KR102359582B1 - 연료전지 스택의 매니폴드 블록 및 이의 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 연료전지 스택의 매니폴드 블록 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 플라스틱 재질을 이용한 사출 성형이 가능한 구조로 분할 구성하고 레이저 용착 등의 접합을 통해 일체화함으로써 알루미늄 이온의 용출을 막기 위한 구성을 생략하고 연료전지 스택의 저온 시동성을 향상할 수 있는 연료전지 스택의 매니폴드 블록 및 이의 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

Description

연료전지 스택의 매니폴드 블록 및 이의 제조방법 {Manifold block for fuel cell stack and manufacturing method of the same}
본 발명은 연료전지 스택의 매니폴드 블록 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 연료전지 스택의 저온 시동성을 향상하고 재료비 및 중량 절감이 가능한 연료전지 스택의 매니폴드 블록 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로 연료전지 스택의 매니폴드 블록은 공용분배기로서 스택의 한쪽 측면에 장착되고, 스택의 전기 생성을 위한 수소와 공기의 공급 및 배출을 위한 유로가 구성되며, 연료전지 시스템의 성능 및 패키지성을 최적화하기 위해 수소 공급을 위한 수소공급시스템(수소차단밸브, 수소공급밸브, 수소퍼지밸브, 워터 트랩 및 드레인 밸브, 수소 이젝터로 구성됨)이 장착된다. 따라서 수소의 유동을 위한 수소 유로가 수소공급시스템과 매니폴드 블록에 구성되어야 한다.
상기 매니폴드 블록은 매니폴드 블록의 한정된 공간내에서 상기와 같은 유로 조건을 만족시키기 위해 매우 복잡하게 구성되며, 이를 위해 알루미늄 중력주조 공법을 이용하여 제조되고 있다.
그런데, 알루미늄 재질의 경우 알루미늄에서 용출되는 알루미늄 이온이 스택을 구성하는 전극막의 성능을 저하시키기 때문에, 매니폴드 블록의 유로는 알루미늄 이온의 용출을 막기 위해 반드시 표면 코팅이 수행되어야 한다.
또한, 매니폴드 블록의 복잡한 유로는 표면 코팅에 상당한 시간이 소요되고, 매니폴드 블록의 주조 후에는 반드시 후가공이 필요하며, 또 매니폴드 블록의 여러 부위에 다양한 상대 부품이 매칭되기 때문에 그에 따른 가공 시간이 소요된다.
그리고, 알루미늄 재질의 매니폴드 블록은 스택의 저온 시동 시에 스택으로 유입되는 공기 온도를 낮추게 되어 저온 시동에 불리한 영향을 준다.
한국공개특허 제2015-0077686호
본 발명은 상기와 같이 종래 알루미늄 재질을 이용하여 매니폴드 블록을 제작함에 따른 문제점들을 개선하기 위하여 안출한 것으로서, 플라스틱 재질을 이용한 사출 성형이 가능한 구조로 분할 구성하여 성형하고 레이저 용착 등의 접합을 통해 일체화함으로써 알루미늄 이온의 용출을 막기 위한 별도 구성을 생략하고 연료전지 스택의 저온 시동성을 향상할 수 있는 연료전지 스택의 매니폴드 블록 및 이의 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
이에 본 발명에서는, 연료전지 스택에 장착되고 상기 스택으로 스택의 운전에 필요한 공기 및 수소 등을 공급 및 분배하는 매니폴드 블록으로서, 상기 스택에 형성된 수소유로와 연결되는 수소입구와 수소출구, 상기 스택에 형성된 공기유로와 연결되는 공기입구와 공기출구가 구비된 메인 바디; 상기 메인 바디의 외측면에 접합되고, 상기 수소출구와 연결되는 응축 챔버를 형성하는 수소출구 커버; 상기 메인 바디의 내측면에 접합되고, 상기 공기입구와 연결되는 공기유입부를 갖는 공기입구 커버; 상기 메인 바디의 내측면에 접합되고, 상기 공기출구와 연결되는 공기배출부를 갖는 공기출구 커버;를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 매니폴드 블록을 제공한다.
본 발명의 실시예에 의하면, 상기 메인 바디에는 공기입구 커버에 의해 밀폐되는 공기유입통로와 공기출구 커버에 의해 밀폐되는 공기배출통로가 형성되고, 상기 메인 바디의 외측면에 접합된 ACV 커버는 상기 공기유입통로의 입구와 공기배출통로의 출구에 연결되는 홀 구조를 가진다.
또한 상기 메인 바디와, 수소출구 커버, 공기입구 커버, 공기출구 커버, 및 ACV 커버는 각각 플라스틱 재질로 성형되어 이루어진 것으로서, 상기 공기입구 커버와 공기출구 커버는 메인 바디의 내측면에 레이저 용착으로 접합되고, 상기 ACV 커버와 수소출구 커버는 메인 바디의 외측면에 레이저 용착으로 접합된다.
이를 위하여, 상기 메인 바디의 내측면에 접합되는 공기입구 커버와 공기출구 커버의 외측 가장자리부에는 레이저 용착을 위한 용착홈과 용착산 중 어느 하나를 가지는 플랜지부가 형성되고, 상기 메인 바디의 내측면에는 상기 레이저 용착을 위한 용착홈과 용착산 중 다른 하나가 형성된다.
