KR20220033219A - 연료 전지용 스택 프레임 - Google Patents

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KR20220033219A
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정찬호
최현진
김권택
오애리
김도형
서하정
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(주)엘엑스하우시스
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Abstract

본 발명의 스택 프레임은 인서트 사출 성형 방법으로 제조되는 것으로, 플레이트, 플레이트와 일체화되는 인서트 하드웨어, 보강 부재를 포함한다.
본 발명에서는 플레이트에 경사를 형성하여 연료 전지로부터 배출된 물이 스택 프레임의 상면에 고이지 않고 하방으로 배출될 수 있도록 한다. 물의 배출을 용이하게 하기 위하여, 플레이트 상에 배수로 및 배수홀이 형성될 수 있다.

Description

연료 전지용 스택 프레임 {Stack frame for fuel cell}
본 발명은 연료 전지용 스택 프레임에 관한 것이다.
화석 연료 중심의 기존 에너지 시스템을 벗어나 다양한 친환경 에너지가 대두되고 있다. 특히 화석 연료를 이용하는 자동차는 미세 먼지를 비롯한 각종 유해 물질을 배출하여 환경 오염의 주범이 되고 있는바, 친환경 자동차 기술이 급속도로 발전하고 있는 상황이다.
수소차는 수소와 공기 중의 산소를 반응시켜 얻은 전기를 이용해 모터를 구동하는 방식으로 운행하는 자동차이다. 수소차는 내연 기관을 사용하지 않기 때문에 배가 가스를 배출하지 않는다. 수소차 내부에는 연료 전지 스택, 배터리, 모터, 수소 탱크 등이 탑재된다.
연료전지 스택에는 이 스택을 작동시키기 위한 각종 시스템 역시 필요한데, 스택 프레임은 이러한 시스템을 한 군데 모아서 차량에 고정시키는 역할을 한다.
종래에는 스택 프레임이 스틸 소재로 제조되었다. 도 1에 도시된 바와 같이, 종래의 스택 프레임(100)은 스틸 소재의 상부 프레임(111) 및 하부 프레임(113)을 구비하고, 하부 프레임(113) 상에 복수의 부품(120)들이 용접에 의해 장착된 후 상부 프레임(111)을 하부 프레임(113)에 용접 결합함으로써 제조된다.
하지만, 스택 프레임(100)이 스틸 소재의 상하부 프레임(111, 113)이 용접되어 제조됨에 따라 스택 프레임(100) 자체의 무게가 무겁다는 문제가 있다. 또한, 하부 프레임(113)에 필요한 부품을 각각 용접 작업에 의해 고정시키기 때문에 제조 시간이 많이 들고 비용 또한 증가한다.
또한, 스택 프레임은 연료 전지를 실장하기 위한 것으로, 연료 전지로부터 발생한 물은 스택 프레임 상에 고이게 된다. 이 경우 스택 프레임이 오염되거나 부식될 수 있다는 문제가 있다.
따라서, 스택 프레임 자체의 무게를 경량화하고, 제조 공정을 간단히 할 수 있는 스택 프레임의 개발이 요구된다. 또한, 연료 전지로부터 배출된 물을 스택 프레임 하방으로 용이하게 배출할 수 있는 구조의 스택 프레임의 개발이 요구된다.
