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KR101315739B1 - 샌드위치 인서트를 갖는 연료전지용 엔드 플레이트 - Google Patents

샌드위치 인서트를 갖는 연료전지용 엔드 플레이트 Download PDF

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KR101315739B1
KR101315739B1 KR1020110091151A KR20110091151A KR101315739B1 KR 101315739 B1 KR101315739 B1 KR 101315739B1 KR 1020110091151 A KR1020110091151 A KR 1020110091151A KR 20110091151 A KR20110091151 A KR 20110091151A KR 101315739 B1 KR101315739 B1 KR 101315739B1
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KR
South Korea
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plate
insert
sandwich
fuel cell
end plate
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KR1020110091151A
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서정도
김세훈
안병기
박진용
김지용
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현대자동차주식회사
대원강업주식회사
기아자동차주식회사
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Abstract

본 발명은 샌드위치 인서트를 갖는 연료전지용 엔드 플레이트에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 금속인서트를 여러개의 플레이트가 적층된 샌드위치 인서트 구조로 제작하여 강성 확보 및 경량화를 실현시킬 수 있도록 한 샌드위치 인서트를 갖는 연료전지용 엔드 플레이트에 관한 것이다.
즉, 기존의 일체형 금속인서트와 달리, 특정 형상을 갖는 2장 이상의 플레이트를 적층시킨 샌드위치 인서트를 제작하여, 플라스틱 사출물로 사출 성형함으로써, 강성 확보는 물론 경량화를 실현시킬 수 있도록 한 샌드위치 인서트를 갖는 연료전지용 엔드 플레이트를 제공하고자 한 것이다.

Description

샌드위치 인서트를 갖는 연료전지용 엔드 플레이트{End plate for fuel cell having sandwich insert}
본 발명은 샌드위치 인서트를 갖는 연료전지용 엔드 플레이트에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 금속인서트를 여러개의 플레이트가 적층된 샌드위치 인서트 구조로 제작하여 강성 확보 및 경량화를 실현시킬 수 있도록 한 샌드위치 인서트를 갖는 연료전지용 엔드 플레이트에 관한 것이다.
연료전지 차량에 탑재되는 연료전지 스택의 셀 단위 구성을 첨부한 도 7을 참조로 간략히 살펴보면, 가장 안쪽에 전극막 어셈블리(MEA: Membrane-Electrode Assembly)가 위치하는데, 이 전극막 어셈블리는 수소 양이온(Proton)을 이동시켜 줄 수 있는 고체 고분자 전해질막(10)과, 이 전해질막 양면에 수소와 산소가 반응할 수 있도록 도포된 촉매전극층, 즉 캐소드(12: 공기극(cathode)) 및 애노드(14: 연료극(anode))로 구성된다.
또한, 상기 캐소드(12) 및 애노드(14)의 바깥 부분에는 가스확산층(GDL: Gas Diffusion Layer)(16) 및 개스킷(Gasket)(18)이 차례로 적층되고, 가스확산층(16)의 바깥 쪽에는 연료를 공급하고 반응에 의해 발생된 물을 배출하도록 유로(Flow Field)가 형성된 분리판(20)이 위치된다.
위와 같은 스택의 단위 셀들이 몇 백개 이상 적층된 후, 가장 바깥쪽에는 각 단위 셀들을 지지하며 고정시키기 위한 엔드플레이트(30, End plate)가 결합된다.
이때, 상기 엔드플레이트(30)의 내측에는 스택에서 발생된 전기를 모아서 외부로 보내는 집전판이 장착된다.
따라서, 상기 스택의 애노드(14)에서는 수소의 산화반응이 진행되어 수소이온(Proton)과 전자(Electron)가 발생하게 되고, 이때 생성된 수소이온과 전자는 각각 전해질막(10)과 분리판(20)을 통하여 캐소드(12)극으로 이동하게 되어, 상기 캐소드(12)극에서는 애노드(14)극으로부터 이동한 수소이온과 전자, 공기중의 산소가 참여하는 전기화학반응을 통하여 물을 생성하며, 이러한 전자의 흐름으로부터 최종 생성된 전기에너지는 상기 엔드플레이트(30)의 집전판을 통하여 전기에너지를 요하는 부하로 공급된다.
