KR100957371B1 - 연료전지 스택 절연 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 연료전지 스택 절연 장치에 관한 것으로서, 스택 측면으로 셀 주변을 둘러싸면서 밀폐하도록 수지를 발포 성형하여 셀을 전기적으로 절연하는 연료전지 스택 절연 기술에 관한 것이며, 특히 연료전지 스택을 둘러싸는 절연용 발포재를 성형하기 위한 연료전지 스택 절연 장치에 관한 것이다.

이러한 본 발명에서는 발포수지의 성형 방법으로 스택을 절연시키므로 공정이 용이한 장점이 있고, 장변 측 및 단변 측 모두를 포함한 스택 사방 측면에 대해 절연용 발포재를 성형하므로 스택의 안정적인 전기 절연성을 확보할 수 있다. 또한 본 발명의 절연용 발포재는 수지를 발포 성형하여 제작되는 것으로 보온재 역할을 하는 바, 별도의 보온재를 추가로 설치할 필요가 없게 된다.

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Description

연료전지 스택 절연 장치{Apparatus for electrical isolation of fuel cell stack}

본 발명은 연료전지 스택 절연 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 연료전지 스택을 외부 도전체에 대해 전기적으로 절연하기 위한 연료전지 스택 절연 장치에 관한 것이다.

연료전지는 연료가 가지고 있는 화학에너지를 연소에 의해 열로 바꾸지 않고 연료전지 스택 내에서 전기화학적으로 반응시켜 전기에너지로 변환시키는 일종의 발전장치이며, 산업용, 가정용 및 차량 구동용 전력을 공급할 뿐만 아니라 소형의 전기/전자제품, 특히 휴대용 장치의 전력 공급에도 적용될 수 있다.

현재 차량 구동을 위한 전력공급원으로는 연료전지 중 가장 높은 전력밀도를 갖는 고분자 전해질막 연료전지(PEMFC:Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell, Proton Exchange Membrane Fuel Cell) 형태가 가장 많이 연구되고 있으며, 이는 낮은 작동온도로 인한 빠른 시동시간과 빠른 전력변환 반응시간을 갖는다.

이러한 고분자 전해질막 연료전지는 수소이온이 이동하는 고분자 전해질막을 중심으로 막의 양쪽에 전기화학반응이 일어나는 촉매전극층이 부착된 막전극접합체(MEA:Membrane Electrode Assembly), 반응기체들을 고르게 분포시키고 발생된 전기에너지를 전달하는 역할을 수행하는 기체확산층(GDL:Gas Diffusion Layer), 반응기체들 및 냉각수의 기밀성과 적정 체결압을 유지하기 위한 가스켓 및 체결기구, 그리고 반응기체들 및 냉각수를 이동시키는 분리판(bipolar plate)을 포함하여 구성된다.

상기한 구성의 연료전지에서 연료인 수소와 산화제인 산소(공기)가 분리판의 유로를 통해 막전극접합체의 애노드(anode)와 캐소드(cathode)로 각각 공급되는데, 수소는 애노드('연료극' 혹은 '산화극'이라고도 함)로 공급되고, 산소(공기)는 캐소드('공기극' 혹은 '산소극', '환원극'이라고도 함)로 공급된다.

애노드로 공급된 수소는 전해질막의 양쪽에 구성된 전극층의 촉매에 의해 수소이온(proton, H⁺)과 전자(electron, e^-)로 분해되며, 이 중 수소이온만이 선택적으로 양이온교환막인 전해질막을 통과하여 캐소드로 전달되고, 동시에 전자는 도체인 기체확산층과 분리판을 통해 캐소드로 전달된다.

상기 캐소드에서는 전해질막을 통해 공급된 수소이온과 분리판을 통해 전달된 전자가 공기공급장치에 의해 캐소드로 공급된 공기 중 산소와 만나서 물을 생성하는 반응을 일으킨다.

이때 일어나는 수소이온의 이동에 기인하여 외부 도선을 통한 전자의 흐름이 발생하며, 이러한 전자의 흐름으로 전류가 생성된다.

이와 같은 고분자 전해질막 연료전지의 전극 반응을 반응식으로 나타내면 다음과 같다.

[애노드에서의 반응] 2H₂ → 4H⁺ + 4e^-

[캐소드에서의 반응] O₂ + 4H⁺ + 4e^- → 2H₂O

[전체반응] 2H₂ + O₂ → 2H₂O + 전기에너지 + 열에너지

상기 반응식에 나타낸 바와 같이 애노드에서는 수소 분자가 분해되어 4개의 수소이온과 4개의 전자가 생성된다. 발생된 전자는 외부 회로를 통해 이동함으로써 전류를 생성하고, 발생된 수소이온은 전해질막을 통해 캐소드로 이동하여 환원극 반응을 하게 된다.

한편, 연료전지 스택은 단위 셀을 반복적으로 적층하여 구성하며, 각 단위 셀은 분리판, 가스확산층(Gas Diffusion Layer, GDL), 막전극접합체(Membrane Electrode Assembly, MEA)가 적층된 구조로 되어 있다.