공개특허 제10-2014-0011058호 (명칭: 연료전지를 구비한 차량)
본 발명은 인서트 하드웨어와 일체로 성형되어 제조 공정이 간소화되고 원가를 절감할 수 있는 연료 전지용 스택 프레임을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 SMC 복합 소재를 활용하여 경량화된 연료 전지용 스택 프레임을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 연료 전지에서 생성된 물이 쉽게 배출될 수 있는 연료 전지용 스택 프레임을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지용 스택 프레임은 플레이트, 인서트 하드웨어, 보강 부재를 포함한다. 플레이트는 상면에 경사면이 형성되며, 외주면을 따라 리브가 형성될 수 있다. 인서트 하드웨어는 플레이트 내에 삽입되어 플레이트와 일체로 형성될 수 있다. 보강 부재는 플레이트 내에 인입될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지용 스택 프레임에서 플레이트의 경사면은 일방향으로 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지용 스택 프레임은 플레이트의 일측에 배수홀이 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지용 스택 프레임에서 경사면은 각각 플레이트의 중심선으로부터 양단부로 갈수록 상향하는 제1 경사면 및 제2 경사면을 가질 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지용 스택 프레임은 플레이트의 중심선 상에 배수홀이 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지용 스택 프레임에서 경사면은 각각 플레이트의 중심선으로부터 양단부로 갈수록 하향하는 제1 경사면 및 제2 경사면을 가질 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지용 스택 프레임에서 플레이트의 적어도 하나의 모서리 측에는 배수홀이 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지용 스택 프레임에서 경사면은 수평면과 10° 이하의 경사를 형성할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지용 스택 프레임은 플레이트, 인서트 하드웨어, 보강 부재를 포함한다. 플레이트는 외주면을 따라 리브가 형성되고, 상면에 적어도 하나의 배수로가 형성될 수 있다. 인서트 하드웨어는 플레이트 내에 삽입되어 플레이트와 일체로 형성될 수 있다. 보강 부재는 플레이트 내에 인입될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지용 스택 프레임은 배수로 상에 배수홀이 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지용 스택 프레임에서 배수로는 플레이트의 외주면까지 연장할 수 있다. 플레이트의 외주면에는 홈부가 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지용 스택 프레임은 플레이트에 개구가 형성되고, 배수로는 플레이트의 개구까지 연장될 수 있다. 개구의 일측면에는 홈부가 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지용 스택 프레임은 플레이트, 인서트 하드웨어, 보강 부재를 포함한다. 플레이트의 상면에는 경사면이 형성될 수 있다. 인서트 하드웨어는 플레이트에 삽입되어 플레이트와 일체로 형성될 수 있다. 보강 부재는 플레이트에 인입될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지용 스택 프레임에서 경사면은 일방향으로 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지용 스택 프레임에서 경사면은 각각 플레이트의 중심선으로부터 양단부로 갈수록 하향하는 제1 경사면 및 제2 경사면을 가질 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지용 스택 프레임에서 경사면은 수평면과 10° 이하의 경사를 형성할 수 있다.
본 발명의 실시 형태에 따르면, 연료 전지용 스택 프레임은 인서트 하드웨어와 일체로 성형되어 제조 공정이 간소화되고 원가를 절감할 수 있다.
본 발명의 실시 형태에 따르면, 연료 전지용 스택 프레임은 SMC 복합 소재를 사용하여 경량화할 수 있다.
본 발명의 실시 형태에 따르면, 연료 전지용 스택 프레임은 연료 전지에서 생성된 물이 쉽게 배출될 수 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 스택 프레임을 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 스택 프레임을 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 스택 프레임의 구조를 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 스택 프레임에서 인서트 하드웨어를 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 스택 프레임에서 인서트 하드웨어를 나타내는 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 스택 프레임에서 인서트 하드웨어의 일부 고정부의 길이가 상이한 것을 나타내는 도면이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 스택 프레임에서 인서트 하드웨어의 고정부에 개구가 형성된 것을 나타내는 도면이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 스택 프레임에서 다른 형태의 인서트 하드웨어의 고정부를 나타내는 도면이다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 스택 프레임에서 상부탭과 하부탭이 결합하여 인서트 하드웨어의 몸체부를 형성하는 것을 나타내는 도면이다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 스택 프레임에서 상부탭과 하부탭의 결합 방식을 나타내는 도면이다.
도 11은 본 발명의 실시예에 따른 스택 프레임에서 인서트 하드웨어의 몸체부의 길이가 조절되는 것을 나타내는 도면이다.