상기와 같은 연료전지 스택의 구성중 엔드플레이트(30)는 상기와 같이 복수개로 적층된 분리판, 전극막 어셈블리(MEA), 가스확산층(GDL) 등을 체결하는 역할을 하는 동시에 스택의 양쪽에 위치하여 각 단위셀에 일정한 면압을 제공하는 역할을 한다.
이때, 첨부한 도 6에서 보듯이 상기 엔드플레이트(30)는 경량화 및 전기적 절연을 위하여 일체형 금속 인서트(31), 플라스틱 사출물(32), 집전판(33)으로 구성된다.
즉, 상기 금속 인서트(31)를 사출금형내에 배치한 다음, 사출금형내에 플라스틱 사출재료를 충진시킴으로써, 금속 인서트(31)가 플라스틱 사출물(32)로 둘러싸인 엔드플레이트(30)가 완성된다.
한편, 상기 집전판(33)은 금속 인서트(31)와 함께 사출금형내에 배치되어 플라스틱 사출물(32)에 의하여 함께 사출되거나, 추후에 플라스틱 사출물(32)의 내면에 별도로 조립된다.
이러한 엔드플레이트의 금속인서트는 내부 면압에 견디기 위해 고강성 특성을 갖는 것으로 요구되고 있고, 이에 일반적으로 금속재질을 기계가공하여 제작하고 있으며, 또한 스택의 생산 전기를 집전하고 스택을 체결하기 위하여 복잡한 형상으로 제작되고 있다.
그러나, 종래의 엔드플레이트의 금속인서트는 일체형 구조로 제작됨에 따라 다음과 같은 단점이 있다.
첫째, 금속인서트에 경량화를 위한 살빼기 구조 가공시, 사출성형이 어려움이 있다.
즉, 엔드플레이트의 사출 후 수지 표면은 누기 방지를 위한 가스켓과의 접촉을 위하여 홈이나 요철이 발생되어서는 안되는데, 금속인서트에 살빼기 구조 적용시, 플라스틱 사출물을 이루는 수지의 살두께가 일정하지 않을 경우 수지 수축에 의해 표면에 홈이나 요철이 발생되는 단점이 있다.
특히, 일체형 금속인서트의 경우 중량 감소를 위한 살빼기 구조로서 포켓가공을 할 경우, 사출물의 살두께를 일정하게 유지하기 어려운 단점이 있다.
둘째, 일체형 금속인서트는 금속 혹은 비금속 소재의 플레이트를 기계가공으로 절삭하여 제작하기 때문에 개당 제작시간이 길어지므로, 대량 생산 및 원가 절감에 어려움이 있다.
셋째, 일체형 금속인서트는 한가지 소재만을 사용해야 하므로 경량화 및 강성 개선을 위한 이종 소재의 적용에 어려움이 있다.
본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로서, 기존의 일체형 금속인서트와 달리, 특정 형상을 갖는 2장 이상의 플레이트를 적층시킨 샌드위치 인서트를 제작하여, 플라스틱 사출물로 사출 성형함으로써, 강성 확보는 물론 경량화를 실현시킬 수 있도록 한 샌드위치 인서트를 갖는 연료전지용 엔드 플레이트를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 양단부에 2장 이상의 플레이트를 결합수단으로 결합시킨 샌드위치 구조의 인서트를 구비하고, 인서트의 표면을 플라스틱 사출을 통하여 둘러 싼 것을 특징으로 하는 샌드위치 인서트를 갖는 연료전지용 엔드 플레이트를 제공한다.