연료전지 스택을 제작하기 위해서는 분리판과 GDL, MEA 등 단위 셀의 구성요소들을 반복적으로 적층하는 과정이 필요한데, 이때 GDL과 MEA를 접합시킨 MEA 소재와 분리판을 교대로 적층시켜 조립한 뒤, 가장 바깥쪽에는 상기한 각 구성들을 지지하기 위한 엔드 플레이트(end plate)가 결합된다.

이와 같이 소정 수량의 단위 셀들을 적층하고 엔드 플레이트를 결합하여 스 택을 구성한 뒤에는 스택에 대한 기밀 검사를 실시하는데, 적층된 스택을 프레스로 가압하여 압축한 뒤, 분리판의 유로를 통해 가스를 통과시켜 기밀 여부를 검사하게 된다.

이후, 첨부한 도 1에 도시된 바와 같이, 기밀 검사를 통과한 연료전지 스택(1)에 대해서 양 측면으로 외부 도전체와의 절연을 위한 절연판(4)을 개재하여 체결 밴드(5)로 스택을 체결하게 된다.

이때 절연판(4)을 스택(1)의 양 측면에 접촉시킨 뒤 절연판 바깥으로 복수개의 체결 밴드(5)를 갖다 대고, 이어 체결 밴드(5)의 단부를 엔드 플레이트(3)에 볼트로 체결하여 스택을 완전히 고정하게 된다. 이와 같이 셀(2) 적층 후 엔드 플레이트(3)를 조립하고 절연판(4)을 개재한 상태로 체결 밴드(5)를 이용해 스택을 고정하게 되면 스택 조립이 모두 완료된다.

연료전지 스택의 각 셀(2)이 하나의 전지 역할을 하므로 외부 도전체와 접촉할 경우에 누전 및 단락이 발생하여 안전사고 및 스택 파손이 발생할 수 있으며, 따라서 상기와 같이 스택 외부에 절연판(4)을 부착하여 외부 도전체와의 접촉을 방지한다.

그러나, 절연판을 스택에 부착하기 위해서는 절연판을 고정할 수 있는 별도의 장치가 필요한데, 스택의 4면 중 장변 측은 체결 밴드(5)가 절연판(4)을 잡아주므로 절연판의 부착이 가능하나, 단변 측은 체결 밴드가 없으므로 절연판을 고정할 수 있는 방법이 없다.

따라서, 통상의 연료전지 스택에서는 단변 측에 대해서는 절연판을 부착하지 못하고 있다. 또한 밴드의 체결은 적층된 스택을 3.5톤 이상의 가압력으로 누르고 있는 상태에서 작업하므로 절연판 및 밴드를 동시에 작업하기가 어려운 문제가 있다.

한편, 연료전지를 운전하여 차량 구동을 위한 동력을 발생시키기 위해서는 반드시 외부로부터 스택에 수분을 공급해야 하며, 또한 스택 내부에는 산소와 수소의 결합 반응에 의해 수분이 항상 존재하게 되므로, 동절기에 차량을 장시간 주차할 경우 스택 내부의 수분이 동결되는 현상이 발생하게 된다.

이에 따라, 스택 조립 완료 후 차량 장착 전에 보온재를 부착하고 있는데, 별도의 보온재를 부착함으로 해서 보온재 부착을 위한 공정 추가 및 작업인력 추가의 문제가 있다. 또한 절연판과 보온재를 이중으로 부착함으로 해서 스택의 부피가 증가하는 문제가 있다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 점을 고려하여 발명한 것으로서, 단변 측 및 장변 측을 모두 포함한 연료전지 스택의 사방 측면을 모두 외부 도전체에 대해 절연할 수 있는 연료전지 스택 절연 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따른 연료전지 스택 절연 장치는, 스택의 사방 측면을 둘러싸면서 셀과의 사이에 밀폐된 내부공간을 형성하도록 설치되는 성형틀과; 상기 성형틀 외부에 설치된 통로부재의 진공흡입구에 결합되어 상기 성형틀의 밀폐된 내부공간을 진공상태로 만들어주는 진공흡입장치와; 상기 통로부재의 수지주입구에 결합되어 진공상태로 유지되는 상기 성형틀의 밀폐된 내부공간으로 발포수지를 주입 및 충전하는 수지주입장치;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

이에 따라, 본 발명의 연료전지 스택 절연 장치에 의하면, 발포수지의 성형 방법으로 스택을 절연시키므로 공정이 용이한 장점이 있고, 장변 측 및 단변 측 모두를 포함한 스택 사방 측면에 대해 절연용 발포재를 성형하므로 스택의 안정적인 전기 절연성을 확보할 수 있다. 또한 본 발명의 절연용 발포재는 수지를 발포 성 형하여 제작되는 것으로 보온재 역할을 하는 바, 별도의 보온재를 추가로 설치할 필요가 없게 된다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 더욱 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명은 스택 측면으로 셀 주변을 둘러싸면서 밀폐하도록 수지를 발포 성형하여 스택과 일체화함으로써, 스택 측면에 씌어져 일체화된 절연용 발포재가 셀을 전기적으로 절연하도록 하는 것에 주된 특징이 있는 연료전지 스택 절연 방법에 관한 것이다.