그리고, 상기 메인 바디의 외측면에 접합되는 수소출구 커버의 외측 가장자리부에는 레이저 용착을 위한 용착홈과 용착산 중 어느 하나를 가지는 플랜지부가 형성되고, 상기 메인 바디의 외측면에는 상기 레이저 용착을 위한 용착홈과 용착산 중 다른 하나가 형성된다.
또한, 상기 공기입구 커버에 구비된 공기유입부의 외측 및 메인 바디에 구비된 수소출구의 외측을 둘러싸서 상기 공기유입부의 상단 및 수소출구의 상단에 구비된 가스켓홈의 한쪽 벽을 형성하게 되는 공기입구 가이드블록이 상기 메인 바디의 내측면의 한쪽에 조립되고, 상기 공기출구 커버에 구비된 공기배출부의 외측 및 메인 바디에 구비된 수소입구의 외측을 둘러싸서 상기 공기배출부의 상단 및 수소입구의 상단에 구비된 가스켓홈의 한쪽 벽을 형성하게 되는 공기출구 가이드블록이 상기 메인 바디의 내측면의 다른 한쪽에 조립된다.
아울러, 수소의 공급을 위한 수소 인터페이스가 상기 메인 바디의 외측면에 조립되고, 상기 수소 인터페이스는 상기 메인 바디의 수소입구와 연결되며, 상기 수소출구 커버와 수소 인터페이스 사이에 이젝터 디퓨저가 조립되고, 상기 이젝터 디퓨저의 한쪽 단부가 장착되는 수소출구 커버의 한쪽 측벽이 이젝터 디퓨저의 길이방향과 수직을 이루게 된다.
또한 본 발명에서는, 연료전지 스택에 장착되고 상기 스택으로 공기와 수소를 공급 및 분배하는 매니폴드 블록의 제조방법으로서, 수소입구와 수소출구, 및 공기입구와 공기출구를 가지는 메인 바디를 성형하는 제1단계; 상기 수소출구와 연결되는 응축 챔버를 형성하는 수소출구 커버를 성형하는 제2단계; 상기 공기입구와 연결되는 공기유입부를 갖는 공기입구 커버를 성형하는 제3단계; 상기 공기출구와 연결되는 공기배출부를 갖는 공기출구 커버를 성형하는 제4단계; 상기 수소출구 커버를 메인 바디의 외측면에 접합하고, 상기 공기입구 커버와 공기출구 커버를 메인 바디의 내측면에 각각 접합하는 제5단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 매니폴드 블록 제조방법도 제공한다.
상기 매니폴드 블록 제조방법에 의하면, 상기 제1단계에서 메인 바디는 상기 공기입구 커버에 의해 밀폐되는 공기유입통로와 상기 공기출구 커버에 의해 밀폐되는 공기배출통로를 가지도록 형성되며, 상기 공기유입통로의 입구와 상기 공기배출통로의 출구에 연결되는 홀 구조를 가지는 ACV 커버를 성형하고 상기 메인 바디의 외측면에 접합한다.
이때 상기 공기입구 커버와, 공기출구 커버, 수소출구 커버, 및 ACV 커버는 레이저 용착을 통해 상기 메인 커버에 접합되며, 이를 위하여
상기 제2단계에서 수소출구 커버의 외측 가장자리부에는 레이저 용착을 위한 용착홈과 용착산 중 어느 하나를 가지는 플랜지가 형성되고, 상기 제1단계에서 메인 바디의 외측면에는 상기 레이저 용착을 위한 용착홈과 용착산 중 다른 하나가 형성되며,
또한 상기 제3단계에서 공기입구 커버의 외측 가장자리부에는 레이저 용착을 위한 용착홈과 용착산 중 어느 하나를 가지는 플랜지가 형성되고, 상기 제1단계에서 메인 바디의 내측면에는 상기 레이저 용착을 위한 용착홈과 용착산 중 다른 하나가 형성되며,
아울러 상기 제4단계에서 공기출구 커버의 외측 가장자리부에는 레이저 용착을 위한 용착홈과 용착산 중 어느 하나를 가지는 플랜지가 형성되고, 상기 제1단계에서 메인 바디의 내측면에는 상기 레이저 용착을 위한 용착홈과 용착산 중 다른 하나가 형성된다.
그리고, 상기 매니폴드 블록 제조방법에 의하면, 상기 제5단계 이후에는, 상기 공기유입부의 외측 및 수소출구의 외측을 둘러싸서 상기 공기유입부의 상단 및 수소출구의 상단에 구비된 가스켓홈의 한쪽 벽을 형성하는 공기입구 가이드블록을 상기 메인 바디의 내측면의 한쪽에 조립하고,
상기 공기배출부의 외측 및 수소입구의 외측을 둘러싸서 상기 공기배출부의 상단 및 수소입구의 상단에 구비된 가스켓홈의 한쪽 벽을 형성하는 공기출구 가이드블록을 상기 메인 바디의 내측면의 다른 한쪽에 조립한다.
또한, 상기 매니폴드 블록 제조방법에 의하면, 수소의 공급을 위한 수소 인터페이스를 상기 메인바디의 수소입구와 연결되도록 상기 메인 바디의 외측면에 조립하며,
상기 제2단계에서는 수소출구 커버와 수소 인터페이스 사이에 이젝터 디퓨저를 조립할 때 상기 이젝터 디퓨저의 한쪽 단부가 장착되는 상기 수소출구 커버의 한쪽 측벽이 이젝터 디퓨저의 길이방향과 수직을 이루도록 상기 수소출구 커버를 성형한다.
