KR20200121613A

KR20200121613A - 연료전지 부품의 접합 장치 및 방법

Info

Publication number: KR20200121613A
Application number: KR1020190044384A
Authority: KR
Inventors: 김민표
Original assignee: 현대자동차주식회사; 기아자동차주식회사
Priority date: 2019-04-16
Filing date: 2019-04-16
Publication date: 2020-10-26
Also published as: US11679566B2; US11207846B2; US20220072804A1; US20200331212A1

Abstract

연료전지 부품의 접합 장치가 개시된다. 개시된 본 발명의 예시적인 일 실시 예에 따른 연료전지 부품의 접합 장치는, MEA 모재를 상측 가스 확산층과 하측 가스 확산층 사이에 두고, 접착층을 통하여 상측 가스 확산층과 하측 가스 확산층을 MEA 모재의 상하 면에 접합하기 위한 것으로서, ⅰ)서로 접합될 MEA 모재, 상측 가스 확산층 및 하측 가스 확산층을 지지하는 하부 다이와, ⅱ)하부 다이의 상측에 설치되는 상부 다이와, ⅲ)상부 다이의 양측에 상하 방향으로 이동 가능하게 설치되고, 상측 가스 확산층을 압착하며, 접착층에 초음파 진동 에너지를 인가하는 초음파 진동원을 포함할 수 있다.

Description

연료전지 부품의 접합 장치 및 방법 {DEVICE AND METHOD FOR BONDING FUEL CELL PART}

본 발명의 실시 예는 연료전지 부품 제조 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 막-전극 어셈블리(MEA: Membrane-Electrode Assembly)의 양면에 가스 확산층(Gas Diffusion Layer: GDL)을 접합하는 연료전지 부품의 접합 장치 및 방법에 관한 것이다.

알려진 바와 같이, 연료전지(Fuel Cell)는 수소와 산소의 전기 화학적인 반응에 의하여 전기를 생산한다. 이러한 연료전지는 별도의 충전 과정 없이도 외부에서 화학 반응물을 공급받아 지속적인 발전이 가능하다는 특징이 있다.

연료전지는 막-전극 어셈블리(MEA: Membrane-Electrode Assembly)를 사이에 두고 이의 양측에 세퍼레이터(분리판 또는 바이폴라 플레이트)를 배치하여 구성될 수 있다. 이러한 연료전지는 다수 매로서 연속적으로 배열되며 연료전지 스택으로 구성될 수 있다.

연료전지의 핵심부품인 일 예에 따른 막-전극 어셈블리는 전해질막을 사이에 두고 그 전해질막의 일면에 애노드 전극층(촉매층)을 형성하며, 다른 일면에 캐소드 전극층(촉매층)을 형성하고 있다. 그리고 막-전극 접합체의 양면에는 애노드 전극층 및 캐소드 전극층으로 수소와 산소의 반응 기체를 각각 확산시키는 가스 확산층(Gas Diffusion Layer: GDL)을 구비하고 있다.

이와 같은 막-전극 접합체 및 가스 확산층을 포함하는 연료 전지 부품은 막-전극 접합체(이하에서는 편의 상 "MEA 모재" 라고 한다)의 양면에 가스 확산층을 일체로 접합하여 제조될 수 있다.

MEA 모재에 가스 확산층을 접합하는 방법으로는 예를 들어, 가장자리 측에 접착제가 도포된 가스 확산층을 MEA 모재의 양면 측에 배치한 상태에서, MEA 모재와 가스 확산층을 고온 고압으로 압착하며 접착제를 가열함으로써, MEA 모재와 가스 확산층을 일체로 접합하는 핫 프레스 방식을 채용하고 있다.

그런데, 종래 기술에서는 접착제 도포 부위에 대응하는 가스 확산층의 가장자리 부분을 고압(예를 들면, 1300kgf)으로 압착하기 때문에, 가스 확산층 외관 소재(탄화 페이퍼)의 소성 변형 또는 손상을 유발할 수 있으며, 이로 인한 가스 확산층의 접합 품질 저하를 야기할 수 있다.

또한, 종래 기술에서는 가스 확산층의 가장자리 부분에 고온(예를 들면, 95℃)의 열을 직접적으로 인가하고, 그 열을 접착제에 전달하며, MEA 모재와 가스 확산층을 접합함에 따라, MEA 모재와 가스 확산층의 접합 사이클 타임(예를 들면, 15초)이 증가할 수 있다.

그리고, 종래 기술에서는 가스 확산층의 가장자리 부분에 고온의 열을 직접적으로 인가함에 따라, MEA 모재에 가해지는 열에 의해 MEA 모재의 전해질막의 열 변형을 유발할 수 있다.

더 나아가, 종래 기술에서는 가스 확산층의 가장자리 측에 접착제를 라인으로 도포한 상태에서, MEA 모재와 가스 확산층을 고온 고압으로 접합함에 따라, 접착제의 소모량이 증가할 수 있다.

이 배경기술 부분에 기재된 사항은 발명의 배경에 대한 이해를 증진하기 위하여 작성된 것으로서, 이 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이미 알려진 종래기술이 아닌 사항을 포함할 수 있다.

본 발명의 실시 예들은 초음파 진동 융착 방식으로 MEA 모재와 가스 확산층을 접합하며, MEA 모재와 가스 확산층의 접합 품질 및 생산성을 향상시킬 수 있도록 한 연료전지 부품의 접합 장치 및 방법을 제공하고자 한다.

본 발명의 실시 예에 따른 연료전지 부품의 접합 장치는, MEA 모재를 상측 가스 확산층과 하측 가스 확산층 사이에 두고, 접착층을 통하여 상기 상측 가스 확산층과 하측 가스 확산층을 상기 MEA 모재의 상하 면에 접합하기 위한 것으로서, ⅰ)서로 접합될 상기 MEA 모재, 상측 가스 확산층 및 하측 가스 확산층을 지지하는 하부 다이와, ⅱ)상기 하부 다이의 상측에 설치되는 상부 다이와, ⅲ)상기 상부 다이의 양측에 상하 방향으로 이동 가능하게 설치되고, 상기 상측 가스 확산층을 압착하며, 상기 접착층에 초음파 진동 에너지를 인가하는 초음파 진동원을 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 연료전지 부품의 접합 장치에 있어서, 상기 초음파 진동원은 상기 MEA 모재의 서브 가스켓과 마주하는 상기 상측 가스 확산층과 하측 가스 확산층의 가장자리 부분에 스폿 형태로 도포된 복수의 상기 접착층에 초음파 진동 에너지를 인가할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 연료전지 부품의 접합 장치에 있어서, 상기 접착층은 상기 MEA 모재의 양측에서 상기 상측 가스 확산층과 하측 가스 확산층의 서로 마주하는 가장자리 부분에 각각 스폿 형태로 도포될 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 연료전지 부품의 접합 장치에 있어서, 상기 초음파 진동원은 상기 접착층에 대응하는 상기 상측 가스 확산층의 국부 영역을 압착할 수 있다.