또한 본 발명은 발포수지를 스택 측면의 밀폐된 틀 내부공간에 주입하여, 스택 측면으로 셀 주변을 둘러싸면서 밀폐하는 절연용 발포재를 스택과 일체화되도록 성형하여 줌으로써, 연료전지 스택을 전기적으로 절연시키기 위한 연료전지 스택 절연 장치에 관한 것이다.

첨부한 도 2는 본 발명에 따른 연료전지 스택 절연 방법을 나타낸 도면으로, 도시된 바와 같이, 종래와 같이 셀(2)을 적층하고 엔드 플레이트(3)를 조립한 뒤, 우선적으로 체결 밴드(5)를 체결하여 스택(1)을 고정하고, 이후 성형틀(110)을 설치한다. 여기서, 성형틀(110)은 스택(1) 측면으로 절연용 발포재(10)를 성형하기 위한 일종의 금형이 되며, 발포수지가 밀폐된 내부공간으로 주입되고 발포된 뒤 일정한 형상을 유지하도록 해주는 틀이 된다.

상기와 같이 성형틀(110)을 스택(1) 측면을 둘러싸도록 설치한 뒤에는 성형틀(110)과 스택의 셀(2) 사이에 형성되는 밀폐된 틀 내부공간에 발포수지를 충전하여 스택 측면으로 셀 주변을 밀폐하는 절연용 발포재(10)를 성형하게 된다.

첨부한 도 3은 본 발명의 연료전지 스택 절연 장치에서 성형틀의 설치상태를 나타내는 확대도이다.

도시된 바와 같이, 절연용 발포재를 성형하기 위해 스택(1) 측면의 장변 및 단변 전체를 밀폐하는 성형틀(110)을 설치하는데, 바람직한 실시예에서, 상기 성형틀(110)은 스택 측면을 밀폐하도록 플레이트 부재(111,112)를 사각 배치하여 조립한 구성으로 되어 있다. 도시한 예에서, 스택 각 측면에 대해 1개씩 총 4개의 플레이트 부재를 사각 배치하여 스택 전체 측면을 밀폐하도록 조립 설치된다.

또한 상기 성형틀(110)에는 외부에서 내부의 밀폐된 성형 공간, 즉 각 플레이트 부재(111,112)의 내측면과 스택 셀(2)과의 사이에 형성되는 밀폐된 틀 내부공간으로 연결되는 수지주입구와 진공흡입구가 설치된다.

상기 수지주입구와 진공흡입구를 형성하기 위해, 바람직한 실시예에서, 상기 성형틀(110)의 외측면에 긴 내부통로를 가지는 통로부재(113)를 일체로 고정 설치하고 상기 통로부재의 내부통로와 밀폐된 틀 내부공간을 연통시키도록 성형틀(110)에 관통공(111a,112a)을 형성한다.

여기서, 상기 통로부재(113)의 일단부는 후술하는 진공흡입장치가 연결되는 진공흡입구(113b)가 되고, 상기 통로부재의 타단부는 후술하는 수지주입장치가 연결되는 수지주입구(113a)가 된다.

도 3을 참조하면, 스택(1) 장변 측의 플레이트 부재(111)에 상하로 배치되는 2개의 통로부재(113)가, 스택 단변 측의 플레이트 부재(112)에 1개의 통로부재가 설치되고 있다. 스택 장변 측의 두 플레이트 부재에 총 4개의 통로부재가 설치되고, 스택 단변 측의 두 플레이트 부재에 총 2개의 통로부재가 설치되어, 성형틀(110)에는 각 통로부재(113)에 1개씩 총 6개의 진공흡입구(113b)와 수지주입구(113a)가 각각 구비된다.

여기서, 진공흡입구는 진공흡입장치를 연결하여 스택과 틀 사이의 밀폐된 틀 내부공간을 진공상태로 만들어주기 위해 사용하며, 수지주입구는 진공 흡입 수지주입장치를 연결하여 상기 밀폐된 틀 내부공간에 발포수지를 주입하는데 사용한다.

그리고, 성형틀(110)의 모서리에서 플레이트 부재(111,112)의 결합부는 요철(凹凸) 구조로 형성하여 두 플레이트 부재가 요철 구조에 의해 결합되도록 하며, 두 플레이트 부재의 결합면이 되는 요철면 간에는 불소계 고무 패킹을 개재하여 기밀을 유지한다.

또한 성형틀(110)과 스택의 접촉하는 부분, 보다 명확히는 성형틀(110)을 구성하는 각 플레이트 부재(111,112)의 상하단 내측면과 엔드 플레이트(3)의 가장자리 면 사이에는 불소계 고무 가스켓(114)을 개재하여 밀폐한다. 이때, 고무 가스켓(114)은 체결 밴드(5)가 엔드 플레이트(3)에 체결된 상태에서 각 플레이트 부재의 내측면과 엔드 플레이트(3)의 가장자리 면 사이를 완전히 밀폐하도록 적절한 형상으로 성형 제작하여 사용한다.