본 발명에 따른 연료전지 스택의 매니폴드 블록 및 이의 제조방법은 다음과 이점이 있다.
1. 플라스틱 재질로 제작됨으로써 알루미늄 이온의 용출을 막기 위한 구성을 생략할 수 있으며, 따라서 스택의 공기유로 및 수소유로와 연결되는 매니폴드 블록의 유로(공기입구 및 수소입구)에 절연 공정이 불필요하게 된다.
2. 플라스틱 재질로 제작됨으로써 알루미늄 재질로 제작시 스택의 저온 시동 시에 가습기를 통해 유입되는 공기의 온도가 매니폴드 블록을 지나면서 저하되는 현상을 방지할 수 있으며, 이에 연료전지 스택의 저온 시동성을 향상할 수 있다.
3. 플라스틱 재질로 제작됨으로써, 알루미늄 재질로 제작시 매니폴드 블록의 주조 후에 요구되는 후가공 및 코팅 공정이 삭제되고, 이에 제작 공정의 단순화 및 제작 시간의 단축이 가능하다.
4. 알루미늄 재질로 제작시 요구되는 유로 절연 구조 및 기밀가스켓의 삭제 등에 의해 재료비 절감 및 중량 절감이 가능하다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 스택의 매니폴드 블록을 매니폴드 블록의 외측면에서 본 도면
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 스택의 매니폴드 블록을 매니폴드 블록의 내측면에서 본 도면
도 3a는 본 발명의 실시예에 따른 메인 바디의 수소출구측 단면구조를 나타낸 도면
도 3b는 본 발명의 실시예에 따른 메인 바디의 수소입구측 단면구조를 나타낸 도면
도 4a는 본 발명의 실시예에 따른 메인 바디의 공기입구측 단면구조를 나타낸 도면
도 4b는 본 발명의 실시예에 따른 메인 바디의 공기출구측 단면구조를 나타낸 도면
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 이젝터 디퓨저의 장착구조를 나타낸 단면도
도 6은 종래 기술에 따른 매니폴드 블록의 수소출구측 단면구조를 나타낸 도면
도 7은 종래 기술에 따른 매니폴드 블록의 이젝터 디퓨저의 장착구조를 나타낸 단면도
이하, 본 발명을 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 설명하기로 한다.
도 1 및 도 2에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 매니폴드 블록(100)은 연료전지 스택(200)의 공용분배기로서, 스택(200)으로 공기 및 수소를 공급하는 동시에, 스택(200)으로부터 공기 및 수소를 받아 외부로 배출하거나 스택(200)으로 재순환할 수 있도록 연료전지 스택(200)의 한쪽에 장착된다.
알려진 바와 같이, 연료전지 스택에는 공급된 수소의 유동을 위한 수소유로와 공급된 공기의 유동을 위한 공기유로가 형성되고, 연료전지 스택이라고 하면 1개의 스택 모듈을 말하거나 또는 2개 이상의 스택 모듈이 상하로 적층되어 모듈화된 것을 말한다.
본 발명의 실시예에 따른 매니폴드 블록(100)은 2단 구조로 모듈화된 스택(200)의 공용분배기로서 구성된다.
상기 매니폴드 블록(100)은 스택(200)의 수소유로와 연결되는 수소입구(111)와 수소출구(112), 스택의 공기유로와 연결되는 공기입구(113)와 공기출구(114)가 구비되고, 상기 수소입구(111)와 공기입구(113)는 2단 구조로 모듈화된 스택의 상하 양측으로 수소와 공기를 분배하고, 상기 수소출구(112)와 공기출구(114)에서 배출되는 수소와 공기를 모아서 외부로 배출하거나 스택(200)으로 재순환시키게 된다.
또한, 상기 매니폴드 블록(100)은 스택(200)의 공기 유입 및 배출을 위한 공기 인터페이스(ACV 커버)(115)에 스택(200)의 내구성을 향상시키기 위해 공기차단밸브(미도시)가 직접 연결되고, 재순환되는 수소에서 응축수를 제거하기 위한 응축 챔버(도 5의 121 참조)가 일체로 구비된다.
상기 응축 챔버(121)에는 응축 챔버(121)의 상단부에 수소공급장치(혹은 FPS(Fuel Processing System) 조립체)(123)가 장착되어 고정되고, 응축 챔버(121)의 하단부에 응축 챔버에서 배출되는 응축수를 수집하여 외부로 배출하는 워터트랩(124)이 장착되어 고정되고, 응축 챔버(121)의 측면부에 이젝터 디퓨저(126)가 수소 인터페이스(125)와 함께 장착되어 고정된다.
구체적으로 도시하지는 않았으나, 상기 수소공급장치(123)는 수소차단밸브, 수소공급밸브, 수소퍼지밸브를 포함하고, 상기 수소퍼지밸브는 매니폴드 블록(100)을 구성하는 메인 바디(110)의 퍼지홀(116)에 연결되어 공기배출통로(143)측으로 수소를 퍼지하게 된다.
이처럼 상기 매니폴드 블록(100)은 수소공급장치(123)와 워터트랩(124) 및 이젝터 디퓨저(126) 등과 모듈화됨으로써 스택(200)의 수소유로와 이어지는 유로를 형성하고 수소 공급 시스템을 구성하게 된다.