본 발명의 바람직한 구현예로서, 상기 샌드위치 인서트는: 양단부에 제1매니폴드 형성자리부가 형성되고 중앙부에 제1집전판 결합홀이 형성된 제1플레이트와; 양단부에 제2매니폴드 형성자리부가 형성되고 중앙부에 2개 이상의 제1살빼기 공간이 형성된 제2플레이트와; 양단부에 제3매니폴드 형성자리부가 형성되고 중앙부에 제3집전판 결합홀이 형성된 제3플레이트와; 양단부에 제4매니폴드 형성자리부가 형성되고 중앙부에 제2살빼기 공간이 형성된 제4플레이트; 로 구성된 것을 특징으로 한다.
특히, 상기 제2플레이트의 제1살빼기 공간에는 샌드위치 인서트의 휨 방지를 위하여 제2집전판 결합홀을 갖는 휨 방지용 플레이트가 삽입되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 결합수단은 액상 또는 필름 타입 접착제을 포함하는 접착수단과, 볼트, 리벳, 맞춤핀을 포함하는 기계적 접합수단으로 채택된 것임을 특징으로 한다.
또한, 상기 샌드위치 인서트는 스틸 소재, 비금속 소재, 카본 계열 소재 또는 복합소재 중 선택된 어느 하나 이상의 재질로 만들어진 것임을 특징으로 한다.
상기한 과제 해결 수단을 통하여, 본 발명은 다음과 같은 효과를 제공한다.
본 발명에 따르면, 엔드 플레이트의 인서트를 여러개의 플레이트가 적층된 구조로 제작함에 따라, 원하는 강성을 얻을 수 있을 뿐만 아니라, 플레이트에 살빼기 공간을 형성하여 중량 감소에 따른 경량화를 실현할 수 있다.
또한, 여러개의 플레이트를 서로 다른 이종 소재(예를 들어, 카본 계열의 가벼운 소재와 스틸과 같은 강성이 우수한 소재)로 제작하여 혼용 사용함으로써, 경량화 및 강성을 보다 개선시킬 수 있다.
특히, 여러개의 플레이트중 중간에 적층되는 플레이트의 살빼기 공간에 별도의 휨 방지용 플레이트를 삽입하여, 사출 공정시 작용하는 수지 압력에 의하여 금속인서트가 휘는 현상을 방지함과 동시에 샌드위치 인서트의 2차 단면 관성멘트 증가에 의한 굽힘강성 증대의 효과를 크게 할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지용 엔드 플레이트의 샌드위치 인서트를 나타내는 분리 사시도,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지용 엔드 플레이트의 샌드위치 인서트를 접착하는 방법을 나타낸 분리 사시도,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지용 엔드 플레이트의 샌드위치 인서트를 나타내는 조립 사시도,
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지용 엔드 플레이트의 사출 후 모습을 설명하는 사시도,
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지용 엔드 플레이트의 샌드위치 인서트를 나타내는 분리 사시도,
도 6은 종래의 엔드 플레이트를 나타내는 사시도.
도 7은 연료전지 스택의 구성을 설명하기 위한 개략도.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조로 상세하게 설명하기로 한다.
본 발명은 양단부에 수소/공기/냉각수가 흐르게 되는 매니폴드 형성자리부가 형성된 2장 이상의 플레이트를 결합수단(500)으로 접착시킨 샌드위치 인서트(100)와, 이 인서트(100)를 플라스틱 사출재로 감싸면서 사출된 플라스틱 사출물(200)로 구성하여, 경량화 및 강성 유지를 도모할 수 있는 연료전지용 엔드 플레이트를 제공하고자 한 것이다.
첨부한 도 1 내지 도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 샌드위치 인서트(100)는 제1플레이트(110)와, 제2플레이트(210)와, 제3플레이트(310)와, 제4플레이트(410)가 결합수단(500)에 의하여 순차적으로 적층되며 접합되는 구조로 제작된다.
상기 제1플레이트(110)는 가장 안쪽(연료전지 스택쪽)에 배치되는 것으로서, 양단부에 제1매니폴드 형성자리부(111)가 형성되고 중앙부에 제1집전판 결합홀(112)이 형성된 약 4~5t 두께를 갖는 직사각형 판체 구조가 되도록 통상의 기계가공 및 프레스 가공법에 의하여 제작된다.