이와 같이 고무 가스켓을 개재한 상태에서 성형틀을 스택 측면으로 고정 설 치하고 나면, 각 플레이트 부재의 내측면과 스택의 셀 간에 밀폐된 공간이 형성되며, 이러한 틀 내부공간에 발포수지가 충전되어 성형된다. 도 3에는 성형틀을 형성하기 위해 플레이트 부재를 외곽에서 상호 조립된 상태로 잡아주는 별도의 고정기구를 도시하지 않았으나, 성형틀 외측으로 플레이트 부재를 상호 조립된 상태로 유지시켜 주는 고정기구를 설치하는 것이 가능하다.

첨부한 도 4는 도 3의 선 'A-A'를 따라 취한 단면도이고, 도 5는 체결 밴드의 유로공을 도시한 도면으로서, 이에 도시된 바와 같이, 스택 장변 측의 플레이트 부재(111)에 설치된 통로부재(113)의 경우, 통로부재의 내부통로와 상기 밀폐된 틀 내부공간(110c)이 연통될 수 있도록 플레이트 부재의 관통공(111a) 대응 위치에 형성된 체결 밴드(5)의 유로공(5a)을 통해 발포수지가 주입되도록 한다. 즉, 플레이트 부재(111)의 내측면과 체결 밴드(5)의 외측면이 접촉하도록 플레이트 부재가 체결 밴드의 외측으로 위치된 상태에서, 체결 밴드에서 플레이트 부재의 각 관통공(111a) 대응 위치에 유로공(5)을 형성하고, 이 유로공과 플레이트 부재의 관통공이 일치된 상태에서 통로부재(113)의 수지주입구로 주입된 발포수지가 통로부재의 내부통로(113c) 및 플레이트 부재(111)의 관통공(111a), 체결 밴드(5)의 유로공(5a)을 통과하여 주입되도록 하는 것이다.

이와 같이 체결 밴드(5)가 설치된 스택 장변 측에서는 통로부재(113)를 통해 주입된 발포수지가 체결 밴드(5) 상의 유로공(5a)을 통해 체결 밴드 내측으로 주입되어 틀 내부공간(110c)에서 전체 스택 면적으로 퍼져나가도록 하며, 스택 단변 측에서는 통로부재의 내부통로 및 플레이트 부재의 관통공을 통해 틀 내부공간으로 바로 주입되어 전체 스택 면적으로 퍼져나가도록 한다. 상기와 같이 체결 밴드(5) 상의 유로공(5a)을 통해 수지의 주입이 이루어지면 좀더 고르게 체결 밴드 안쪽에서 전체 스택 면적으로 수지가 퍼져나갈 수 있는 장점이 있게 된다.

한편, 상기와 같이 성형틀을 설치하고 나면, 성형틀의 각 통로부재에 진공흡입장치 및 수지주입장치를 연결한 상태에서, 우선 밀폐된 틀 내부공간을 진공상태로 만들어준 뒤 수지를 충전하여 발포 성형한다.

여기서, 밀페된 틀 내부공간(110c)을 우선적으로 진공상태로 만들어주면, 이후 발포수지가 수지주입장치로부터 틀 내부공간의 진공압에 의해 흡입되면서 통로부재의 내부통로 및 틀 내부공간에서의 수지 흐름성이 좋아지게 된다. 즉, 틀 내부공간을 미리 진공상태로 만들어줄 경우, 수지주입장치의 수지주입관으로부터 발포수지가 순간적으로 통로부재를 통과한 뒤 틀 내부공간으로 흡입되고, 틀 내부공간에서도 그 전체 면적으로 발포수지가 고르게 퍼져나가면서 충전될 수 있게 되는 것이다.

첨부한 도 6은 본 발명에서 진공흡입장치와 수지주입장치가 통로부재에 연결된 상태를 나타낸 단면도로서, 진공 흡입이 이루어지는 상태를 도시한 것이다. 또한 첨부한 도 7과 도 8은 본 발명의 작동상태도로서, 도 7은 수지주입장치의 수지주입관을 통해 발포수지가 통로부재로 공급되는 상태를 나타낸 단면도이고, 도 8은 수지주입관에 퍼지용 공기가 공급되는 상태를 나타낸 단면도이다.

도시된 바와 같이, 통로부재(113)의 양단에 진공흡입구(113b)와 수지주입구(113a)가 형성되며, 진공흡입구에는 진공흡입장치(120)가, 수지주입구에는 수지 주입장치(130)가 각각 결합된다. 도면부호 115a, 115b는 통로부재(113)의 진공흡입구(113b)와 수지주입구(113a)에 설치된 씰(seal)을 나타내는 것으로, 진공흡입장치(120)의 밸브기구(123)(보다 명확히는 밸브바디의 흡입구)와 진공흡입구(113b), 수지주입장치(130)의 수지주입관(134)(보다 명확히는 수지주입관의 수지주입노즐)과 수지주입구(113a) 사이에서 발포수지가 새지 않도록 씰링을 하게 된다.

