[논문]Dynamic Load를 이용한 박막 금속 분리판 성형기술

구자윤; 강충길

doi:10.5228/kstp.2012.21.1.5

Dynamic Load를 이용한 박막 금속 분리판 성형기술
Forming of Metallic Bipolar Plates by Dynamic Loading 원문보기

소성가공 = Transactions of materials processing : Journal of the Korean society for technology of plastics, v.21 no.1, 2012년, pp.5 - 12

구자윤 (부산대학교 대학원 정밀가공시스템) , 강충길 (부산대학교 기계공학부, 정밀정형 및 금형가공 연구센터)

Abstract ▼ AI-Helper

The weight of the bipolar plate is one of the crucial aspects of improving power density in PEMFC stacks. Aluminum alloys have good mechanical properties such as density, electrical resistivity, and thermal conductivity. Furthermore, using aluminum in a bipolar plate instead of graphite reduces the bipolar plate cost and makes machining easier. Therefore in this study, an aluminum alloy was selected as the appropriate material for a bipolar plate. Results from feasibility experiments with the aim of developing fuel cells consisting of Al bipolar plates with multiple channels are presented. Dynamic loading was applied and the formability of micro channels was estimated as a function of punch pressure and die radius. Sheets of Al5052 with a thickness of 0.3mm were used. For a die radius of 0.1mm the formability was optimized with a sine wave dynamic load of 90kN at maximum pressure and 5 cycles of a sine wave punch travel. The experimental results demonstrate the feasibility of the proposed manufacturing technique for producing bipolar plates.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 연구에서는 기존의(Conventional) 스탬핑 공정의 성형 한계성을 개선하고 정밀한 분리판을 성형하기 위해 Al5052 0.3mm의 소재로 사인파(Sine), 사각파(Square), 삼각파(Ramp)의 동적 하중(Dynamic Load)을 이용한 스탬핑 성형을 시행하였다. 또한 스탬핑에 적합한 동적 하중의 종류와 진동수, 성형하중, 사이클(Cycle) 횟수를 도출하고 기존의 스탬핑 공정과 비교해서 성형성을 평가하였다.
또한 스탬핑에 적합한 동적 하중의 종류와 진동수, 성형하중, 사이클(Cycle) 횟수를 도출하고 기존의 스탬핑 공정과 비교해서 성형성을 평가하였다. 이러한 일련의 과정으로 연속적인 금속 분리판을 성형하고 동적 하중에 의한 스탬핑 공정의 산업화 활용가능성을 파악하며 알루미늄 분리판 개발에 관한 기초 성형 데이터 베이스를 구축하고자 한다.

제안 방법

Al5052 판재를 사용하여 기존의 스탬핑 실험과 동적 하중을 이용한 스탬핑 실험을 실시하여 금속 분리판을 성형한 결과 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
3mm인 분리판을 성형하기 위해 최소 50kN의 하중이 필요하다[12]. 따라서 동적 하중을 이용한 스탬핑 성형 시 펀치의 최소하중을 50kN으로 설정하여 펀치가 최소하중 상태에서도 분리판이 계속 성형 될 수 있도록 실험을 시행하였다. 또한 0.
3mm 알루미늄 분리판 성형 시 90kN이상의 펀치 하중으로 가압해야 미세채널이 성형되기 때문이다. 따라서 최대하중이 90kN인 동적 하중의 조건으로 실험을 실시하였다.
따라서 동적 하중을 이용한 스탬핑 성형 시 펀치의 최소하중을 50kN으로 설정하여 펀치가 최소하중 상태에서도 분리판이 계속 성형 될 수 있도록 실험을 시행하였다. 또한 0.5Hz의 진동수로 사인파, 사각파, 삼각파의 동적 하중의 종류에 따라 사이클 5회까지 성형실험을 하였다.
3mm의 소재로 사인파(Sine), 사각파(Square), 삼각파(Ramp)의 동적 하중(Dynamic Load)을 이용한 스탬핑 성형을 시행하였다. 또한 스탬핑에 적합한 동적 하중의 종류와 진동수, 성형하중, 사이클(Cycle) 횟수를 도출하고 기존의 스탬핑 공정과 비교해서 성형성을 평가하였다. 이러한 일련의 과정으로 연속적인 금속 분리판을 성형하고 동적 하중에 의한 스탬핑 공정의 산업화 활용가능성을 파악하며 알루미늄 분리판 개발에 관한 기초 성형 데이터 베이스를 구축하고자 한다.
Table 3 은 기존의 스탬핑 성형실험과 동적 하중에 의한 스탬핑 성형실험을 위한 조건을 나타낸 것이다. 실험변수는 하중의 종류, 펀치압력, 속도 및 진동수, 사이클 횟수, 분리판 어깨부 곡률의 크기이다.
최대 펀치하중과 동적 하중의 종류, 사이클 횟수에 따른 분리판 성형 깊이를 측정하기 위해 Fig. 8과 같이 분리판의 채널을 절단하여 수직(Vertical) 방향의 채널 깊이와 수평(Horizon) 방향 채널의 평균 깊이를 측정하였다.