이와 같은 구성으로 인해 스택의 매니폴드 블록(100)은 매우 복잡한 구조로 이루어지게 된다.
이에 본 발명의 매니폴드 블록(100)은 플라스틱 재질을 이용한 사출 성형이 가능한 구조를 만족하기 위하여, 도 1 내지 5에 나타낸 바와 같이, 메인 바디(110)와, 수소출구 커버(120), 공기입구 커버(130), 공기출구 커버(140), ACV 커버(115), 수소 인터페이스(125), 공기입구 가이드블록(150), 및 공기출구 가이드블록(160)을 포함하는 구조로 분할 구성하고 레이저 용착 등의 접합을 통해 일체화하여 구성된다.
상기 매니폴드 블록(100)의 제작시, 플라스틱 재질을 이용함에 따라 알루미늄 재질 대비 강성이 저하되는 것을 방지하고 알루미늄 재질에 상응하는 동등 수준의 강성을 확보하기 위하여 엔지니어링 플라스틱 등과 같은 고강도 플라스틱 재질을 사용한다.
상기 메인 바디(110)는 매니폴드 블록(100)의 중심이 되는 부분으로서, 연료전지 스택(200)의 내부 수밀을 잡기 위한 일종의 수밀 격벽의 역할을 하며, 스택(200)에 장착될 때 사용하기 위한 볼트 플랜지(118a)와 마운팅 브라켓(118b)이 일체로 형성되어 있고, 스택(200)에 형성되어 있는 수소유로와 연결되는 수소입구(111)와 수소출구(112)가 형성되어 있고, 또한 스택(200)에 형성되어 있는 공기유로와 연결되는 공기입구(113)와 공기출구(114)가 형성되어 있다.
메인 바디(110)의 가장자리부에는 수밀 성능을 확보하기 위해 수밀가스켓(117)이 장착되고, 상기 수밀가스켓(117)은 스택 커버에 해당하는 인클로저와 함께 스택 컴플리트(스택과 매니폴드 블록의 조립체)의 수밀을 잡는(확보하는) 기능을 한다.
상기 메인 바디(110)는 스택(200)에 장착시 한쪽(외측면)이 스택(200)의 외측을 향하게 되고 다른 한쪽(내측면)이 스택(200)을 마주하게 된다.
상기 메인 바디(110)의 외측면에는 메인 바디(110)의 수소출구(112)와 연결되는 응축 챔버(121)를 형성하는 수소출구 커버(120)와, ACV(Air Cutoff Valve) 커버(115)가 접합되어 고정되며, 구체적으로 레이저 융착을 통해 일체화된다.
상기 메인 바디(110)의 내측면에는 메인 바디(110)의 공기입구(113)와 연결되는 공기유입부(131)를 갖는 공기입구 커버(130)와, 메인 바디(110)의 공기출구(114)와 연결되는 공기배출부(141)를 갖는 공기출구 커버(140)가 접합되어 고정되며, 구체적으로 레이저 융착을 통해 일체화된다. 상기 공기유입부(131)는 공기입구(113)를 통해 스택(200)의 공기유로와 연결되고, 상기 공기배출부(141)는 공기출구(114)를 통해 스택(200)의 공기유로와 연결된다.
상기 수소출구 커버(120)와 ACV 커버(115) 및 공기입구 커버(130)와 공기출구 커버(140)는 레이저 융착을 통해 메인 바디(110)에 일체화되어 구성되므로, 조립을 위한 별도의 체결부재와 부품 간에 기밀을 위한 가스켓부재를 삭제할 수 있다.
상기 수소출구 커버(120)가 메인 바디(110)의 외측면에 접합될 때 상기 응축 챔버(121)는 수소출구(112)와 연통가능하게 밀폐되고, 상기 수소출구(112)를 통해 응축 챔버(121)로 배출된 수소는 수소공급장치(123)의 퍼지밸브와 메인 바디(110)에 형성된 퍼지홀(116)을 통해 공기배출통로(143)로 이동되고 상기 공기배출통로(143)의 출구를 통해 매니폴드 블록(100) 외부로 배출된다.
상기 공기입구 커버(130)는 메인 바디(110)의 내측면에 접합될 때 상기 메인 바디(110)의 내측면에 함몰된 형태로 형성되어 있는 공기유입통로(133)를 밀폐하게 되고, 상기 공기유입통로(133)는 메인 바디(110)의 공기입구(113)를 통해 스택(200)의 공기유로와 연통가능하게 된다.
상기 공기출구 커버(140)는 메인 바디(110)의 내측면에 접합될 때 상기 메인 바디(110)의 내측면에 함몰된 형태로 형성되어 있는 공기배출통로(143)를 밀폐하게 되고, 상기 공기배출통로(143)는 메인 바디(110)의 공기출구(114)를 통해 스택(200)의 공기유로와 연통가능하게 된다.
이때 상기 공기유입통로(133)의 출구(공기유동방향을 기준으로 한 출구임)는 메인 바디(110)의 공기입구(113)가 되고 상기 공기입구 커버(130)의 공기유입부(131)에 연통가능하게 연결되며, 상기 공기유입통로(133)의 입구(공기유동방향을 기준으로 한 입구임)는 공기차단밸브(미도시)를 통해 공기공급 시스템과 연결되어 외부 공기를 공급받게 된다.