그리고, 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지 부품의 접합 장치는, 전해질막의 양측 면에 전극층을 각각 형성하며 그 전해질막과 전극층의 가장자리 부분을 서브 가스켓을 통해 커버하고 있는 MEA 모재와, 상기 MEA 모재의 양측에서 상기 서브 가스켓과 마주하는 가장자리 부분에 접착층이 스폿 형태로 도포된 상측 가스 확산층과 하측 가스 확산층을 제공받고, 상기 접착층을 통하여 상기 MEA 모재의 상하 면에 상기 상측 가스 확산층과 하측 가스 확산층을 접합하는 것으로서, ⅰ)진공 흡입 홀들을 상면에 형성하고 있는 하부 다이와, ⅱ)상기 하부 다이의 상측에 설치되는 상부 다이와, ⅲ)진공 흡입 홀들을 하면에 형성하며, 상기 상부 다이에 상하 방향으로 이동 가능하게 설치되는 진공 흡착부재와, ⅳ)상기 진공 흡착부재를 사이에 두고 상기 상부 다이 양측 각각에 상하 방향으로 이동 가능하게 설치되며, 상기 하부 다이 상에서 상기 MEA 모재를 상기 상측 가스 확산층과 하측 가스 확산층의 사이에 두고 상기 상측 가스 확산층의 설정된 국부 영역을 압착하며 상기 접착층에 초음파 진동 에너지를 인가하는 초음파 진동원을 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 연료전지 부품의 접합 장치는, ⅴ)상기 하부 다이의 양측에 설치되며, 상기 초음파 진동원의 압착력을 완충하고, 상기 압착력과 초음파 진동 에너지에 반응하는 에어 압력으로서의 댐핑력을 상기 초음파 진동원 측으로 인가하는 에어 댐핑유닛을 더 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 연료전지 부품의 접합 장치에 있어서, 상기 진공 흡착부재는 상기 진공 흡입 홀들을 통해 상기 상측 가스 확산층을 진공 흡착할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 연료전지 부품의 접합 장치에 있어서, 상기 하부 다이는 상기 진공 흡입 홀들을 통해 상기 상측 가스 확산층 및 하측 가스 확산층을 진공 흡착할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 연료전지 부품의 접합 장치에 있어서, 상기 하부 다이는 상기 진공 흡입 홀들을 통해 상기 상측 가스 확산층 및 하측 가스 확산층을 진공 흡입하는 GDL 흡착 영역과, 상기 MEA 모재의 가장자리 측을 진공 흡입하는 MEA 흡착 영역을 구획 형성할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 연료전지 부품의 접합 장치에 있어서, 상기 진공 흡착부재는 하면에 상기 진공 흡입 홀들을 형성하며, 상기 상부 다이에 구비된 작동 실린더를 포함하는 구동원에 의해 상하 방향으로 이동 가능하게 설치될 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 연료전지 부품의 접합 장치에 있어서, 상기 상측 가스 확산층과 하측 가스 확산층은 상기 MEA 모재의 양측에서 서로 마주하는 가장자리 부분에 상기 접착층이 각각 도포된 것으로 제공될 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 연료전지 부품의 접합 장치에 있어서, 상기 초음파 진동원은 상기 상부 다이의 양측에서 작동 실린더를 포함하는 구동원을 통해 상하 방향으로 이동 가능하게 설치되는 이동부재와, 상기 이동부재에 설치되며, 전기적 신호를 기계적 진동 에너지로 변환하는 컨버터와, 상기 컨버터와 연결되며, 기계적 진동 에너지를 증폭 및 감쇄하는 부스터와, 상기 부스터와 연결되며, 상기 접착층에 대응하는 상기 상측 가스 확산층의 국부 영역을 압착하는 혼 부재를 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 연료전지 부품의 접합 장치에 있어서, 상기 혼 부재는 상기 접착층에 대응하는 상기 상측 가스 확산층의 국부 영역을 압착하는 한 쌍의 압착 단을 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 연료전지 부품의 접합 장치에 있어서, 상기 압착 단은 설정된 폭을 지니며 하측 방향으로 돌출되게 형성되고, 상기 상측 가스 확산층의 국부 영역을 압착하는 모서리 부분이 라운드 형태로 구비될 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 연료전지 부품의 접합 장치에 있어서, 상기 에어 댐핑유닛은 상기 상측 가스 확산층의 국부 영역에 대응하여 상기 하부 다이의 양측 각각에 한 쌍으로 구비될 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 연료전지 부품의 접합 장치에 있어서, 상기 에어 댐핑유닛은 상기 하부 다이에 상단이 개방된 형태로 구비되는 에어 챔버와, 상기 에어 챔버의 상단을 폐쇄하며, 상하 방향으로 유동 가능하게 설치되는 댐핑 플레이트와, 상기 에어 챔버와 연결되며, 상기 에어 챔버로 설정된 압력의 에어를 공급하는 에어 공급부를 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 연료전지 부품의 접합 장치에 있어서, 상기 에어 댐핑유닛은 상기 에어 챔버에 설치되며, 상기 댐핑 플레이트의 상하 유동 변위를 감지하고 그 감지 신호를 제어기로 출력하는 변위 센서를 더 포함할 수 있다.

그리고, 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지 부품의 접합 방법은, 전해질막의 양측 면에 전극층을 형성하며 그 전해질막과 전극층의 가장자리 부분을 서브 가스켓을 통해 커버하고 있는 MEA 모재와, 상기 MEA 모재의 양측에서 상기 서브 가스켓과 마주하는 가장자리 부분에 접착층이 스폿 형태로 도포된 상측 가스 확산층과 하측 가스 확산층을 제공하며, 상술한 바와 같은 연료전지 부품의 접합 장치를 이용하여 상기 접착층을 통해 상기 MEA 모재의 상하 면에 상기 상측 가스 확산층과 하측 가스 확산층을 접합하는 과정으로서, (a) 하부 다이의 설정된 영역에 상측 가스 확산층을 로딩하고, 상기 상측 가스 확산층을 진공 흡착하는 과정과, (b) 상부 다이의 진공 흡착부재를 하강시키며, 상기 진공 흡착부재를 통해 상기 상측 가스 확산층을 진공 흡착하고, 상기 진공 흡착부재를 상승시키는 과정과, (c) 상기 하부 다이의 설정된 영역에 하측 가스 확산층을 로딩하고, 상기 하측 가스 확산층을 진공 흡착하며, 상기 하측 가스 확산층 위에 MEA 모재를 로딩하는 과정과, (d) 상기 진공 흡착부재를 하강시키며, 상기 상측 가스 확산층을 상기 MEA 모재 위에 로딩하는 과정과, (e) 초음파 진동원을 하측 방향으로 이동시키고, 상기 상측 가스 확산층 양측의 설정된 국부 영역을 상기 초음파 진동원의 혼 부재를 통해 압착하며, 상기 혼 부재를 통하여 상기 접착층에 초음파 진동 에너지를 인가하는 과정을 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 연료전지 부품의 접합 방법은, 상기 (e) 과정에, 상기 하부 다이의 에어 댐핑유닛을 통하여 상기 혼 부재의 압착력을 완충하고, 상기 압착력과 초음파 진동 에너지에 반응하는 에어 압력으로서의 댐핑력을 댐핑 플레이트를 통해 상기 혼 부재 측으로 인가할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 연료전지 부품의 접합 방법은, 상기 (e) 과정에, 상기 에어 댐핑유닛의 에어 챔버에서 상하 방향으로 유동하는 상기 댐핑 플레이트의 변위를 감지하고 그 감지 신호를 제어기로 출력할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 연료전지 부품의 접합 방법에 있어서, 상기 (e) 과정에, 상기 제어기는 상기 변위 센서의 감지 신호에 따라 상기 에어 챔버로 공급되는 에어의 압력을 조절할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 연료전지 부품의 접합 방법에 있어서, 상기 (a) 과정에서는 상기 하부 다이의 진공 흡입 홀들에 진공 흡입 압력을 인가할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 연료전지 부품의 접합 방법에 있어서, 상기 (b) 과정에서는 상기 하부 다이의 진공 흡입 홀들에 대한 진공 흡입 압력을 차단할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 연료전지 부품의 접합 방법에 있어서, 상기 (c) 과정에서는 상기 하부 다이의 진공 흡입 홀들에 진공 흡입 압력을 인가하며, 상기 하측 가스 확산층과 MEA 모재를 진공 흡착할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 연료전지 부품의 접합 방법에 있어서, 상기 (d) 과정에서는 상기 진공 흡착부재의 진공 흡입 홀들에 진공 흡입 압력을 인가할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 연료전지 부품의 접합 방법에 있어서, 상기 (e) 과정에서는 상기 진공 흡착부재의 진공 흡입 홀들에 대한 진공 흡입 압력을 차단하고, 상기 하부 다이의 진공 흡입 홀들에 대한 진공 흡입 압력을 차단할 수 있다.