우선, 진공흡입장치(120)는, 흡입력을 제공하는 진공펌프(121)와, 상기 진공펌프의 흡입호스(122)가 연결되고 성형틀, 보다 명확히는 통로부재(113)의 진공흡입구(113b)에 결합된 상태에서 진공흡입구를 선택적으로 개폐하는 밸브기구(123)를 포함하여 구성된다.

여기서, 상기 밸브기구(123)는, 일측에 상기 진공펌프(121)의 흡입호스(122)가 연결되는 진공배기구(124a)가 형성되고 타측에 통로부재(113)의 진공흡입구(113b)와 결합되는 흡입구(124b)가 형성되며 상기 흡입구를 통해 진공펌프의 흡입력을 통로부재의 내부통로(113c)를 통해 제공하는 밸브바디(124)와, 상기 밸브바디(124)에 내장되어 전후진 동작하면서 상기 통로부재(113)의 진공흡입구(113b)를 선택적으로 개폐하는 스풀(125)과, 상기 스풀(125)을 전후진 동작시키기 위한 구동기구(126)를 포함하여 구성된다.

여기서, 상기 스풀(125)은 전후진 동작상태에 따라 통로부재(113)의 진공흡입구(113b)를 닫아 통로부재의 내부통로(113c)를 밀폐하거나 진공 흡입시 통로부재의 진공흡입구를 열어주는 부재로서, 전진시 진공흡입구를 닫게 되고, 후진시 진공흡입구를 열게 된다.

또한 상기 구동기구(126)로는 전후진 동작하는 피스톤(127)에 상기 스풀(125)이 일체로 연결된 실린더 기구가 사용될 수 있는데, 피스톤(127)이 전후진 동작하면서 스풀(125)이 일체로 전후진 동작하여 통로부재(113)의 진공흡입구(113b)를 선택적으로 개폐하게 된다.

그리고, 상기 밸브바디(124)의 후면과 스풀(125) 후단부의 스프링 시트(125a) 사이에는 스프링(128)이 설치되는데, 이는 스프링 시트(125a)에서 밸브바디(124)를 밀어주어 밸브바디가 통로부재(113)의 진공흡입구(113b)와 결합된 상태를 유지하도록 하는 부재이다.

다음으로, 수지주입장치(130)는 외부의 수지공급부(미도시)로부터 발포수지의 공급이 가능하도록 플렉시블 타입의 수지공급호스(132)로 연결된 실린더 기구 형태로 구성되는데, 미도시된 브라켓에 의해 그 위치가 고정되는 실린더(133)와, 상기 실린더에 전후진 동작하는 피스톤 형태로 내장되며 후단부에는 수지공급부의 수지공급호스(132)가 연결되고 선단부에는 통로부재(113)의 수지주입구(113a)와 결합되는 수지주입노즐(134a)이 구비되어 상기 수지공급호스(132)를 통해 공급되는 발포수지를 상기 수지주입노즐(134a)을 통해 통로부재로 주입하는 수지주입관(134)을 포함하여 구성된다.

여기서, 수지주입관(134)의 전후진 동작을 위해서 공압 실린더 형태가 채용되는데, 수지주입관의 외측면에 실린더(133)의 내부공간을 전실(133a)과 후실(133b)로 구분하는 가압단(134b)이 일체로 돌출 형성되고, 상기 실린더의 전실과 후실에 각각 구비된 제1 및 제2공기주입구(135a,135b)에는 외부의 공기공급부(136) 로부터 연결된 공기공급호스(137)가 연결된다.

이에 따라, 제1공기주입구(135a)를 통해 전실(133a)에 고압의 공기가 공급되고 제2공기주입구(135b)를 통해 후실(133b)의 공기가 배출될 때 수지주입관(134)이 후진하면서 성형틀의 통로부재(113)로부터 분리되고, 반대로 제2공기주입구(135b)를 통해 후실(133b)에 고압의 공기가 공급되고 제1공기주입구(135a)를 통해 전실(133a)의 공기가 배출될 때 수지주입관(134)이 전진하면서 수지주입관이 수지 주입이 가능하도록 성형틀의 통로부재(113)에 결합된다.

상기 수지공급부는 발포수지를 정량으로 공급할 수 있는 정량토출장치로 실시 가능하다.

바람직한 실시예에서, 상기 수지주입장치(130)에는 수지주입관(134)의 내부통로를 선택적으로 개폐하는 밸브기구(141)가 설치되는데, 상기 밸브기구(141)는, 수지주입관(134) 일측에 설치된 밸브바디(142)와, 상기 밸브바디(142)에 내장되어 전후진과 동시에 수지주입관의 내부를 출입하면서 수지주입관의 내부통로를 선택적으로 개폐하는 스풀(143)과, 상기 스풀(134)을 전후진 동작시키기 위한 구동기구(144)와, 수지 주입 후 수지주입관(134)의 내부통로에 잔류된 발포수지를 공기로 퍼지하여 성형틀(110)의 내부공간으로 밀어 넣어주는 공기퍼징부(146)를 포함하여 구성된다.