그리고, 상기 공기배출통로(143)의 입구는 메인 바디(110)의 공기출구(114)가 되고 상기 공기출구 커버(140)의 공기배출부(141)에 연통가능하게 연결되며, 상기 공기배출통로(143)의 출구는 공기배출통로(143)로 유입된 공기를 공기차단밸브(미도시)를 통해 외부로 배출하게 된다.
상기 ACV 커버(115)에는 공기유입통로(133)로 유입되는 공기 및 공기배출통로(143)에서 배출되는 공기의 출입을 제어하는 공기차단밸브(미도시)가 장착되며, 상기 공기유입통로(133)의 입구와 공기배출통로(143)의 출구에 연결되는 홀 구조를 가진다.
한편, 도 6에 나타낸 바와 같이, 종래 알루미늄 재질의 매니폴드 블록은 스택에서 배출되는 응축수에 의한 절연저항 저하를 방지하고자 수소출구 절연커버(1)를 구성하고 이 절연커버(1)에 기밀가스켓이 장착되는 가스켓홈(2)을 형성하여 메인 바디(3)와 절연커버(1) 간에 기밀을 확보하고, 상기 절연커버(1)의 한쪽을 메인 바디(3)의 수소출구측으로 연장하여 돌출커버부(1a)를 형성함으로서 응축수가 알루미늄 재질의 메인 바디(3)와 접촉하지 않도록 하는 것이 필요하였다.
본 발명의 매니폴드 블록(100)은 플라스틱 재질을 이용하여 제작됨으로써 알루미늄 이온의 용출이 발생하지 않기 때문에 절연저항의 저하를 방지하기 위한 별도의 구성이 필요치 않으며, 따라서 상기 돌출커버부(1a)와 같은 구성을 삭제할 수 있으며, 또한, 레이저 용착을 통해 일체화되어 구성되므로 가스켓홈(2)에 장착되는 기존의 기밀가스켓도 삭제할 수 있다.
또한, 상기 공기입구 커버(130)의 공기유입부(131) 및 공기출구 커버(140)의 공기배출부(141)와 같이 연료전지 스택(200)의 공기유로의 끝단에 직접 연결되는 부분에는, 스택(200)과의 기밀을 확보하기 위해 기밀가스켓이 장착된다.
본 발명에서는 메인 바디(110)의 한정된 공간에 매칭되는 부품의 접합을 위한 레이저 용착 라인(플랜지부 등)을 형성하고 사출 성형 시 부품의 수축에 의한 변형을 줄이기 위해, 공기입구 가이드블록(150)과 공기출구 가이드블록(160)을 별물로 형성하고 상기 공기입구 커버(130)의 공기유입부(131) 및 공기출구 커버(140)의 공기배출부(141) 외측에 각각 배치함으로써, 상기 공기입구 가이드블록(150)이 공기유입부(131)의 상단에 구비된 가스켓홈(132)의 한쪽 벽을 형성하고, 상기 공기출구 가이드블록(160)이 공기배출부(141)의 상단에 구비된 가스켓홈(142)의 한쪽 벽을 형성하도록 한다.
도 3a 및 도 4a에 보듯이, 상기 공기입구 가이드블록(150)은 스택(200)의 공기유로 및 수소유로와 직접 연결되는 공기입구 커버(130)의 공기유입부(131) 외측 및 메인 바디(110)의 수소출구(112) 외측을 둘러싸도록 메인 바디(110)의 내측면에 조립되고, 이때 상기 공기유입부(131)의 상단에 구비된 가스켓홈(132) 및 수소출구(112)의 상단(구체적으로, 메인 바디(110)의 수소출구(112)측 상단)에 구비된 가스켓홈(112a)의 한쪽 벽을 형성하게 된다.
이에 상기 공기입구 가이드블록(150)은 상기 각 가스켓홈(112a,132)에 장착되는 기밀가스켓(미도시)의 한쪽을 지지해줄 수 있게 된다.
도 3b 및 도 4b에 보듯이, 상기 공기출구 가이드블록(160)은 스택(200)의 공기유로 및 수소유로와 직접 연결되는 공기출구 커버(140)의 공기배출부(141) 외측 및 메인 바디(110)의 수소입구(111) 외측을 둘러싸도록 메인 바디(110)의 내측면에 조립되고, 이때 상기 공기배출부(141)의 상단에 구비된 가스켓홈(142) 및 수소입구(111)의 상단(구체적으로, 메인 바디의 수소입구측 상단)에 구비된 가스켓홈(111a)의 한쪽 벽을 형성하게 된다.
이에 상기 공기출구 가이드블록(160)은 상기 각 가스켓홈(111a,142)에 장착되는 기밀가스켓(미도시)의 한쪽을 지지해줄 수 있게 된다.
여기서, 상기 레이저 용착이 이루어지는 부분의 구조를 살펴보면 다음과 같다.
메인 바디(110)에 접합되는 수소출구 커버(120)와 공기입구 커버(130) 및 공기출구 커버(140) 그리고 ACV 커버(115)는 레이저 용착을 통해 메인 바디(110)에 일체화되기 때문에, 메인 바디(110)와 이 메인 바디(110)에 접합되는 부품(수소출구 커버(120)와 공기입구 커버(130) 및 공기출구 커버(140) 그리고 ACV 커버(115))에는 용착산과 용착홈이 형성되어 레이저 용착을 통해 서로 접합될 수 있게 된다.