대상 데이터

실험 시편의 소재는 두께 0.3mm의 Al5052 알루미늄 합금 판재를 가로(압연방향) 55mm×세로 50mm 의 크기로 가공하여 사용하였으며, 시편의 성분은 Table 2 와 같다.
1 은 동적 하중으로 분리판을 제조하는 실험 장비를 나타낸 것이다. 실험 장비는 펀치, 상부 다이, 채널 파트-Ⅰ, 채널 파트-Ⅱ, 하부 다이 등 5개의 요소로 구성되어 있다.
실험에 사용된 장비는 MTS(동적 재료시험기)를 사용하였다. MTS 프레스는 속도 및 하중제어가 쉽고 사인파, 사각파, 삼각파의 다양한 진동의 구현이 가능해서 정밀한 하중이 요구되는 동적 하중을 이용한 스탬핑 실험에 적합하다.

성능/효과

(2) 0.5Hz인 사인파로 사이클 5회의 조건으로 어깨부 곡률이 0.1mm인 분리판을 성형했을 때 기존의 스탬핑으로 성형된 분리판 보다 55%의 채널이 깊게 성형되었다. 또한 곡률 0.
(3) 어깨부 곡률 0.1mm 분리판의 경우, 성형성을 확보하기 위해 하중의 최대, 최소가 사각파보다 상대적으로 작은 사인파와 삼각파의 동적 하중이 적합하다.
(4)동적 하중에 의한 스탬핑 성형 시 펀치하중의 가압시간이 증가할수록 분리판이 더욱 정밀하게 성형되는 비례관계임을 알 수 있다.
(5) 최대 펀치하중 90kN의 동적 하중을 가하여 사이클 5회로 성형해서 분리판의 위치에 따른 채널의 깊이 차이를 1%미만으로 감소시켰다.
(6) 동적 하중에 의한 스탬핑 공정으로 성형된 어깨부 곡률이 0.1mm인 분리판은 84%의 성형성을 확보하였고, 0.3mm인 분리판의 경우 97%의 성형성을 확보하였다.
3 은 Table 3 에서 설정한 조건으로 동적 하중을 이용한 스탬핑 성형실험을 실시하여 시간의 변화에 따른 동적 하중의 변화를 나타낸 것이다. 동적 하중의 종류 중 사각파를 사인파, 삼각파와 비교했을 때 하중의 최대, 최소가 급격한 변화를 보였고, 펀치가압 시간이 가장 길게 나타났다.
135mm로 34% 깊게 성형되었음을 알 수 있다. 따라서 분리판의 미세채널 성형 시 80kN의 최대 펀치하중보다 90kN의 최대 펀치하중으로 성형하는 것이 정밀한 분리판을 성형하는 것에 더욱 효과적이 라는 것을 알 수 있다.
1mm인 분리판을 성형했을 때 기존의 스탬핑으로 성형된 분리판 보다 55%의 채널이 깊게 성형되었다. 또한 곡률 0.3mm인 경우는 0.5Hz인 사각파로 사이클 5회인 조건으로 성형했을 때 기존의 스탬핑으로 성형된 분리판 대비 12%의 채널이 깊게 성형되었다.
이는 사이클 횟수가 증가함에 따라 분리판의 채널이 더욱 정밀하게 성형되고, 펀치의 가압시간이 증가할수록 분리판의 성형 깊이가 증가하는 비례관계임을 알 수 있다. 또한 사이클 횟수가 증가 함에 따라 분리판 단면 A-A, B-B에서 채널의 깊이가 서로 균일해지는 경향을 보였다.
35mm 로 측정되었다. 또한 스탬핑 성형 시 사인파의 동적 하중을 가하여 사이클 5회로 성형한 분리판의 경우 단면 A-A, B-B에서 채널 깊이0.505mm, 0.492mm까지 성형이 가능했으며, 기존의 스탬핑으로 성형된 분리판 보다 채널의 깊이가 0.2mm, 0.14mm로 55%만큼 깊게 성형되었다.