본 발명의 실시 예들은 초음파 진동 융착 방식으로 MEA 모재와 가스 확산층을 접합함에 따라, MEA 모재와 가스 확산층의 접합 시간을 단축할 수 있고, 가스 확산층의 변형 및 손상을 최소화 할 수 있다.

그 외에 본 발명의 실시 예로 인해 얻을 수 있거나 예측되는 효과에 대해서는 본 발명의 실시 예에 대한 상세한 설명에서 직접적 또는 암시적으로 개시하도록 한다. 즉 본 발명의 실시 예에 따라 예측되는 다양한 효과에 대해서는 후술될 상세한 설명 내에서 개시될 것이다.

이 도면들은 본 발명의 예시적인 실시 예를 설명하는데 참조하기 위함이므로, 본 발명의 기술적 사상을 첨부한 도면에 한정해서 해석하여서는 아니된다.
도 1 및 도 2는 본 발명의 실시 예에 적용되는 일 예로서의 연료전지 부품을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지 부품의 접합 장치를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지 부품의 접합 장치에 적용되는 하부 다이 부위를 도시한 사시도이다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지 부품의 접합 장치에 적용되는 하부 다이 부위를 도시한 평면 구성도이다.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지 부품의 접합 장치에 적용되는 상부 다이 부위를 도시한 사시도이다.
도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지 부품의 접합 장치에 적용되는 상부 다이 부위를 도시한 평면도이다.
도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지 부품의 접합 장치에 적용되는 초음파 진동원의 혼 부재 부위를 도시한 사시도이다.
도 9는 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지 부품의 접합 장치에 적용되는 초음파 진동원의 혼 부재 부위를 도시한 정면 구성도이다.
도 10은 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지 부품의 접합 장치에 적용되는 에어 댐핑유닛을 도시한 도면이다.
도 11 내지 도 20은 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지 부품의 접합 방법을 설명하기 위한 도면이다.

이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시 예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시 예에 한정되지 않는다.

본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다.

도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 본 발명이 반드시 도면에 도시된 바에 한정되지 않으며, 여러 부분 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다.

그리고, 하기의 상세한 설명에서 구성의 명칭을 제1, 제2 등으로 구분한 것은 그 구성이 동일한 관계로 이를 구분하기 위한 것으로, 하기의 설명에서 반드시 그 순서에 한정되는 것은 아니다.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

또한, 명세서에 기재된 "...유닛", "...수단", "...부", "...부재" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 하는 포괄적인 구성의 단위를 의미한다.

도 1 및 도 2는 본 발명의 실시 예에 적용되는 일 예로서의 연료전지 부품을 개략적으로 도시한 도면이고, 도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지 부품의 접합 장치를 개략적으로 도시한 도면이다.

도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지 부품의 접합장치(100)는 연료전지 스택을 구성하는 단위 연료전지들의 부품을 자동으로 연속 제조하는 시스템에 적용될 수 있다.

예를 들면, 본 발명의 실시 예에 적용되는 연료전지 부품(1)은 연료전지의 핵심 부품으로서, 막-전극 어셈블리(3)(MEA: Membrane-Electrode Assembly)(이하에서는 편의 상 " MEA 모재" 라고 한다)의 양면(도면에서의 상하 면)에 가스 확산층(5, 7)(GDL: Gas Diffusion Layer)이 접합된 부품으로 정의할 수 있다.

이하에서는 도면을 기준으로 할 때, MEA 모재(3)를 사이에 두고 그 MEA 모재(3)의 상면에 접합되는 가스 확산층(5)을 상측 가스 확산층이라 하고, MEA 모재(3)의 하면에 접합되는 가스 확산층(7)을 하측 가스 확산층이라고 한다.

상기 MEA 모재(3)는 전해질 막(4a)의 일면(도면에서의 상면)에 애노드 전극층(4b)을 형성하고, 전해질 막(4a)의 다른 일면(도면에서의 하면)에 캐소드 전극층(4c)을 형성하고 있다.

그리고, 상기 MEA 모재(3)는 각각의 전극층(4b, 4c) 및 전해질막(4a)을 보호하고, 연료전지의 조립성을 확보하기 위한 서브 가스켓(4d)을 더 포함하고 있다. 상기 서브 가스켓(4d)은 예를 들어, 폴리에스테르계 고분자(polyester polymers) 소재로 이루어질 수 있다.

이러한 서브 가스켓(4d)은 전해질막(4a)과 전극층(4b, 4c)의 가장자리 부분을 커버하는데, 그 전극층(4b, 4c)을 개방하는 상하 개방 단을 형성하고 있다. 상기 서브 가스켓(4d)은 상하 개방 단의 가장자리 부분을 통해 전극층(4b, 4c)의 가장자리 부분에 접합되고, 외측 방향으로 연장되면서 전해질막(4a)의 가장자리 부분에 접합된다.

여기서, 상기한 바와 같은 상측 가스 확산층(5)은 전기 전도성을 지니며 MEA 모재(3)의 애노드 전극층(4b)으로 수소 가스를 확산시키는 기능을 하게 된다. 그리고 상기 하측 가스 확산층(7)은 전기 전도성을 지니며 MEA 모재(3)의 캐소드 전극층(4c)으로 공기를 확산시키는 기능을 하게 된다. 예를 들어, 상기 상측 가스 확산층(5) 및 하측 가스 확산층(7)은 마이크로 다공층(MPL)의 상면에 탄화 페이터가 접합된 구조로 이루어질 수 있다.

상기 상측 가스 확산층(5) 및 하측 가스 확산층(7)은 MEA 모재(3)를 사이에 두고 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지 부품의 접합 장치(100)에 의해 MEA 모재(3)의 상면 및 하면에 각각 접합될 수 있다.

나아가, 상기 상측 가스 확산층(5) 및 하측 가스 확산층(7)은 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지 부품의 접합 장치(100)에 의해 MEA 모재(3)에서 서브 가스켓(4d)의 상하 개방 단 가장자리 부분에 접합될 수 있다. 즉, 상기 상측 가스 확산층(5) 및 하측 가스 확산층(7)은 이들과 마주하는 서브 가스켓(4d)의 상하 개방 단 가장자리 부분에 접합될 수 있다.

더 나아가, 상기 MEA 모재(3)의 양측에서 서브 가스켓(4d)과 마주하는 상측 가스 확산층(5) 및 하측 가스 확산층(7)의 가장자리 부분에는 그 가장자리 부분과 서브 가스켓(4d)을 접착 식으로 접합하기 위한 접착층(9)이 형성된다.

상기 접착층(9)은 열이 가해지면 연화 및 용융되고, 그 가해지는 열이 차단되면 경화될 수 있는 공지 기술의 접착제로 구비된다. 이러한 접착층(9)은 본 발명의 실시 예에서, MEA 모재(3)의 양측에서 상측 가스 확산층(5)과 하측 가스 확산층(7)의 서로 마주하는 가장자리 부분에 각각 스폿 형태로 도포된다.

상기에서 스폿 형태라 함은 접착층(9)이 상측 가스 확산층(5)과 하측 가스 확산층(7)에서의 서로 마주하는 가장자리 부분(도면에서의 가로 방향 가장자리 부분)에 라인 형태로 연속 도포되지 않고, 일정 구간(예를 들면, 5ㅧ20mm)으로 도포된 형태를 의미한다.

이러한 접착층(9)은 도면에서와 같이 MEA 모재(3)의 양측에서 상측 가스 확산층(5)과 하측 가스 확산층(7)의 서로 마주하는 가장자리 부분에 단일 스폿 형태로 각각 도포될 수 있다.

본 발명의 실시 예에 따른 상기 연료전지 부품의 접합 장치(100)는 MEA 모재(3)를 상측 가스 확산층(5)과 하측 가스 확산층(7) 사이에 두고, 접착층(9)을 통하여 그 상측 가스 확산층(5)과 하측 가스 확산층(7)을 MEA 모재(3)의 상하 면에 접합하기 위한 것이다.