그리고, 수소출구 커버(120)와 공기입구 커버(130) 및 공기출구 커버(140)의 경우에는 상기 공기입구 가이드블록(150) 및 공기출구 가이드블록(160)이 별물로 구성됨으로써, 각 커버(120,130,140)의 외측 가장자리부(구체적으로, 메인 바디(110)의 공기입구(113)와 공기출구(114) 및 수소출구(112)와 접합되는 부분의 외측 가장자리부)에 용착홈(또는 용착산)을 형성한 플랜지부(128,134,144)가 폐루프 형태로 끊김없이 형성될 수 있게 되고, 상기 플랜지부(128,134,144)가 적층되는 메인 바디(110)의 내측면(구체적으로, 메인 바디(110)의 공기입구(113)와 공기출구(114) 및 수소출구(112) 상단)에 용착산(또는 용착홈)이 형성된다.
예를 들어, 도 4a에 보듯이, 공기입구 커버(130)는 공기유입부(131)의 외측 가장자리부에 용착홈(135)을 형성한 플랜지부(134)가 돌출 형성되고, 상기 플랜지부(134)가 적층되는 메인 바디(110)의 공기입구(113) 상단에 용착산(113a)이 형성된다. 이때, 상기 용착홈(135)과 용착산(113a)은 레이저 용착을 할 때 공기유입부(131)와 간섭되지 않고 용이하게 레이저 용착을 할 수 있도록 공기입구 커버(130) 및 메인 바디(110)의 외측에 형성된다. 즉, 상기 용착홈(135)을 형성한 플랜지부(134)가 공기유입부(131)의 외측 가장자리부에 형성되고, 상기 용착산(113a)이 공기입구(113)의 상단 중 외측 가장자리부에 형성된다.
그리고, 도 4b에 보듯이, 공기출구 커버(140)는 공기배출부(141)의 외측 가장자리부에 용착홈(145)을 형성한 플랜지부(144)가 돌출 형성되고, 상기 플랜지부(144)가 적층되는 메인 바디(110)의 공기출구(114)의 상단 중 외측 가장자리부에 용착산(114a)이 형성된다.
도 3a에 보듯이, 수소출구 커버(120)는 메인 바디(110)의 수소출구(112) 상단에 적층되는 부위(즉, 수소유입부)의 외측 가장자리부에 용착홈(122)을 형성한 플랜지부(128)가 돌출 형성되고, 상기 플랜지부(128)가 적층되는 메인 바디(110)의 수소출구(112) 상단에 용착산(112b)이 형성된다.
이와 같은 레이저 용착을 통해, 플라스틱 재질의 매니폴드 블록(100)을 구성하는 각 부품들을 일체화할 수 있게 된다.
그리고, 상기 메인 바디(110)의 외측면에는 수소 공급을 위한 수소 인터페이스(125)가 메인 바디(110)의 수소입구(111)와 연통가능하게 장착된다.
상기 수소 인터페이스(125)는 수소공급장치(123)의 수소공급밸브로부터 공급되는 신규 수소 및 수소출구 커버(120)의 응축 챔버(121)에서 응축수를 제거하고 재순환되는 수소를 메인 바디(110)의 수소입구(111)로 공급하는 역할을 한다.
도 5에 보듯이, 상기 수소 인터페이스(125)와 수소출구 커버(120) 사이에 이젝터 디퓨저(126)가 조립되고, 상기 이젝터 디퓨저(126)의 한쪽 단부가 장착되고 지지되는 수소출구 커버(120)의 한쪽 측벽(120a)이 이젝터 디퓨저(126)의 길이방향과 수직을 이루게 형성된다.
상기 수소출구 커버(120)의 한쪽 측벽(120a)이 이젝터 디퓨저(126)의 길이방향과 수직을 이루게 됨으로써 수소출구 커버(120)와 이젝터 디퓨저(126) 및 수소 인터페이스(125) 사이에 수소 기밀성을 향상할 수 있다.
알려진 바와 같이, 이젝터 디퓨저(126)는 수소공급장치(123)의 수소공급밸브에서 공급하는 수소를 이젝터 디퓨저의 오리피스 구조를 통해 수소 인터페이스(125)측으로 압송해주는 역할을 한다.
상기 수소출구 커버(120)와 이젝터 디퓨저(126) 및 수소 인터페이스(125)는 수소가 이동하는 경로를 형성하기 때문에 이들 사이에 수소 기밀을 확보하는 것이 매우 중요하다.
그런데, 도 7을 참조하면, 알루미늄 재질로 이루어진 종래 매니폴드 블록의 수소출구 커버(4) 일체형의 메인 바디(3)는 이젝터 디퓨저(6)와의 매칭면(4a)이 경사면으로 형성될 수 밖에 없다. 이는 상기 매칭면(4a)에 이젝터 디퓨저(6)를 고정하기 위해서는 매칭면(4a)에 가스켓홈과 이젝터 디퓨저가 삽입되는 홀, 이젝터 디퓨저를 고정시키는 탭 등을 구성하는 것이 필요한데, 상기 매칭면(4a)을 이젝터 디퓨저(6)의 길이방향과 수직을 이루도록 형성하기 위해서는 소정 길이(예를 들어, 260mm) 이상을 가지는 드릴, 탭 등의 공구가 사용되어야 하며, 이렇게 길이가 긴 공구를 사용하게 되면 툴(공구) 떨림에 의해 양산성이 저하되며 정확한 가공이 어려워지기 때문이다.