상기 제2플레이트(210)는 제1플레이트(110)의 바깥쪽에 적층되는 것으로서, 양단부에 제2매니폴드 형성자리부(211)가 형성되고 중앙부에 2개 이상의 제1살빼기 공간(212)이 형성된 약 4~5t 두께를 갖는 직사각형 판체 구조가 되도록 통상의 기계가공 및 프레스 가공법에 의하여 제작된다.
이때, 상기 제2플레이트(210)의 제1살빼기 공간(212)은 경량화를 위하여 직사각홀 형상으로 관통 형성된 공간을 이루게 된다.
상기 제3플레이트(310)는 제2플레이트(210)의 바깥쪽에 적층되며 제1플레이트(110)와 동일한 형상으로 제작된다.
즉, 상기 제3플레이트(310)는 양단부에 제3매니폴드 형성자리부(311)가 형성되고 중앙부에 제3집전판 결합홀(312)이 관통 형성된 약 4~5t 두께를 갖는 직사각형 판체 구조가 되도록 통상의 기계가공 및 프레스 가공법에 의하여 제작된다.
상기 제4플레이트(410)는 제3플레이트(310)에 적층 부착되면서 가장 바깥쪽에 위치되는 것으로서, 양단부에 제4매니폴드 형성자리부(411)가 형성되고 중앙부에 제2살빼기 공간(412)이 형성된 약 4~5t 두께를 갖는 직사각형 판체 구조가 되도록 통상의 기계가공 및 프레스 가공법에 의하여 제작된다.
이때, 상기 제1 및 제3플레이트(110,310)는 집전판 결합홀(112,312)이 관통 형성된 것을 제외하고, 전체적으로 평평한 면을 갖는 구조로 제작되어, 경량화를 위해 제1살빼기 공간(212)을 갖는 제2플레이트(210)의 상하에 위치하면서 전체 금속인서트와 엔드플레이트의 살두께를 균일하게 하는 역할을 한다.
한편, 상기 제1 내지 제4플레이트를 접착하는 결합수단(500)은 제1 내지 제4플레이트의 사이에 도포되는 접착제로서 내열온도 150℃를 견딜 수 있는 액상 또는 필름 타입의 접착제와 같은 접착수단을 사용할 수 있고, 또는 제1 내지 제4플레이트의 가장자리부분을 볼트 체결/리벳 체결/맞춤핀 등과 같은 기계적 접합수단으로 체결하여 적층시킬 수 있다.
또한, 상기 샌드위치 인서트(100)를 구성하는 제1 내지 제4플레이트는 스틸 소재, 비금속 소재, 카본 계열 소재중 선택된 어느 하나로 제작되거나, 경량화를 보다 크게 달성하기 위하여 제1 내지 제4플레이트가 서로 다른 이종 재질로 제작될 수 있다.
예를 들어, 제1플레이트만을 스틸로 제작하고, 나머지 제2 내지 제4플레이트는 가벼운 카본 계열 재질로 제작하여, 경량화를 보다 도모하는 동시에 강성 유지를 도모할 수 있다.
여기서, 본 발명의 다른 실시예에 따른 엔드 플레이트를 살펴보면 다음과 같다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 엔드 플레이트는 상기한 일 실시예와 같이 양단부에 수소/공기/냉각수가 흐르게 되는 매니폴드 형성자리부가 형성된 2장 이상의 플레이트를 결합수단(500)으로 접착시킨 샌드위치 인서트(100)와, 이 샌드위치 인서트(100)를 플라스틱 사출재로 감싸면서 사출된 플라스틱 사출물(200)로 구성된 점, 그리고 샌드위치 인서트(100)가 제1플레이트(110)와, 제2플레이트(210)와, 제3플레이트(310)와, 제4플레이트(410)가 결합수단(500)에 의하여 순차적으로 적층되며 접합되는 구조로 제작되는 점은 동일하고, 단지 플라스틱 사출 공정시 수지압에 의하여 샌드위치 인서트(100)가 휘어지는 현상을 방지할 수 있는 구조를 부가한 점에 특징이 있다.