더 나아가, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 연료전지 부품의 접합 장치(100)는 MEA 모재(3)를 사이에 두고 상측 가스 확산층(5)과 하측 가스 확산층(7)을 압착하고, 접착층(9)에 열을 인가하여 그 접착층(9)을 연화 및 용융시키며, 그 접착층(9)을 통하여 서브 가스켓(4d)의 상하 개방 단 가장자리 부분에 상측 가스 확산층(5) 및 하측 가스 확산층(7)의 가장자리 부분을 접합할 수 있다.

이와 같은 본 발명의 실시 예에 따른 상기 연료전지 부품의 접합 장치(100)는 MEA 모재(3)에 대한 상측 가스 확산층(5) 및 하측 가스 확산층(7)의 접합 시간을 단축할 수 있고, 가압에 따른 상측 가스 확산층(5)과 하측 가스 확산층(7)의 변형 및 손상을 최소화 할 수 있는 구조로 이루어진다.

이를 위해 본 발명의 실시 예에 따른 상기 연료전지 부품의 접합 장치(100)는 기본적으로, 하부 다이(10), 상부 다이(20), 진공 흡착부재(30), 초음파 진동원(50), 그리고 에어 댐핑유닛(70)을 포함하고 있다.

본 발명의 실시 예에서, 상기 하부 다이(10)는 작업장의 바닥에 설치된다. 여기서 상기 하부 다이(10)는 각종 브라켓, 지지블록, 플레이트, 하우징, 커버, 칼라, 로드 등과 같은 부속 요소들을 구비할 수 있다. 이러한 하부 다이(10)는 서로 접합될 MEA 모재(3)와, 그 MEA 모재(3)를 사이에 두고 있는 상측 가스 확산층(5)과 하측 가스 확산층(7)을 지지한다.

도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지 부품의 접합 장치에 적용되는 하부 다이 부위를 도시한 사시도이다.

도 1 내지 도 4을 참조하면, 본 발명의 실시 예에서 상기 하부 다이(10)는 진공 흡입 압력에 의해 MEA 모재(3), 상측 가스 확산층(5) 및 하측 가스 확산층(7)을 진공 흡착하기 위한 진공 흡입 홀(11)들을 상면에 형성하고 있다.

상기 진공 흡입 홀(11)들에는 도면에 도시되지 않은 진공 펌프의 구동에 의해 진공 흡입 압력이 인가될 수 있고, 그 진공 흡입 압력은 통상적인 밸브에 의해 차단될 수 있다.

상기 하부 다이(10)는 상면에 하형 면을 형성하고 있다. 상기 하형 면은 도 5에 도시된 바와 같이, 진공 흡입 홀(11)들을 통해 상측 가스 확산층(5) 및 하측 가스 확산층(7)을 진공 흡입하는 GDL 흡착 영역(13)과, MEA 모재(3)의 서브 가스켓(4d) 가장자리 측을 진공 흡입하는 MEA 흡착 영역(15)을 구획 형성하고 있다.

도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명의 실시 예에서 상기 상부 다이(20)는 하부 다이(10)의 상측에 설치된다. 여기서 상기 상부 다이(20)는 각종 브라켓, 지지블록, 플레이트, 하우징, 커버, 칼라, 로드 등과 같은 부속 요소들을 구비할 수 있다. 이러한 상부 다이(20)는 하부 다이(10)와 일정 간격을 두고 그 하부 다이(10)의 상측에 고정되게 설치된다.

도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지 부품의 접합 장치에 적용되는 상부 다이 부위를 도시한 사시도이고, 도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지 부품의 접합 장치에 적용되는 상부 다이 부위를 도시한 평면도이다.

도 3과 함께 도 6 및 도 7을 참조하면, 본 발명의 실시 예에서 상기 진공 흡착부재(30)는 하부 다이(10) 상의 GDL 흡착 영역(13: 이하 도 5 참조)에 로딩된 상측 가스 확산층(5)을 진공 흡착하기 위한 것이다.

상기 진공 흡착부재(30)는 하부 다이(10)의 GDL 흡착 영역(13)에 대응하며 상부 다이(20)의 양측 사이에 상하 방향으로 왕복 이동 가능하게 설치된다. 이러한 진공 흡착부재(30)는 흡착 플레이트(31)를 포함하고 있다.

상기 흡착 플레이트(31)는 상측 가스 확산층(5)을 진공 흡입 압력으로서 흡착하기 위한 진공 흡입 홀(33)들을 하면에 형성하고 있다. 상기 진공 흡입 홀(33)들에는 도면에 도시되지 않은 진공 펌프의 구동에 의해 진공 흡입 압력이 인가될 수 있고, 그 진공 흡입 압력은 통상적인 밸브에 의해 차단될 수 있다.

상기와 같은 진공 흡착부재(30)는 상부 다이(20)에 구비된 제1 구동원(35)에 의해 상하 방향으로 왕복 이동 가능하게 설치된다. 예를 들면, 상기 제1 구동원(35)은 공압 또는 유압에 의해 작동하는 공지 기술의 작동 실린더(37)를 포함한다. 상기 작동 실린더(37)의 작동 로드(39)는 진공 흡착부재(30)와 연결된다.

도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명의 실시 예에서 상기 초음파 진동원(50)은 하부 다이(10) 상에서 MEA 모재(3)를 상측 가스 확산층(5)과 하측 가스 확산층(7)의 사이에 두고 그 상측 가스 확산층(5)의 설정된 국부 영역을 압착하며, 위에서 언급한 바 있는 접착층(9)에 초음파 진동 에너지를 인가하기 위한 것이다.

더 나아가, 상기 초음파 진동원(50)은 각각의 접착층(9)에 대응하는 상측 가스 확산층(5)의 국부 영역들을 압착하며, 그 접착층(9)에 초음파 진동 에너지를 인가할 수 있다.

상기 초음파 진동원(50)은 상부 다이(20)의 양측에 각각 구비되는 바, 진공 흡착부재(30)를 사이에 두고 그 상부 다이(20)의 양측 각각에 상하 방향으로 이동 가능하게 설치된다. 이러한 초음파 진동원(50)은 이동부재(51), 컨버터(52), 부스터(53), 그리고 혼 부재(55)를 포함하고 있다.

상기 이동부재(51)는 상부 다이(20)의 양측에 각각 구비된 제2 구동원(56)을 통해 상하 방향으로 왕복 이동 가능하게 구비된다. 예를 들면, 상기 제2 구동원(56)은 공압 또는 유압에 의해 작동하는 공지 기술의 작동 실린더(57)를 포함한다. 상기 작동 실린더(57)의 작동 로드(59)는 이동부재(51)와 연결된다.

상기 컨버터(52)(당 업계에서는 통상 "진동자" 라고도 한다)는 전기적 신호를 기계적 진동 에너지로 변환하는 것으로서, 이동부재(51)에 설치된다. 그리고 상기 부스터(53)는 기계적 진동 에너지를 증폭 및 감쇄하는 것으로서, 컨버터(52)와 연결되게 설치된다.

이러한 컨버터(52) 및 부스터(53)의 구성은 당 업계에 널리 알려진 공지 기술의 초음파 가진 장치에 채용되는 구성이므로, 본 명세서에서 그 구성의 더욱 자세한 설명은 생략하기로 한다.

그리고, 상기 혼 부재(55)는 하부 다이(10) 상에 로딩된 MEA 소재(3), 상측 가스 확산층(5) 및 하측 가스 확산층(7)에서, 접착층(9)에 대응하는 상측 가스 확산층(5)의 국부 영역을 실질적으로 압착한다. 또한, 상기 혼 부재(55)는 기계적 진동 에너지를 상측 가스 확산층(5)의 국부 영역을 통하여 각각의 접착층(9)에 인가할 수 있다.

