 보정할 수 있도록 한다.

또한, 상기 상, 하부코어(310)(410)의 사이에 0.1 내지 1.0mm의 간격(δ)을 두어 제품성형시에 의도적인 버(burr)가 발생되도록 하는데, 상기와 같이 간격을 둠으로써, 소재가 상기 성형공간(311)의 외곽부위에도 충분히 충전되도록 하여 제품의 외곽부위가 얇게 성형되는 것을 방지한다.

본 발명의 다른 양상은 본 발명의 방법에 의해서 제작된 연료전지 분리판에 관한 것이다. 본 발명의 분리판의 재질은 특별히 제한되지 않는데, 탄소복합체, 흑연과 열경화성 혹은 열가소성 고분자 수지를 혼합한 재료 또는 고전도성 탄소복합체와 열경화성 혹은 열가소성 고분자 수지를 복합한 재료 등으로 제작될 수 있다. 이러한 분리판은 전극에서 화학반응이 일어나도록 가스의 이동로가 새겨져 있으며, 이 이동로를 통해서 가스가 흐르고 전극의 가스확산층으로 이동하여 전극의 촉매층에서 전기화학반응이 일어난다.

본 발명의 또 다른 양상은 본 발명의 금형에 의해서 제조된 분리판을 구비한 연료전지 스택에 관한 것이다. 본 발명의 연료전지 스택의 구조는 특별히 제한되지 않는다. 일례로, 본 발명의 연료전지는 수소의 산화반응으로 수소이온과 전자가 생성되는 산화전극과, 공기의 환원반응으로 물이 생성되는 환원전극과, 수소전극에서 발생한 수소이온은 환원전극으로 전달하는 전해질로 구성된다. 산화전극과 환원전극의 사이에 전해질층을 위치시킨 형태를 막-전극 어셈블리(MEA)라고 지칭하며, 이 막-전극 어셈블리가 분리판과 분리판 사이에 위치하여 단위전지를 구성한다. 연료전지에서 전기화학반응에 의하여 발생한 전류는 전기도체인 분리판을 통하여 흐 르게 되며, 마지막으로 그 분리판에서 전기를 뽑아내어 사용하게 된다. 또한 전기화학반응에 의해 생성된 물은 분리판의 가스이동로를 통하여 외부로 배출된다.

이하에서는 구체적인 실시예와 비교예를 들어 본 발명을 더욱 구체적으로 설명한다. 다만, 이는 설명의 목적을 위한 것으로 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.

실시예

일반금형의 스프루 부분에 본 발명을 통해 제작된 런너(100)를 장착한후 온도를 260℃로 유지하였다. 런너(100)에서 사출기 노즐과 닿는 투입구(110)의 내경은 φ16으로 하였으며, 성형품과 닿는 런너(100) 토출구(130)의 내경은 φ11로 하였다. 런너(100)와 성형품 사이에 이형을 위한 토출구(130)의 경사각(131)은 1°로 하였다.

성형품의 두께조절 및 부위별 두께편차 조절을 위해 0.1~0.5mm 의 두께편차 조절블록(500)을 사용하였다.

부위별 두께편차 조절을 위해 성형품과 맞닿은 하부게이트(220)의 표면(221)에 1°의 경사를 주었으며, 성형품 외곽부에 의도적인 버(burr) 발생을 위하여 상, 하부코어(310)(410)의 간격을 0.1mm로 하였다.

상기와 같이 준비된 성형장치(10)를 이용하여 전도성 filler가 83중량%, PP수지가 17중량%로 구성된 연료전지 분리판용 소재를 사출압축성형 하였다.

비교예

상기의 발명 내용이 적용되지 않는 일반 슬라이딩 코어 금형을 이용하여 전 도성 filler가 83중량%, PP수지가 17중량%로 구성된 연료전지 분리판용 소재를 사출압축성형 하였다.