여기서, 상기 스풀(143)은 수지 주입시에 후진(도면상 상승)하여 수지 주입이 가능하도록 수지주입관(134)의 내부통로를 열어주고 수지 주입 후에 전진(도면상 하강)하여 수지 공급이 차단되도록 수지주입관의 내부통로를 닫아주는 부재가 된다.

또한 상기 구동기구(144)로는 전후진 동작하는 피스톤(145)에 상기 스풀(143)이 일체로 연결된 실린더 기구가 사용될 수 있는데, 피스톤(145)이 전후진 동작하면서 스풀(143)이 일체로 전후진 동작하여 수지주입관(134)의 내부통로를 선택적으로 개폐하게 된다.

상기 공기퍼징부(146)는 외부의 공기공급부(136)로부터 연결된 공기공급호스(137)를 통해 퍼지용 공기를 공급받아 수지주입관(134)의 내부에서 수지주입노즐(134a)을 향해 퍼지하는 구성부로서, 상기 밸브기구(141)의 스풀(143)에 형성된 공기유입구(143a)에 퍼지용 공기가 공급되는 공기공급호스(137)가 연결되고, 상기 스풀(143)의 공기유입구(143a)와 스풀 전면의 공기배출구(143b)를 연결하는 유로를 스풀 내부에 관통 형성하여 구성된다.

이러한 공기퍼징부(146)에서는 밸브기구(141)의 스풀(143)이 전진(도면상 하강)하여 수지주입관(134)의 내부통로를 차단하게 될 때 스풀 전면의 공기배출구(143b)는 수지주입관의 내부통로에서 개방되도록 되어 있다.

이에 따라 수지 주입 후 스풀(143)이 수지주입관(134)의 내부통로를 차단한 상태에서는 공기공급부(136)에서 공기공급호스(137)를 통해 공급되는 고압의 공기가 스풀의 내부유로를 통과한 뒤 스풀 전면의 공기배출구(143b)에서 배출되는데, 이때 수지주입관(134)의 내부통로에서 수지주입노즐(134a)을 향해 공기가 배출되며, 이러한 공기 퍼지에 의해 수지주입관(134)의 선단부(스풀 위치에서 수지주입노즐까지의 내부공간) 및 통로부재(113)의 내부통로(113c)에 잔류하는 발포수지가 성 형틀 내부공간으로 밀어 넣어지게 된다.

상기 스풀(143)은 밸브바디(142) 내에서 가이드되는 부분이 도면상 상하 두 부분으로 분리 구성되고 분리 구성된 두 스풀 부분이 퍼지용 공기 유로를 형성하는 유로관(143c)에 의해 연결된 구조로 제작된다. 이에 스풀(143)이 실린더 기구(144)의 피스톤(145)과 일체로 후진(도면상 상승)한 상태에서는 유로관(143c)이 수지주입관(134)의 내부통로에 위치하게 되어 발포수지가 상기 유로관(143c) 주변을 거치면서 주입될 수 있는 상태가 된다.

이하, 연료전지 스택의 측면으로 절연용 발포재를 성형하는 과정에 대해 설명하면 다음과 같다.

연료전지 스택(1)의 4면에 성형틀(110)을 설치하고, 각 통로부재(113)의 진공흡입구(113b)에 진공흡입장치(120)의 밸브기구(123)를 결합한다. 또한 각 통로부재의 수지주입구(113a)에 수지주입장치(130)의 수지주입관(134)을 결합한다. 이때, 실린더(133)의 제2공기주입구(135b)를 통해 실린더 후실(133b)에 고압 공기를 공급하여 수지주입관(134)을 전진시킴으로써 수지주입관을 통로부재(113)에 결합하는데, 각 수지주입관(134)의 수지주입노즐(134a)이 통로부재(113)의 수지주입구(113a)에 수지 주입이 가능하도록 결합된다.

이후 진공흡입장치(120)의 밸브기구(123)에서 실린더 기구(126)를 동작시켜 스풀(125)을 후진시킴으로써 각 통로부재(113)의 진공흡입구(113b)를 개방한다(도 6 참조).

상기와 같이 진공흡입구(113b)를 개방한 상태에서 발포수지의 충전율을 높이 기 위해 진공펌프(121)를 구동하여 통로부재(113)를 포함한 성형틀(110)의 밀폐된 내부공간(110c)을 진공상태로 만들어준다. 이와 같이 틀 내부공간(110c)을 진공상태로 만들어준 뒤 밸브기구(123)의 실린더 기구(126)를 동작시켜 스풀(125)을 전진시킴으로써 각 통로부재(113)의 진공흡입구(113b)를 닫아준다.