상기 혼 부재(55)는 부스터(53)와 연결되게 설치되는 바, 도 8 및 도 9에 도시된 바와 같이, 접착층(9)에 대응하는 상측 가스 확산층(5)의 국부 영역을 압착하는 한 쌍의 압착 단(61)을 포함하고 있다.

상기 압착 단(61)은 MEA 모재(3)의 양측에서 상측 가스 확산층(5) 및 하측 가스 확산층(7)의 서로 마주하는 가장자리 부분 측에 대응하여 각각의 혼 부재(55)에 한 쌍으로 구비된다.

상기 압착 단(61)은 설정된 폭을 지니며 상측 가스 확산층(5)의 가장자리 방향을 따라서 하측 방향으로 돌출되게 형성된다. 여기서, 상기 압착 단(61)에서 상측 가스 확산층(5)의 국부 영역을 압착하는 모서리 부분은 라운드 형태로 구비된다.

이와 같이 상기 압착 단(61)의 모서리 부분을 라운드 형태로 형성한 이유는 상측 가스 확산층(5)의 국부 영역에 대한 소재 표면의 손상을 최소화 하기 위함이다.

한편, 상기 혼 부재(55)의 압착 단(61)은 상측 가스 확산층(5)의 국부 영역을 압착하며 그 국부 영역을 통해 접착층(9)에 초음파 진동 에너지를 인가한다. 그러면, 상기 접착층(9)은 초음파 진동 에너지에 의해 열이 인가되면서 연화 및 용융됨으로써, 서브 가스켓(4d)의 상하 개방 단 가장자리 부분에 상측 가스 확산층(5) 및 하측 가스 확산층(7)의 가장자리 부분을 접합할 수 있다.

도 1 내지 도 4을 참조하면, 본 발명의 실시 예에서 상기 에어 댐핑유닛(70)은 초음파 진동원(50)의 압착력을 완충하고, 그 압착력과 초음파 진동 에너지에 반응하는 에어 압력으로서의 댐핑력을 초음파 진동원(50) 측으로 인가하기 위한 것이다.

상기 에어 댐핑유닛(70)은 초음파 진동원(50)의 혼 부재(55)에 대응하여 하부 다이(10)의 상면 양측에 설치된다. 더 나아가, 상기 에어 댐핑유닛(70)은 상측 가스 확산층(5)의 국부 영역에 대응하여 하부 다이(10)의 양측 각각에 한 쌍으로 구비된다.

이러한 에어 댐핑유닛(70)은 도 10에 도시된 바와 같이, 에어 챔버(71), 댐핑 플레이트(73), 에어 공급부(75), 그리고 변위 센서(77)를 포함하고 있다.

상기 에어 챔버(71)는 하부 다이(10)의 상면 측에 상단이 개방된 형태로 구비된다. 상기 댐핑 플레이트(73)는 에어 챔버(71)의 상단을 폐쇄하며, 상하 방향으로 유동 가능하게 설치된다. 상기 에어 공급부(75)는 에어 챔버(71)와 연결되며, 그 에어 챔버(71) 내로 설정된 압력의 에어를 공급할 수 있다.

여기서, 상기 댐핑 플레이트(73)는 에어 챔버(71)의 개방 단 측에서 외측으로 이탈되지 않고, 에어 챔버(71)를 밀폐하며 상하 방향으로 유동 가능하게 구비될 수 있다. 상기 에어 공급부(75)는 공지 기술의 공기 압축기 또는 공기 블로워를 포함할 수 있다.

그리고, 상기 변위 센서(77)는 에어 챔버(71)의 내측에 설치된다. 상기 변위 센서(77)는 댐핑 플레이트(73)의 상하 유동 변위를 감지하고 그 감지 신호를 제어기(90)로 출력한다.

이러한 변위 센서(77)는 당 업계에 널리 알려진 공지 기술의 리니어 엔코더를 포함할 수 있다. 상기 리니어 엔코더는 반사형 광전 식으로 변위량을 검출하는 것으로서, 글래스 스케일의 격자 눈금, 발광소자, 및 수광 디바이스를 이용하여 광량 변화를 검출하고 그 광량 변화를 전기 신호로 변환하여 변위량을 출력할 수 있다. 대안으로서, 상기한 변위 센서(77)는 전자 유도 식으로 변위량을 검출하는 공지 기술의 전자 유도식 엔코더를 포함할 수도 있다.

한편, 상기 제어기(90)는 본 장치(100)의 전반적인 운용을 제어하는 컨트롤러로서, 설정된 프로그램에 의하여 동작하는 하나 이상의 제어 프로세서로 구현될 수 있으며, 본 발명의 예시적인 실시 예에 따른 내용을 수행하기 위한 일련의 명령을 포함할 수 있다.

여기서, 상기 제어기(90)는 변위 센서(77)의 감지 신호에 따라 에어 공급부(75)에 전기적 제어 신호를 인가하며, 에어 챔버(71)로 공급되는 에어의 압력을 조절할 수 있다.

이하, 상기와 같이 구성되는 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지 부품 접합 장치(100)의 작동 및 그 접합 장치(100)를 이용한 연료전지 부품의 접합 방법을 앞서 개시한 도면들 및 첨부한 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

도 11 내지 도 20은 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지 부품의 접합 방법을 설명하기 위한 도면이다.

도 11을 참조하면, 우선 하부 다이(10)에서 에어 댐핑유닛(70)의 댐핑 플레이트(73)는 에어 공급부(75)를 통하여 에어 챔버(71)에 설정된 압력으로 공급되는 공기 압력에 의해 하부 다이(10)의 상면과 동일 평면을 이루고 있다.

그리고, 상부 다이(20)에서의 진공 흡착부재(30)는 제1 구동원(35)의 후진 작동에 의해 상승된 상태에 있으며, 진공 흡착부재(30)의 진공 흡입 홀(33)들에 대해서는 진공 흡입 압력이 차단된 상태에 있다.

더 나아가, 상기 상부 다이(20)에서 초음파 진동원(50)의 혼 부재(55)는 제2 구동원(56)의 후진 작동으로 이동부재(51)를 통하여 컨버터(52) 및 부스터(53)와 함께 상승된 상태에 있다.

이와 같은 상태에서, 본 발명의 실시 예에서는 상기 하부 다이(10) 상면의 설정된 영역에 상측 가스 확산층(5)을 로딩하는데, 그 상측 가스 확산층(5)은 양측에서의 서로 마주하는 가장자리 부분에 단일 스폿 형태의 접착층(9)이 각각 도포되어 있다.

여기서, 상기 상측 가스 확산층(5)의 로딩은 로봇 그리퍼(도면에 도시되지 않음)에 의해 이루어질 수 있다. 본 발명의 실시 예에서는 상기 상측 가스 확산층(5)을 하부 다이(10) 상면의 GDL 흡착 영역(13)에 로딩한다.

이어서, 본 발명의 실시 예에서는 상기 하부 다이(10)의 진공 흡입 홀(11)들에 진공 펌프(도면에 도시되지 않음)를 통하여 진공 흡입 압력을 인가한다. 그러면, 상기 상측 가스 확산층(5)은 하부 다이(10)의 진공 흡입 홀(11)들에 작용하는 진공 흡입 압력에 의해 GDL 흡착 영역(13)에서 진공 흡착되며 정 위치를 유지하게 된다.

다음으로, 본 발명의 실시 예에서는 도 12에 도시된 바와 같이, 제1 구동원(35)의 전진 작동으로 진공 흡착부재(30)를 하강시키며, 그 진공 흡착부재(30)를 통해 하부 다이(10) 상의 상측 가스 확산층(5)을 규제한다.

그리고 나서, 본 발명의 실시 예에서는 하부 다이(10)의 진공 흡입 홀(11)들에 작용하는 진공 흡입 압력을 차단함과 동시에, 진공 흡착부재(30)의 진공 흡착 홀(33)들에 진공 흡입 압력을 인가하며 그 진공 흡입 홀(33)들에 작용하는 진공 흡입 압력에 의해 상측 가스 확산층(5)을 진공 흡착부재(30)에 진공 흡착한다.