따라서 종래의 알루미늄 재질의 매니폴드 블록은 상기 이젝터 디퓨저(6)가 장착되는 매칭면(4a) 즉, 수소출구 커버의 측벽을 부득이하게 경사면으로 형성하게 된다.
그러나, 상기 매칭면(4a)을 경사면으로 형성함으로 인해, 가스켓 밀림, 부품(매칭면을 갖는 메인 바디 및 이젝터 디퓨저 등)의 제작 공차 등의 이유로 수소 기밀을 유지하기 어려운 문제점이 존재하게 된다. 실제로 저온 기밀 시험 시 상기 매칭면 부위에서 수소 리크가 다수 발생함을 확인한 바 있다.
본 발명에서는 플라스틱 재질을 이용하여 매니폴드 블록(100)을 제작함에 따라 응축 챔버(121)를 갖는 수소출구 커버(120)를 메인 바디(110)와 분리 구성함으로써 도 5와 같이 이젝터 디퓨저(126)와 이젝터 디퓨저(126)가 장착되는 수소출구 커버(120)의 측벽(120a)을 수직으로 매칭할 수 있게 되어 상기 이젝터 디퓨저(126)와 수소출구 커버(120)가 형성하는 수소이동라인의 수소 기밀성을 향상할 수 있게 된다.
이상으로 본 발명의 실시예에 대해 상세히 설명하였는바, 본 발명의 권리범위는 상술한 실시예에 한정되지 않으며, 다음의 특허청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 또한 본 발명의 권리범위에 포함된다.
100 : 매니폴드 블록 110 : 메인 바디
111 : 수소입구 112 : 수소출구
112a : 가스켓홈(수소출구의 가스켓홈)
112b : 용착산 113 : 공기입구
113a : 용착산 114 : 공기출구
114a : 용착산 115 : ACV 커버(공기 인터페이스)
116 : 퍼지홀 117 : 수밀가스켓
118a : 볼트 플랜지 119a, 119b, 119c : 용착산
120 : 수소출구 커버 120a : 수소출구 커버의 측벽
121 : 응축 챔버 122 : 용착홈
123 : 수소공급장치 124 : 워터트랩
125 : 수소 인터페이스 126 : 이젝터 디퓨저
128 : (수소출구 커버의) 플랜지부
130 : 공기입구 커버 131 : 공기유입부
132 : 가스켓홈 133 : 공기유입통로
134 : 플랜지부 135 : 용착홈
140 : 공기출구 커버 141 : 공기배출부
142 : 가스켓홈 143 : 공기배출통로
144 : 플랜지부 145 : 용착홈
150 : 공기입구 가이드블록 160 : 공기출구 가이드블록
200 : 연료전지 스택

Claims (21)

  1. 연료전지 스택에 장착되고 상기 스택으로 공기와 수소를 공급 및 분배하는 매니폴드 블록으로서,
    수소입구와 수소출구, 공기입구와 공기출구가 구비된 메인 바디;
    상기 메인 바디의 외측면에 접합되고, 상기 수소출구와 연결되는 응축 챔버를 형성하는 수소출구 커버;
    상기 메인 바디의 내측면에 접합되고, 상기 공기입구와 연결되는 공기유입부를 갖는 공기입구 커버;
    상기 메인 바디의 내측면에 접합되고, 상기 공기출구와 연결되는 공기배출부를 갖는 공기출구 커버;를 포함하며,
    상기 메인 바디에는 공기입구 커버에 의해 밀폐되는 공기유입통로와 공기출구 커버에 의해 밀폐되는 공기배출통로가 형성되고, 상기 메인 바디의 외측면에 접합된 ACV 커버는 상기 공기유입통로의 입구와 공기배출통로의 출구에 연결되는 홀 구조를 가지는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 매니폴드 블록.
  2. 삭제
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 공기입구 커버와 공기출구 커버는 메인 바디의 내측면에 레이저 용착으로 접합되고, 상기 ACV 커버와 수소출구 커버는 메인 바디의 외측면에 레이저 용착으로 접합된 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 매니폴드 블록.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 메인 바디의 내측면에 접합되는 공기입구 커버와 공기출구 커버의 외측 가장자리부에는 레이저 용착을 위한 용착홈과 용착산 중 어느 하나를 가지는 플랜지부가 형성되고, 상기 메인 바디의 내측면에는 상기 레이저 용착을 위한 용착홈과 용착산 중 다른 하나가 형성된 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 매니폴드 블록.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 메인 바디의 외측면에 접합되는 수소출구 커버의 외측 가장자리부에는 레이저 용착을 위한 용착홈과 용착산 중 어느 하나를 가지는 플랜지부가 형성되고, 상기 메인 바디의 외측면에는 상기 레이저 용착을 위한 용착홈과 용착산 중 다른 하나가 형성된 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 매니폴드 블록.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 공기입구 커버에 구비된 공기유입부의 외측 및 메인 바디에 구비된 수소출구의 외측을 둘러싸서 상기 공기유입부의 상단 및 수소출구의 상단에 구비된 가스켓홈의 한쪽 벽을 형성하게 되는 공기입구 가이드블록이 상기 메인 바디의 내측면에 조립된 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 매니폴드 블록.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 공기출구 커버에 구비된 공기배출부의 외측 및 메인 바디에 구비된 수소입구의 외측을 둘러싸서 상기 공기배출부의 상단 및 수소입구의 상단에 구비된 가스켓홈의 한쪽 벽을 형성하게 되는 공기출구 가이드블록이 상기 메인 바디의 내측면에 조립된 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 매니폴드 블록.