도 12는 본 발명의 실시예에 따른 스택 프레임에서 인서트 하드웨어의 몸체부에서 상부탭이 제1 관통홀 및 제2 관통홀을 갖는 것을 나타내는 도면이다.
도 13은 본 발명의 실시예에 따른 스택 프레임에서 인서트 하드웨어의 몸체부의 길이가 조절되는 것을 나타내는 도면이다.
도 14는 본 발명의 실시예에 따른 스택 프레임을 제조하는 방법을 나타내는 순서도이다.
도 15는 본 발명의 실시예에 따른 스택 프레임을 제조하는 과정을 나타내는 개략도이다.
도 16은 본 발명의 실시예에 따른 스택 프레임에서 복수의 인서트 하드웨어가 일체로 형성된 것을 나타내는 도면이다.
도 17은 본 발명의 실시예에 따른 스택 프레임에서 인서트 하드웨어가 배치된 것을 나타내는 도면이다.
도 18은 본 발명의 실시예에 따른 스택 프레임에서 인서트 하드웨어의 리브의 형상을 나타내는 도면이다.
도 19는 본 발명의 실시예에 따른 스택 프레임에서 인서트 하드웨어의 리브에 개구가 형성된 것을 나타내는 도면이다.
도 20은 본 발명의 실시예에 따른 스택 프레임에서 플레이트의 외주면에 리브가 형성된 것을 나타내는 도면이다.
도 21은 본 발명의 실시예에 따른 스택 프레임에서 플레이트의 모서리쪽 차체 연결부가 두껍게 형성된 것을 나타내는 도면이다.
도 22는 본 발명의 실시예에 따른 스택 프레임에서 플레이트의 외곽부가 두껍게 형성된 것을 나타내는 도면이다.
도 23은 본 발명의 실시예에 따른 스택 프레임에서 플레이트의 모서리쪽 차체 연결부에 보강 부재가 배치된 것을 나타내는 도면이다.
도 24는 본 발명의 실시예에 따른 스택 프레임에서 플레이트의 외곽부에 보강 부재가 배치된 것을 나타내는 도면이다.
도 25는 본 발명의 실시예에 따른 스택 프레임에서 플레이트 상에 배수홀이 형성된 것을 나타내는 도면이다.
도 26은 본 발명의 실시예에 따른 스택 프레임에서 플레이트 상에 배수로가 형성된 것을 나타내는 도면이다.
도 27은 본 발명의 실시예에 따른 스택 프레임에서 플레이트 상에 배수로 및 배수홀이 형성된 것을 나타내는 도면이다.
도 28은 본 발명의 실시예에 따른 스택 프레임에서 플레이트 상에 배수로 및 홈부가 형성된 것을 나타내는 도면이다.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예를 예시하고 상세한 설 명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 발명에서, '포함하다' 또는 '가지다' 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명한다. 이 때, 첨부된 도면에서 동일한 구성 요소는 가능한 동일한 부호로 나타내고 있음에 유의한다. 또한, 본 발명의 요지를 흐리게 할 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략할 것이다. 마찬가지 이유로 첨부 도면에 있어서 일부 구성요소는 과장되거나 생략되거나 개략적으로 도시되었다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 스택 프레임을 나타내는 도면이고, 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 스택 프레임의 구조를 나타내는 도면이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 스택 프레임(1000)은 플레이트(1100), 인서트 하드웨어(1200), 보강 부재(1300)를 포함한다.