이와 같이 틀 내부공간을 진공상태로 만들어주면 이후 발포수지의 주입시에 발포수지의 흐름성이 좋아지면서 성형틀 내 발포수지의 충전율이 높아지게 된다. 이때, 과도한 진공압을 가할 경우 스택 내부의 MEA가 파손될 수 있으므로 절대압으로 약 0.5bar의 진공도를 유지시킨다.

상기와 같이 틀 내부공간을 진공상태로 유지한 상태에서 수지주입장치(130)의 밸브기구(141)를 열어(도 7 참조) 수지 주입이 가능한 상태로 한 뒤 발포수지를 수지주입관(134)을 통해 통로부재(113)로 주입하는데, 이때 발포수지는 수지주입관(134)의 수지주입노즐(134a) 및 통로부재(113)의 수지주입구(113a), 통로부재의 내부통로(113c)를 거쳐 성형틀(110)의 밀폐된 내부공간(110c)으로 충전된다.

이때, 수지주입장치(130)의 밸브기구(141)는 수지 주입이 가능하도록 실린더 기구(144)를 동작시켜 스풀(143)을 후진시킴으로써 수지주입관(134)의 내부통로를 개방하게 된다. 또한 발포수지는 수지공급부인 정량토출장치를 이용하여 성형틀과 스택 사이 공간의 체적과 동일한 양을 주입한다.

상기와 같이 발포수지를 정량 공급한 뒤에는 수지주입장치(130)의 밸브기구(141)를 닫아주며, 퍼지용 공기를 수지주입관(134)에 투입하여 퍼지함으로써 수지주입관(134) 및 통로부재(113) 내부에 잔류하는 발포수지를 공기의 압력을 이용 해 성형틀(110) 내부로 완전히 밀어 넣어준다.

수지주입장치(130)의 밸브기구(141)에서 스풀(143)이 후진하여 수지주입관(134)의 내부통로를 개방한 상태에서는 공기 퍼지가 가능하도록 전술한 바와 같이 스풀(143)의 공기배출구(143b)가 수지주입관의 내부통로에서 개방되며, 이에 퍼지용 공기가 수지주입관으로 투입 가능한 상태가 된다(도 8 참조).

수지 주입 및 충전 완료 후 수지주입관 및 통로부재 내부에 발포수지가 잔류하게 되면, 스택을 둘러싸는 수지의 양이 부족하여 빈틈이 생기며, 수지주입관 및 통로부재에서 발포수지가 경화하여 수지주입관 및 통로부재(성형틀)를 더 이상 사용할 수 없게 된다. 따라서, 수지주입관 및 통로부재의 내부에 잔류하는 수지는 공기 퍼지를 통해 반드시 제거해야 한다.

이와 같이 발포수지가 성형틀 내부에 고르게 충전되고 성형틀 내부에서 발포되어 성형이 완료되면 진공흡입장치(120)의 밸브기구(123)와 수지주입장치(130)의 수지주입관(134)을 각 통로부재(113)로부터 분리하고, 성형틀(110)을 해체하게 된다. 진공흡입장치(120)의 밸브기구(123)를 성형틀(110)의 통로부재(113)에서 분리할 때는 실린더 기구(126)를 동작시켜 스풀(125) 및 밸브바디(124) 전체를 후진시켜 통로부재(113)로부터 완전히 분리한다. 또한 수지주입장치(130)의 수지주입관(134)을 성형틀(110)의 통로부재(113)에서 분리할 때는 실린더(133)의 제1공기주입구(135a)를 통해 실린더 전실(133a)에 고압 공기를 공급하여 수지주입관(134)을 후진시킴으로써 수지주입관을 통로부재로부터 완전히 분리한다.

이에 따라 상기한 전 과정을 거치게 되면 연료전지 스택의 사방 측면으로 셀 주변을 밀폐하는 절연용 발포재를 성형할 수 있게 된다.

이와 같이 하여, 본 발명에서는 발포수지를 이용하여 연료전지 스택을 절연하며, 절연용 발포재에 의해 외부 도전체와의 전기 절연성을 확보하는 동시에 절연용 발포재가 보온재의 역할을 하므로 종래와 같이 별도의 보온재가 불필요해지는 장점이 있게 된다.

도 1은 종래기술에 따른 연료전지 스택의 절연 방법을 나타낸 도면,

도 2는 본 발명에 따른 연료전지 스택 절연 방법을 나타낸 도면,

도 3은 본 발명의 연료전지 스택 절연 장치에서 성형틀의 설치상태를 나타내는 확대도,

도 4는 도 3의 선 'A-A'를 따라 취한 단면도,

도 5는 본 발명에서 체결 밴드의 유로공을 도시한 도면,

도 6은 본 발명에서 진공흡입장치와 수지주입장치가 통로부재에 연결된 상태를 나타낸 단면도,

도 7과 도 8은 본 발명에서 진공흡입장치와 수지주입장치의 작동상태도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

1 : 스택 2 : 셀

3 : 엔드 플레이트 5 : 체결 밴드

110 : 성형틀 120 : 진공흡입장치

130 : 수지주입장치

Claims (10)