이 후, 본 발명의 실시 예에서는 도 13에 도시된 바와 같이, 제1 구동원(35)의 후진 작동으로 진공 흡착부재(30)를 상승시킨다. 그러면, 상기 상측 가스 확산층(5)은 진공 흡착부재(30)에 진공 흡착된 채 상측 방향으로 이동하게 된다.

다음으로, 본 발명의 실시 예에서는 도 14에 도시된 바와 같이, 하부 다이(10) 상면의 설정된 영역에 하측 가스 확산층(7)을 로딩하는데, 그 하측 가스 확산층(7)은 양측에서의 서로 마주하는 가장자리 부분에 단일 스폿 형태의 접착층(9)이 각각 도포되어 있다.

여기서, 상기 하측 가스 확산층(7)의 로딩은 로봇 그리퍼(도면에 도시되지 않음)에 의해 이루어질 수 있다. 본 발명의 실시 예에서는 상기 하측 가스 확산층(7)을 하부 다이(10) 상면의 GDL 흡착 영역(13)에 로딩한다.

이어서, 본 발명의 실시 예에서는 상기 하부 다이(10)의 진공 흡입 홀(11)들에 진공 펌프(도면에 도시되지 않음)를 통하여 진공 흡입 압력을 인가한다. 그러면, 상기 하측 가스 확산층(7)은 하부 다이(10)의 진공 흡입 홀(11)들에 작용하는 진공 흡입 압력에 의해 GDL 흡착 영역(13)에서 진공 흡착되며 정 위치를 유지하게 된다.

그리고 나서, 본 발명의 실시 예에서는 도 15에 도시된 바와 같이, 상기 진공 흡착부재(30)가 상측 가스 확산층(5)을 진공 흡착하며 상측으로 이동되어 있는 상태에서, 하부 다이(10) 상의 하측 가스 확산층(7) 위로 MEA 모재(3)를 로딩한다. 이 때, 상기 MEA 모재(3)의 로딩은 도면에 도시되지 않은 로봇 그리퍼에 의해 이루어질 수 있다.

이 과정에서는 상기 하부 다이(10)의 진공 흡입 홀(11)들에 진공 흡입 압력이 작용하고 있기 때문에, 그 진공 흡입 압력에 의해 하측 가스 확산층(7)을 GDL 흡착 영역(13)에서 진공 흡착함과 아울러, MEA 흡착 영역(15)에서 MEA 모재(3)의 서브 가스켓(4d) 가장자리 측을 진공 흡착한다. 이에 상기 MEA 모재(3)는 하측 가스 확산층(7) 위에서 정 위치를 유지하게 된다.

다음으로, 본 발명의 실시 예에서는 도 16에 도시된 바와 같이, 제1 구동원(35)의 전진 작동으로 진공 흡착부재(30)를 하강시키며, 그 진공 흡착부재(30)에 진공 흡착되어 있는 상측 가스 확산층(5)을 MEA 모재(3) 상에 로딩한다.

여기서, 상기 상측 가스 확산층(5)의 로딩은 진공 흡착부재(30)를 통해 MEA 모재(3)를 가압하며 상측 가스 확산층(5)을 MEA 모재(3) 위에 올려놓는 것을 의미한다.

이 경우, 상기 MEA 모재(3)는 상측 가스 확산층(5) 및 하측 가스 확산층(7) 사이에 위치하며, 그 상측 가스 확산층(5) 및 하측 가스 확산층(7)의 접착층(9)은 MEA 소재(3)의 서브 가스켓(4d) 상하 개방 단 가장자리 부분에 위치하고 있다.

이어서, 본 발명의 실시 예에서는 도 17에 도시된 바와 같이, 상기 진공 흡착부재(30)의 진공 흡입 홀(33)들에 대한 진공 흡입 압력을 차단한 상태에서, 제2 구동원(56)의 전진 작동으로 초음파 진동원(50)의 이동부재(51)를 하강시키며, 그 이동부재(51)를 통해 혼 부재(55)를 컨버터(52) 및 부스터(53)와 함께 하측 방향으로 이동시킨다.

그러면, 상기 혼 부재(55)는 접착층(9)에 대응하는 상측 가스 확산층(5)의 국부 영역을 압착 단(61)을 통해 설정된 가압력(예를 들면, 250~450N)으로 압착한다. 이때, 상기 상측 가스 확산층(5)의 국부 영역은 위에서 언급한 바 있는 에어 댐핑유닛(70)의 댐핑 플레이트(73) 측에 위치하고 있다.

상기한 과정에 댐핑 플레이트(73)는 도 18에 도시된 바와 같이, 혼 부재(55)의 가압력에 의해 에어 챔버(71) 내부의 설정된 공기 압력(혼 부재의 가압력 보다 작은 공기 압력)을 극복하며 하측 방향으로 유동되면서 혼 부재(55)의 압착력을 완충하게 된다.

이때, 변위 센서(77)는 댐핑 플레이트(73)의 유동 변위를 감지하고 그 감지 신호를 제어기(90)로 출력한다. 그러면, 상기 제어기(90)는 변위 센서(77)에 의해 감지된 댐핑 플레이트(73)의 유동 변위가 설정된 기준 값을 만족하는 시점에, 에어 공급부(75)에 전기적인 신호를 인가하며, 혼 부재(55)의 가압력에 상응하는 공기의 압력을 에어 공급부(75)를 통해 에어 챔버(71)의 내부로 공급한다.

상기에서 설정된 기준 값이라 함은 상측 가스 확산층(5) 및 하측 가스 확산층(7) 국부 영역의 압착 전 두께에서 그 국부 영역의 압착 후 두께를 뺀 값에 상응하는 댐핑 플레이트(73)의 변위 값을 의미한다.

이에, 본 발명의 실시 예에서는 상측 가스 확산층(5) 및 하측 가스 확산층(7) 국부 영역의 압착 전 두께가 예를 들어 600㎛인 경우, 그 국부 영역은 압착 단(61)의 압착력 및 댐핑 플레이트(73)의 댐핑력에 의해 대략 500~540㎛의 두께로 압착될 수 있다.

이 경우, 본 발명의 실시 예에서는 상기 압착 단(61)의 모서리 부분을 라운드 형태로 형성하고 있기 때문에, 상측 가스 확산층(5)의 국부 영역에 대한 소재 표면의 손상을 최소화 할 수 있다.

이와 같은 상태에서, 본 발명의 실시 예에서는 하부 다이(10)의 진공 흡입 홀(11)들에 대한 진공 흡입 압력을 차단하고, 초음파 진동원(50)의 컨버터(52)에 전기적 신호를 인가한다.

그러면, 본 발명의 실시 예에서는 상기 컨버터(52)를 통하여 전기적 신호를 기계적 진동 에너지로 변환하고, 그 기계적 진동 에너지를 부스터(53)를 통해 증폭 및 감쇄시키며, 설정된 진폭(예를 들면, 20KHz/20~30㎛)의 초음파 진동 에너지를 혼 부재(55)의 압착 단(61)에 인가한다.

이러한 초음파 진동 에너지는 도 19에 도시된 바와 같이, 압착 단(61)을 통해 댐핑 플레이트(73)까지 전달되는데, 상기한 과정에 본 발명의 실시 예에서는 초음파 진동 에너지에 의해 상하 유동하는 댐핑 플레이트(73)의 유동 변위를 변위 센서(77)를 통해 감지하고 그 감지 신호를 제어기(90)로 출력한다.

이에, 상기 제어기(90)는 댐핑 플레이트(73)의 유동 변위에 따라 에어 공급부(75)에 전기적인 신호를 인가하고, 그 에어 공급부(75)를 통해 에어 챔버(71)에 작용하는 공기의 압력을 조절하며, 댐핑 플레이트(73)에 에어 압력으로서의 댐핑력을 제공한다.