상기와 같이 분리판을 성형한 결과, 비교예와 같은 경우 미성형이 발생하였으며, 성형이 되더라도 두께편차가 매우 큰 것으로 나타났다.

실시예를 통해 성형된 분리판과 비교예를 통해 성형된 분리판의 두께편차를 도 3에서와 같이 그래프로 나타내었다.

이상에서 본 발명의 바람직한 실시예를 참고로 본 발명에 대해서 상세하게 설명하였으나, 이들은 단지 예시적인 것에 불과하며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.

도 1은 본발명의 일실시예에 의한 연료전지 분리판 성형용 성형장치를 나타내는 종단면도.

도 2는 본 발명의 일실시예에 의한 연료전지 분리판 성형용 성형장치의 일부를 확대한 확대단면도.

도 3은 본 발명의 일실시예에 의한 성형장치의 상부금형을 나타내는 저면도.

도 4는 본 발명의 일실시예에 의한 연료전지 분리판 성형용 성형장치와 비교예의 사출성형 후에 분리판의 두께편차를 측정한 그래프.

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*

10 : 성형장치 100 : 런너

110 : 투입구 120 : 유로

130 : 토출구 140 : 가열수단

200 : 게이트 210 : 상부게이트

220 : 하부게이트 300 : 상부금형

310 : 상부코어 311 : 캐비티

400 : 하부금형 410 : 하부코어

500 : 두께편차 조절블록

Claims (10)

1. 2개 이상의 캐비티를 갖는 상하부 금형을 포함하는 연료전지 분리판 성형용 금형장치로서, 용융된 성형 재료가 통과하는 런너에 용융된 재료의 온도를 조절하는 가열수단이 구비되고, 상기 가열수단은 3개 이상의 구간으로 분할되어 각 구간별 온도가 조절되도록 구성된 것을 특징으로 하는 연료전지 분리판 성형용 금형장치.
2. 청구항 1에 있어서, 상기 런너는 성형 재료가 투입되는 투입구의 내경이 소재가 이동하는 유로의 내경보다 좁게 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 연료전지 분리판 성형용 금형장치.
3. 청구항 1에 있어서, 상기 금형장치는 상기 런너로부터 성형 재료를 공급받는 상부게이트가 형성되며, 제품이 성형되는 캐비티가 갖추어진 상부코어가 설치되는 상부금형; 및

   상기 상부게이트에 대응되며 표면이 중앙에서 외측으로 하강하는 경사각을 갖도록 형성되는 하부게이트와, 상기 상부코어에 대응되는 하부코어가 설치된 하부금형을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 분리판 성형용 금형장치.
4. 청구항 3에 있어서, 상기 하부게이트의 중앙에서 외측으로 하강하는 경사각 은 1 내지 10°인 것을 특징으로 하는 연료전지 분리판 성형용 금형장치.
5. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서, 상기 런너의 토출구가 끝단부쪽으로 갈수록 넓어지는 역각으로 형성된 것을 특징으로 하는 연료전지 분리판 성형용 금형장치.
6. 청구항 5에 있어서, 상기 역각의 크기는 1 내지 10°인 것을 특징으로 하는 연료전지 분리판 성형용 금형장치.
7. 청구항 3에 있어서, 상기 상부금형의 외곽에 성형품의 부위별 두께 편차를 조정하는 착탈식 두께편차 조절블록이 설치된 것을 특징으로 하는 연료전지 분리판 성형용 금형장치.
8. 청구항 7에 있어서, 상기 상, 하부코어가 맞닿는 부분 사이에 0.1 내지 1.0mm 간격이 형성된 것을 특징으로 하는 연료전지 분리판 성형용 금형장치.
9. 청구항 1 내지 청구항 8 중 어느 하나의 항의 금형장치를 이용하여 제작된 연료전지 분리판.
10. 청구항 9의 연료전지 분리판을 구비하는 연료전지 스택.

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