  8. 청구항 1에 있어서,
    수소의 공급을 위한 수소 인터페이스가 상기 메인 바디의 외측면에 조립되고, 상기 수소 인터페이스는 상기 메인 바디의 수소입구와 연결되는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 매니폴드 블록.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 수소출구 커버와 수소 인터페이스 사이에 이젝터 디퓨저가 조립되고, 상기 이젝터 디퓨저의 한쪽 단부가 장착되는 수소출구 커버의 한쪽 측벽이 이젝터 디퓨저의 길이방향과 수직을 이루게 된 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 매니폴드 블록.
  10. 청구항 1에 있어서,
    상기 메인 바디와, 수소출구 커버, 공기입구 커버, 공기출구 커버, 및 ACV 커버는 플라스틱 재질로 이루어진 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 매니폴드 블록.
  11. 연료전지 스택에 장착되고 상기 스택으로 공기와 수소를 공급 및 분배하는 매니폴드 블록의 제조방법으로서,
    수소입구와 수소출구, 및 공기입구와 공기출구를 가지는 메인 바디를 성형하는 단계;
    상기 수소출구와 연결되는 응축 챔버를 형성하는 수소출구 커버를 성형하는 단계;
    상기 공기입구와 연결되는 공기유입부를 갖는 공기입구 커버를 성형하는 단계;
    상기 공기출구와 연결되는 공기배출부를 갖는 공기출구 커버를 성형하는 단계;
    상기 수소출구 커버를 메인 바디의 외측면에 접합하고, 상기 공기입구 커버와 공기출구 커버를 메인 바디의 내측면에 각각 접합하는 접합 단계;를 포함하며,
    상기 메인 바디는 상기 공기입구 커버에 의해 밀폐되는 공기유입통로와 상기 공기출구 커버에 의해 밀폐되는 공기배출통로를 가지도록 형성되며, 상기 공기유입통로의 입구와 상기 공기배출통로의 출구에 연결되는 홀 구조를 가지는 ACV 커버를 성형하여 상기 메인 바디의 외측면에 접합하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 매니폴드 블록 제조방법.
  12. 삭제
  13. 청구항 11에 있어서,
    상기 공기입구 커버와, 공기출구 커버, 수소출구 커버, 및 ACV 커버는 레이저 용착을 통해 상기 메인 커버에 접합되는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 매니폴드 블록 제조방법.
  14. 청구항 13에 있어서,
    상기 수소출구 커버의 외측 가장자리부에는 레이저 용착을 위한 용착홈과 용착산 중 어느 하나를 가지는 플랜지가 형성되고, 메인 바디의 외측면에는 상기 레이저 용착을 위한 용착홈과 용착산 중 다른 하나가 형성된 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 매니폴드 블록 제조방법.
  15. 청구항 13에 있어서,
    상기 공기입구 커버의 외측 가장자리부에는 레이저 용착을 위한 용착홈과 용착산 중 어느 하나를 가지는 플랜지가 형성되고, 메인 바디의 내측면에는 상기 레이저 용착을 위한 용착홈과 용착산 중 다른 하나가 형성된 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 매니폴드 블록 제조방법.
  16. 청구항 13에 있어서,
    상기 공기출구 커버의 외측 가장자리부에는 레이저 용착을 위한 용착홈과 용착산 중 어느 하나를 가지는 플랜지가 형성되고, 메인 바디의 내측면에는 상기 레이저 용착을 위한 용착홈과 용착산 중 다른 하나가 형성된 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 매니폴드 블록 제조방법.
  17. 청구항 11에 있어서,
    상기 접합 단계 이후에, 상기 공기유입부의 외측 및 수소출구의 외측을 둘러싸서 상기 공기유입부의 상단 및 수소출구의 상단에 구비된 가스켓홈의 한쪽 벽을 형성하는 공기입구 가이드블록을 상기 메인 바디의 내측면에 조립하는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 매니폴드 블록 제조방법.
  18. 청구항 11에 있어서,
    상기 접합 단계 이후에, 상기 공기배출부의 외측 및 수소입구의 외측을 둘러싸서 상기 공기배출부의 상단 및 수소입구의 상단에 구비된 가스켓홈의 한쪽 벽을 형성하는 공기출구 가이드블록을 상기 메인 바디의 내측면에 조립하는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 매니폴드 블록 제조방법.
  19. 청구항 11에 있어서,
    수소의 공급을 위한 수소 인터페이스를 상기 메인바디의 수소입구와 연결되도록 상기 메인 바디의 외측면에 조립하는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 매니폴드 블록 제조방법.
  20. 청구항 19에 있어서,
    수소출구 커버를 성형하는 단계에서는, 수소출구 커버와 상기 수소 인터페이스 사이에 이젝터 디퓨저를 조립할 때 상기 이젝터 디퓨저의 한쪽 단부가 장착되는 상기 수소출구 커버의 한쪽 측벽이 이젝터 디퓨저의 길이방향과 수직을 이루도록 상기 수소출구 커버를 성형하는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 매니폴드 블록 제조방법.
  21. 청구항 11에 있어서,
    상기 메인 바디와, 수소출구 커버, 공기입구 커버, 공기출구 커버, 및 ACV 커버는 플라스틱 재질로 이루어진 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 매니폴드 블록 제조방법.
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