따라서, 본 발명의 실시 예에서는 상기 압착 단(61)의 압착력 및 댐핑 플레이트(73)의 댐핑력을 통해 초음파 진동 에너지를 상측 가스 확산층(5)의 국부 영역, 상측 가스 확산층(5)의 접착층(9), MEA 모재(3), 하측 가스 확산층(7)의 접착층(9), 그리고 하측 가스 확산층(7)의 국부 영역까지 전달할 수 있게 된다.

이로써, 본 발명의 실시 예에서는 초음파 진동 에너지를 접착층(9)에 인가함에 따라, 초음파 진동 에너지에 의한 내부 가열로 접착층(9)을 연화 및 용융시키며, 그 접착층(9)을 통해 상측 가스 확산층(5) 및 하측 가스 확산층(7)의 가장자리 부분을 서브 가스켓(4d)의 상하 개방 단 가장자리 부분에 접합할 수 있다.

마지막으로, 본 발명의 실시 예에서는 도 20에 도시된 바와 같이, 제1 구동원(35)의 후진 작동으로 진공 흡착부재(30)를 상승시키고, 제2 구동원(56)의 후진 작동으로 초음파 진동원(50)의 혼 부재(55)를 상승시키게 되면, MEA 모재(3)의 상하 면에 상측 가스 확산층(5) 및 하측 가스 확산층(7)이 접합된 연료전지 부품(1)을 제조할 수 있다.

지금까지 설명한 바와 같은 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지 부품의 접합 장치(100) 및 이를 이용한 접합 방법에 의하면, 종래 기술의 핫 프레스 방식과 달리, 초음파 진동 에너지로서 접착층(9)에 열을 가하여 그 접착층(9)을 연화 및 용융시킴으로써, MEA 모재(3)의 상하 면에 가스 확산층(5, 7)을 융착 식으로 접합할 수 있다.

따라서, 본 발명의 실시 예에서는 핫 프레스 방식에 비해 상대적으로 낮은 가압력(예를 들면, 60kgf)으로 가스 확산층(5, 7)의 국부 영역을 압착하며 초음파 진동 에너지를 접착층(9)에 인가하기 때문에, 가스 확산층(5, 7) 외관 소재(탄화 페이터)의 소성 변형 및 손상을 최소화 하며, 가스 확산층(5, 7)의 접합 품질(내구성 등)을 향상시킬 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에서는 에어 댐핑유닛(70)을 통해 초음파 진동원(50)의 압착력 및 초음파 진동 에너지를 완충할 수 있으므로, 취성이 강한 상측 가스 확산층(5) 및 하측 가스 확산층(7)의 국부 영역이 파손되는 것을 방지할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에서는 초음파 진동원(50)을 통해 가스 확산층(5, 7)의 국부 영역을 압착하며 초음파 진동 에너지를 접착층(9)에 인가하기 때문에, 핫 프레스 방식에 비해 MEA 모재(3)와 가스 확산층(5, 7)의 접합 사이클 타임을 단축(예를 들면, 5초)하는 등 연료전지 부품(1)의 생산성을 더욱 향상시킬 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에서는 가스 확산층과 MEA 모재를 통하여 접착층에 열을 직접 가하는 종래 기술의 핫 프레스 방식과 달리, 초음파 진동 에너지를 통해 접착층(9)에 국부적으로 열을 가하는 방식을 채용함에 따라, MEA 모재(3)의 전해질막이 열 변형되는 것을 방지할 수 있다.

더 나아가, 본 발명의 실시 예에서는 접착층(9)을 가스 확산층(5, 7)에 스폿 형태로 도포한 상태에서 MEA 소재(3)와 가스 확산층(5, 7)을 초음파 진동 에너지로서 융착하는 방식을 채용함에 따라, 접착제의 소모량 및 접착제 비용을 절감할 수 있다.

이상에서 본 발명의 실시 예들에 대하여 설명하였으나, 본 발명의 기술적 사상은 본 명세서에서 제시되는 실시 예에 제한되지 아니하며, 본 발명의 기술적 사상을 이해하는 당업자는 동일한 기술적 사상의 범위 내에서, 구성요소의 부가, 변경, 삭제, 추가 등에 의해서 다른 실시 예를 용이하게 제안할 수 있을 것이나, 이 또한 본 발명의 권리 범위 내에 든다고 할 것이다.

1... 연료전지 부품 3... MEA 모재
4a: 전해질 막 4b: 애노드 전극층
4c: 캐소드 전극층 4d: 서브 가스켓
5: 상측 가스 확산층 7: 하측 가스 확산층
9: 접착층 10: 하부 다이
11, 33: 진공 흡입 홀 13: GDL 흡착 영역
15: MEA 흡착 영역 20: 상부 다이
30: 진공 흡착부재 31: 흡착 플레이트
35: 제1 구동원 37, 57: 작동 실린더
39, 59: 작동 로드 50: 초음파 진동원
51: 이동부재 52: 컨버터
53: 부스터 55: 혼 부재
56: 제2 구동원 61: 압착 단
70: 에어 댐핑유닛 71: 에어 챔버
73: 댐핑 플레이트 75: 에어 공급부
77: 변위 센서 90: 제어기
100: 접합 장치

