PEM 연료전지용 금속 분리판의 다단 성형 공정 설계

Abstract

분리판은 연료전지의 메인 부품 중 하나이다. U자 모양의 유로 채널을 가지고 있으며 이 채널을 통해서 수소와 산소를 공급한다. 최근에는 재료로 금속판이 사용되고 있으며 경량화 등의 이유로 두께가 매우 얇은 극박판으로 제작되고 있다. 이 때문에 유로 채널 성형과정에서 국부적인 두께 감육에 의한 파단이나 스프링 백 등 많은 문제가 발생하고 있다. 본 논문에서는 이러한 문제를 해결하기 위해 새로운 분리판 다단성형공정을 제안하고자 한다. 다단성형공정은 총 2 단계의 스탬핑 공정으로 구성되며 첫 번째 성형 단계에 새로운 형상의 다이 및 펀치를 적용하였다. 제안된 공정의 효과는 분리판 단면에 대해 2D 유한요소해석을 실시해 검증하였다. 새로운 금형의 형상 및 펀치 변위 값에 대한 최적화를 위해 인공 신경망(Artificial Neural Network)과 유전 알고리즘(Genetic Algorithm)을 사용하였다. 목적함수로는 두께 최솟값 및 두께 편차가 설정되었다. 최적화 결과 기존 공정 대비 유효 변형률과 유효 응력은 각각 약 8%, 13% 감소하였고 두께 최솟값 및 두께에 대한 표준편차는 각각 약 4.4%, 57.4% 감소하였다. 거시적인 규모의 스프링 백으로 인한 판재의 비틀림 및 유로 채널 끝 단 부분의 두께 분포 표준편차 등은 3차원 유한요소해석을 통해 분석되었다. 판재의 비틀림은 2.16o에서 1.77o로 18%가량 감소하였고 채널 코너 부위에서의 두께 분포 표준편차는 5%가량 감소하였다. 각 해석 결과를 바탕으로 제안된 연료전지 분리판의 다단 성형 공정이 국부적 두께 감육으로 인한 판재의 파단을 방지하고 비틀림 문제를 저감시킬 수 있음을 확인할 수 있었다.