1mm 분리판의 성형하기에 가장 적합한 조건이며 사이클 횟수에 관계없이 크랙 및 미성형된 부분이 나타나지 않았다. 또한 최대 펀치하중 90kN의 조건으로 어깨부 곡률이 0.3mm인 분리판 성형시 사인파, 사각파, 삼각파의 동적 하중의 종류, 사이클 횟수에 관계없이 분리판에서 크랙 및 미성형된 부분이 나타나지 않았다.
085mm로 측정되었다. 사이클이 5회의 조건으로 성형한 분리판의 성형 깊이가 사이클 2회의 조건으로 성형한 분리판에 비하여 21%만큼 채널이 깊게 성형이 되었다. 이는 사이클 횟수가 증가함에 따라 분리판의 채널이 더욱 정밀하게 성형되고, 펀치의 가압시간이 증가할수록 분리판의 성형 깊이가 증가하는 비례관계임을 알 수 있다.
사이클이 5회의 조건으로 성형한 분리판의 성형 깊이가 사이클 2회의 조건으로 성형한 분리판에 비하여 21%만큼 채널이 깊게 성형이 되었다. 이는 사이클 횟수가 증가함에 따라 분리판의 채널이 더욱 정밀하게 성형되고, 펀치의 가압시간이 증가할수록 분리판의 성형 깊이가 증가하는 비례관계임을 알 수 있다. 또한 사이클 횟수가 증가 함에 따라 분리판 단면 A-A, B-B에서 채널의 깊이가 서로 균일해지는 경향을 보였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	연료전지란?	연료전지는 공급 연료의 화학 에너지를 전기에너지로 직접 변화시켜 직류 전류를 생산하는 발전시스템으로 40%이상의 높은 에너지 효율과 무공해, 무소음 등 다양한 장점을 갖춘 차세대 핵심 기술이다. 특히, 고분자 전해질 연료전지(PEMFC)는 높은 효율과 낮은 반응온도, 빠른 시동조건을 특징으로 하는 수송분야, 발전시스템, 휴대용 장치 등 여러 분야에 적용된다[1, 2].
	스테인레스 소재를 분리판에 적용할 경우 장단점은?	그러나 그라파이트 소재는 가공성이 좋지 않고, 외부 충격이나 진동에 약한 특성 때문에 새로운 금속 분리판이 요구되고 있다. 그 중 스테인레스 소재는 가공성과 기계적 강도, 전기 전도도 등 우수한 특성을 가지고 있지만, 부식에 의한 전해질 막의 오염과 분리판 표면의 산화 막 형성으로 전기 전도도가 감소하는 문제점을 가지고 있다. 반면 알루미늄 소재는 스테인레스 보다 부식저항이 크고 낮은 밀도(2.
	스탬핑 공정의 단점은?	반면 스탬핑 공정은 대량생산에 의한 제조비용을 낮추는 방법으로 많은 연구가 진행되고 있으며, 실제 연료전지 분리판 성형 시 적용되고 있다. 하지만, 미세 채널을 설계한 치수대로 정밀하게 성형 할 수 없는 성형 한계성의 문제점이 있고, 탄성회복으로 인한 스프링백이 발생하게 된다[10]. 이는 연료전지의 성능저하를 가져오는 단점으로 작용된다[11].

참고문헌 (13)

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저자의 다른 논문 :

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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