Claims

MEA 모재를 상측 가스 확산층과 하측 가스 확산층 사이에 두고, 접착층을 통하여 상기 상측 가스 확산층과 하측 가스 확산층을 상기 MEA 모재의 상하 면에 접합하기 위한 연료전지 부품의 접합 장치로서,
서로 접합될 상기 MEA 모재, 상측 가스 확산층 및 하측 가스 확산층을 지지하는 하부 다이;
상기 하부 다이의 상측에 설치되는 상부 다이; 및
상기 상부 다이의 양측에 상하 방향으로 이동 가능하게 설치되고, 상기 상측 가스 확산층을 압착하며, 상기 접착층에 초음파 진동 에너지를 인가하는 초음파 진동원;
을 포함하는 연료전지 부품의 접합 장치.
제1 항에 있어서,
상기 초음파 진동원은,
상기 MEA 모재의 서브 가스켓과 마주하는 상기 상측 가스 확산층과 하측 가스 확산층의 가장자리 부분에 스폿 형태로 도포된 복수의 상기 접착층에 초음파 진동 에너지를 인가하는 연료전지 부품의 접합 장치.
제2 항에 있어서,
상기 접착층은 상기 MEA 모재의 양측에서 상기 상측 가스 확산층과 하측 가스 확산층의 서로 마주하는 가장자리 부분에 각각 스폿 형태로 도포되며,
상기 초음파 진동원은 상기 접착층에 대응하는 상기 상측 가스 확산층의 국부 영역을 압착하는 연료전지 부품의 접합 장치.
전해질막의 양측 면에 전극층을 각각 형성하며 그 전해질막과 전극층의 가장자리 부분을 서브 가스켓을 통해 커버하고 있는 MEA 모재와, 상기 MEA 모재의 양측에서 상기 서브 가스켓과 마주하는 가장자리 부분에 접착층이 스폿 형태로 도포된 상측 가스 확산층과 하측 가스 확산층을 제공받고, 상기 접착층을 통하여 상기 MEA 모재의 상하 면에 상기 상측 가스 확산층과 하측 가스 확산층을 접합하는 연료전지 부품의 접합 장치로서,
진공 흡입 홀들을 상면에 형성하고 있는 하부 다이;
상기 하부 다이의 상측에 설치되는 상부 다이;
진공 흡입 홀들을 하면에 형성하며, 상기 상부 다이에 상하 방향으로 이동 가능하게 설치되는 진공 흡착부재; 및
상기 진공 흡착부재를 사이에 두고 상기 상부 다이 양측 각각에 상하 방향으로 이동 가능하게 설치되며, 상기 하부 다이 상에서 상기 MEA 모재를 상기 상측 가스 확산층과 하측 가스 확산층의 사이에 두고 상기 상측 가스 확산층의 설정된 국부 영역을 압착하며 상기 접착층에 초음파 진동 에너지를 인가하는 초음파 진동원;
을 포함하는 연료전지 부품의 접합 장치.
제4 항에 있어서,
상기 하부 다이의 양측에 설치되며, 상기 초음파 진동원의 압착력을 완충하고, 상기 압착력과 초음파 진동 에너지에 반응하는 에어 압력으로서의 댐핑력을 상기 초음파 진동원 측으로 인가하는 에어 댐핑유닛;
을 더 포함하는 연료전지 부품의 접합 장치.
제4 항에 있어서,
상기 진공 흡착부재는 상기 진공 흡입 홀들을 통해 상기 상측 가스 확산층을 진공 흡착하며,
상기 하부 다이는 상기 진공 흡입 홀들을 통해 상기 상측 가스 확산층 및 하측 가스 확산층을 진공 흡착하는 것을 특징으로 하는 연료전지 부품의 접합 장치.
제4 항에 있어서,
상기 하부 다이는,
상기 진공 흡입 홀들을 통해 상기 상측 가스 확산층 및 하측 가스 확산층을 진공 흡입하는 GDL 흡착 영역과, 상기 MEA 모재의 가장자리 측을 진공 흡입하는 MEA 흡착 영역을 구획 형성하는 연료전지 부품의 접합 장치.
제4 항에 있어서,
상기 진공 흡착부재는,
하면에 상기 진공 흡입 홀들을 형성하며, 상기 상부 다이에 구비된 작동 실린더를 포함하는 구동원에 의해 상하 방향으로 이동 가능하게 설치되는 연료전지 부품의 접합 장치.
제4 항에 있어서,
상기 상측 가스 확산층과 하측 가스 확산층은 상기 MEA 모재의 양측에서 서로 마주하는 가장자리 부분에 상기 접착층이 각각 도포된 것으로 제공되며,
상기 초음파 진동원은 상기 접착층에 대응하는 상기 상측 가스 확산층의 국부 영역을 압착하는 연료전지 부품의 접합 장치.
제4 항에 있어서,
상기 초음파 진동원은,
상기 상부 다이의 양측에서 작동 실린더를 포함하는 구동원을 통해 상하 방향으로 이동 가능하게 설치되는 이동부재와,
상기 이동부재에 설치되며, 전기적 신호를 기계적 진동 에너지로 변환하는 컨버터와,
상기 컨버터와 연결되며, 기계적 진동 에너지를 증폭 및 감쇄하는 부스터와,
상기 부스터와 연결되며, 상기 접착층에 대응하는 상기 상측 가스 확산층의 국부 영역을 압착하는 혼 부재
를 포함하는 연료전지 부품의 접합 장치.
제10 항에 있어서,
상기 상측 가스 확산층과 하측 가스 확산층은 상기 MEA 모재의 양측에서 서로 마주하는 가장자리 부분에 상기 접착층이 각각 도포된 것으로 제공되되,
상기 혼 부재는 상기 접착층에 대응하는 상기 상측 가스 확산층의 국부 영역을 압착하는 한 쌍의 압착 단을 포함하는 연료전지 부품의 접합 장치.
제11 항에 있어서,
상기 압착 단은,
설정된 폭을 지니며 하측 방향으로 돌출되게 형성되고, 상기 상측 가스 확산층의 국부 영역을 압착하는 모서리 부분이 라운드 형태로 구비되는 연료전지 부품의 접합 장치.
제5 항에 있어서,
상기 에어 댐핑유닛은,
상기 상측 가스 확산층의 국부 영역에 대응하여 상기 하부 다이의 양측 각각에 한 쌍으로 구비되는 연료전지 부품의 접합 장치.
제5 항에 있어서,
상기 에어 댐핑유닛은,
상기 하부 다이에 상단이 개방된 형태로 구비되는 에어 챔버와,
상기 에어 챔버의 상단을 폐쇄하며, 상하 방향으로 유동 가능하게 설치되는 댐핑 플레이트와,
상기 에어 챔버와 연결되며, 상기 에어 챔버로 설정된 압력의 에어를 공급하는 에어 공급부
를 포함하는 연료전지 부품의 접합 장치.
제14 항에 있어서,
상기 에어 댐핑유닛은,
상기 에어 챔버에 설치되며, 상기 댐핑 플레이트의 상하 유동 변위를 감지하고 그 감지 신호를 제어기로 출력하는 변위 센서
를 더 포함하는 연료전지 부품의 접합 장치.
전해질막의 양측 면에 전극층을 형성하며 그 전해질막과 전극층의 가장자리 부분을 서브 가스켓을 통해 커버하고 있는 MEA 모재와, 상기 MEA 모재의 양측에서 상기 서브 가스켓과 마주하는 가장자리 부분에 접착층이 스폿 형태로 도포된 상측 가스 확산층과 하측 가스 확산층을 제공하며,
청구항 4의 접합 장치를 이용하여 상기 접착층을 통해 상기 MEA 모재의 상하 면에 상기 상측 가스 확산층과 하측 가스 확산층을 접합하는 연료전지 부품의 접합 방법으로서,
(a) 하부 다이의 설정된 영역에 상측 가스 확산층을 로딩하고, 상기 상측 가스 확산층을 진공 흡착하는 과정;
(b) 상부 다이의 진공 흡착부재를 하강시키며, 상기 진공 흡착부재를 통해 상기 상측 가스 확산층을 진공 흡착하고, 상기 진공 흡착부재를 상승시키는 과정;
(c) 상기 하부 다이의 설정된 영역에 하측 가스 확산층을 로딩하고, 상기 하측 가스 확산층을 진공 흡착하며, 상기 하측 가스 확산층 위에 MEA 모재를 로딩하는 과정;
(d) 상기 진공 흡착부재를 하강시키며, 상기 상측 가스 확산층을 상기 MEA 모재 위에 로딩하는 과정;
(e) 초음파 진동원을 하측 방향으로 이동시키고, 상기 상측 가스 확산층 양측의 설정된 국부 영역을 상기 초음파 진동원의 혼 부재를 통해 압착하며, 상기 혼 부재를 통하여 상기 접착층에 초음파 진동 에너지를 인가하는 과정;
을 포함하는 연료전지 부품의 접합 방법.
제16 항에 있어서,
상기 (e) 과정에,
상기 하부 다이의 에어 댐핑유닛을 통하여 상기 혼 부재의 압착력을 완충하고, 상기 압착력과 초음파 진동 에너지에 반응하는 에어 압력으로서의 댐핑력을 댐핑 플레이트를 통해 상기 혼 부재 측으로 인가하며,
상기 에어 댐핑유닛의 에어 챔버에서 상하 방향으로 유동하는 상기 댐핑 플레이트의 변위를 감지하고 그 감지 신호를 제어기로 출력하는 연료전지 부품의 접합 방법.
제17 항에 있어서,
상기 (e) 과정에,
상기 제어기는 상기 변위 센서의 감지 신호에 따라 상기 에어 챔버로 공급되는 에어의 압력을 조절하는 연료전지 부품의 접합 방법.
제16 항에 있어서,
상기 (a) 과정에서는 상기 하부 다이의 진공 흡입 홀들에 진공 흡입 압력을 인가하며,
상기 (b) 과정에서는 상기 하부 다이의 진공 흡입 홀들에 대한 진공 흡입 압력을 차단하고,
상기 (c) 과정에서는 상기 하부 다이의 진공 흡입 홀들에 진공 흡입 압력을 인가하며, 상기 하측 가스 확산층과 MEA 모재를 진공 흡착하는 연료전지 부품의 접합 방법.
제16 항에 있어서,
상기 (d) 과정에서는 상기 진공 흡착부재의 진공 흡입 홀들에 진공 흡입 압력을 인가하며,
상기 (e) 과정에서는 상기 진공 흡착부재의 진공 흡입 홀들에 대한 진공 흡입 압력을 차단하고, 상기 하부 다이의 진공 흡입 홀들에 대한 진공 흡입 압력을 차단하는 연료전지 부품의 접합 방법.