1. 연료전지 스택을 전기 절연하기 위한 장치에 있어서,

   스택의 사방 측면을 둘러싸면서 셀과의 사이에 밀폐된 내부공간을 형성하도록 설치되는 성형틀과;

   상기 성형틀 외부에 설치된 통로부재의 진공흡입구에 결합되어 상기 성형틀의 밀폐된 내부공간을 진공상태로 만들어주는 진공흡입장치와;

   상기 통로부재의 수지주입구에 결합되어 진공상태로 유지되는 상기 성형틀의 밀폐된 내부공간으로 발포수지를 주입 및 충전하는 수지주입장치;

   를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 절연 장치.
2. 청구항 1에 있어서,

   상기 성형틀은 스택의 사방 측면을 둘러싸도록 조립된 플레이트 부재들로 구성되고, 각 플레이트 부재의 내측면과 스택의 엔드 플레이트 가장자리 면 사이에 가스켓이 개재되어 밀폐됨으로써 상기 성형틀의 밀폐된 내부공간을 형성하는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 절연 장치.
3. 청구항 2에 있어서,

   상기 각 플레이트 부재에 관통공이 형성되어 각 플레이트부재의 외측면에 설치된 통로부재의 내부통로와 성형틀의 밀폐된 내부공간이 수지 주입이 가능하도록 상기 관통공에 의해 연통되는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 절연 장치.
4. 청구항 3에 있어서,

   상기 스택의 측면에는 체결 밴드가 설치되고, 이 체결 밴드가 설치된 스택 측면에서는 플레이트 부재의 내측면과 체결 밴드의 외측면이 접촉하도록 플레이트 부재가 체결 밴드의 외측으로 위치되고, 상기 체결 밴드에 상기 플레이트 부재의 관통공과 일치되는 유로공이 형성되어, 통로부재에서 관통공 및 유로공을 통해 체결 밴드의 내측으로 수지가 주입되도록 한 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 절연 장치.
5. 청구항 1에 있어서,

   상기 진공흡입장치는 흡입력을 제공하는 진공펌프와, 상기 진공펌프의 흡입호스가 연결되고 상기 통로부재의 진공흡입구에 결합된 상태에서 상기 진공흡입구를 선택적으로 개폐하는 밸브기구로 구성되고,

   상기 밸브기구는,

   상기 진공펌프의 흡입호스가 연결되는 진공배기구와, 통로부재의 진공흡입구와 결합되는 흡입구가 형성되고 상기 흡입구를 통해 진공펌프의 흡입력을 통로부재 의 내부통로를 통해 제공하는 밸브바디와;

   상기 밸브바디에 내장되어 전후진 동작하면서 상기 통로부재의 진공흡입구를 선택적으로 개폐하는 스풀과;

   상기 스풀을 전후진 동작시키기 위한 구동기구;

   를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택 절연 장치.
6. 청구항 5에 있어서,

   상기 밸브바디의 후면과 스풀 후단부의 스프링 시트 사이에 스프링이 설치되고, 상기 스프링이 스프링 시트에서 밸브바디를 밀어주어 밸브바디가 통로부재의 진공흡입구와 결합된 상태를 유지하도록 된 것을 특징으로 하는 연료전지 스택 절연 장치.
7. 청구항 1에 있어서,

   상기 수지주입장치는,

   위치가 고정되는 실린더와;

   상기 실린더에 전후진 동작하는 피스톤 형태로 내장되어 외부의 수지공급부로부터 수지공급호스가 연결되고 선단부에 통로부재의 수지주입구에 결합되는 수지주입노즐이 구비된 수지주입관과;

   상기 수지주입관의 내부통로를 선택적으로 개폐하는 밸브기구;

   를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택 절연 장치.
8. 청구항 7에 있어서,

   상기 밸브기구는,

   상기 수지주입관에 설치된 밸브바디와;

   상기 밸브바디에 내장되어 전후진 동작에 의해 수지주입관의 내부통로를 개폐하는 스풀과;

   상기 스풀을 전후진 동작시키기 위한 구동기구;

   를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택 절연 장치.
9. 청구항 7에 있어서,

   상기 수지주입관의 내부에서 수지주입노즐을 향해 공기를 퍼지하여 수지주입관 및 통로부재의 내부에 잔류하는 수지를 제거하는 공기퍼징부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택 절연 장치.
10. 청구항 9에 있어서,

    상기 공기퍼징부는 상기 스풀에 형성된 유입구에 공기공급부로부터 퍼지용 공기가 공급되는 공기공급호스를 연결하고 상기 스풀의 공기유입구와 스풀 전면의 공기배출구를 연결하는 유로를 스풀 내부에 관통 형성하여 구성되되,

    상기 스풀이 수지주입관의 내부통로를 차단하게 될 때 상기 공기배출구가 수지주입관의 내부통로에서 개방되어 공기 배출이 이루어지도록 된 것을 특징으로 하는 연료전지 스택 절연 장치.

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