즉, 첨부한 도 5에 도시된 바와 같이 상기 제2플레이트(210)의 제1살빼기 공간(212)은 경량화를 위하여 관통된 빈공간으로 형성된 것이지만, 제1살빼기 공간(212)내에 샌드위치 인서트(100)의 휨 방지를 위하여 아주 가벼운 재질로 제작된 휨 방지용 플레이트(214)가 삽입된다.
보다 상세하게는, 상기 휨 방지용 플레이트(214)는 제2집전판 결합홀(213)을 갖는 직사각 판체로서, 제2플레이트(210)와 동일 평면을 이루면서 제1살빼기 공간(212)내에 삽입되도록 제2플레이트(210)와 동일 두께로 제작되고, 특히 경량화를 도모하기 위하여 플라스틱, 경금속류 재질로 제작된다.
따라서, 상기 휨 방지용 플레이트(214)를 포함하는 제2플레이트(210)를 비롯하여, 제1 내지 제3플레이트가 적층 접합된 샌드위치 인서트(100)를 사출금형내에 배치하여, 플라스틱 사출 수지를 주입하게 되면, 주입되는 수지압이 금속인서트(100)의 일표면에 작용하더라도 휨 방지용 플레이트(214)에 의하여 강성이 보강된 상태이므로, 금속인서트(100)가 수지압력에 의하여 휘어지는 현상을 용이하게 방지할 수 있다.
100 : 샌드위치 인서트
110 : 제1플레이트
111 : 제1매니폴드 형성자리부
112 : 제1집전판 결합홀
200 : 플라스틱 사출물
210 : 제2플레이트
211 : 제2매니폴드 형성자리부
212 : 제1살빼기 공간
213 : 제2집전판 결합홀
214 : 휨 방지용 플레이트
310 : 제3플레이트
311 : 제3매니폴드 형성자리부
312 : 제3집전판 결합홀
410 : 제4플레이트
411 : 제4매니폴드 형성자리부
412 : 제2살빼기 공간
500 : 접착수단

Claims (5)

  1. 양단부에 2장 이상의 플레이트를 결합수단(500)으로 접착시킨 샌드위치 구조의 인서트(100)를 구비하고, 샌드위치 인서트(100)의 표면을 플라스틱 사출을 통하여 둘러싸며,
    상기 샌드위치 인서트(100)는:
    중앙부에 제1집전판 결합홀(112)이 형성된 제1플레이트(110)와;
    중앙부에 2개 이상의 제1살빼기 공간(212)이 형성된 제2플레이트(210)와;
    중앙부에 제3집전판 결합홀(312)이 형성된 제3플레이트(310)와;
    중앙부에 제2살빼기 공간(412)이 형성된 제4플레이트(410);
    로 구성된 것을 특징으로 하는 샌드위치 인서트를 갖는 연료전지용 엔드 플레이트.
  2. 삭제
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 제2플레이트(210)의 제1살빼기 공간(212)에는 샌드위치 인서트(100)의 휨 방지를 위하여 제2집전판 결합홀(213)을 갖는 휨 방지용 플레이트(214)가 삽입되는 것을 특징으로 하는 샌드위치 인서트를 갖는 연료전지용 엔드 플레이트.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 결합수단(500)은 액상 또는 필름 타입 접착제을 포함하는 접착수단과, 볼트, 리벳, 맞춤핀을 포함하는 기계적 접합수단으로 채택된 것임을 특징으로 하는 샌드위치 인서트를 갖는 연료전지용 엔드 플레이트.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 샌드위치 인서트(100)는 스틸 소재, 비금속 소재, 카본 계열 소재 또는 복합소재 중 선택된 어느 하나 이상의 재질로 만들어진 것임을 특징으로 하는 샌드위치 인서트를 갖는 연료전지용 엔드 플레이트.
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