플레이트(1100)는 연료 전지를 지지하고 차체에 고정하는 역할을 한다. 본 발명에서 플레이트는 SMC(sheet molding compound) 복합 소재로 형성된다. SMC 복합 소재란 수지재에 유리 섬유, 충진제, 촉매, 이형재 등을 혼합한 것으로, 성형성이 뛰어나고, 내식성과 내후성이 좋다. 특히 장섬유 SMC의 경우 단섬유 복합 재료를 사용하는 것보다 기계적 물성이 우수하며, 연속 섬유 복합 재료를 사용하는 것과 비교하여 생산성이 높다는 장점이 있다. 수지재는 열경화성 수지로서 예를 들어 불포화 폴리에스테르, 에폭시, 페놀 등을 포함할 수 있다. 수지재는 한 종류의 열경화성 수지로 이루어지거나, 복수 종류의 열경화성 수지로 이루어질 수 있다.
플레이트(1100)는 설계 사양에 따라 다양한 형상으로 형성될 수 있으며, 예를 들어 직사각형으로 형성될 수 있다. 플레이트(1100) 상에는 개구가 형성될 수 있다. 플레이트(1100) 상에 개구가 형성됨으로써, 스택 프레임의 중량을 줄일 수 있다. 도 3의 (a)에 도시된 바와 같이, 본 실시예에서는 플레이트(1100)의 중심부에 직사각 형태의 개구(1150)가 형성되었다. 플레이트(1100)를 가압 성형함에 있어 중심 부분과 외곽 부분의 재료 유동이 상이하여 강성의 차이가 발생할 수 있다. 본 발명은 플레이트(1100)의 일부에 개구(1150)를 형성하여 성형시 재료 유동의 차이를 저감시키고 이에 따라 균일한 강성을 갖도록 할 수 있다.
인서트 하드웨어(1200)는 플레이트(1100) 내에 삽입된다. 인서트 하드웨어(1200)는 요구되는 스택 프레임(1000)의 사양에 따라 복수 개가 배치되며, 플레이트(1100)와 일체화되어 형성된다. 인서트 하드웨어(1200)는 금속 재질로 형성될 수 있으며, 예를 들어 스틸로 형성될 수 있다. 인서트 하드웨어(1200)는 플레이트 상에 연료 전지를 실장하거나, 스택 프레임(1000)을 차량에 장착할 수 있도록 하는 체결 부재일 수 있으며, 예를 들어 너트 또는 볼트일 수 있다. 인서트 하드웨어(1200)는 원기둥 또는 육각 기둥 형상으로 형성될 수 있다.
보강 부재(1300)는 플레이트의 전면 또는 국부적으로 인입되어 플레이트의 강성을 강화시킬 수 있다. 도 3의 (b)에 도시된 바와 같이, 보강 부재(1300)는 플레이트의 두께 방향으로 중간층에 배치될 수 있다. 보강 부재(1300)는 원단 SMC일 수 있다. 원단 SMC는 열경화성 수지가 함침된 원단 시트이다. 원단 SMC를 구성하는 섬유로서 직물(Woven fabric), 편물(Knitted fabric) 등의 형태가 사용될 수 있다. 직물은 신축성이 낮아 제조된 성형품의 굽힘 강도 및 굽힘 탄성률이 크다는 장점이 있다. 직물의 예로서 평직물(Plain fabric), 능직물(Twill fabric), 수자직물(Satin fabric) 등이 있으며, 편물의 예로서 환편(circular knitting) 경편(tricot) 등이 있다. 원단(fabric)의 밀도는 예를 들어 1800 내지 2300 kg/m3일 수 있다.
원단(Fabric)을 구성하는 섬유로서 PBO(p-phenylene benzobisoxazole) 섬유, 아라미드섬유, 폴리아미드섬유, PET 섬유 등의 유기섬유, 금속섬유, 유리섬유, 카본섬유, 바잘트섬유 등의 무기섬유를 들 수 있다. 원단은 한 종류의 섬유로 구성되거나 여러 종류의 섬유로 구성될 수 있다. 원단 또는 원단을 구성하는 섬유의 표면에 결합재를 도포하여 표면 처리한 경우, 플레이트를 구성하는 시트 재료와 보강 부재 사이에 밀착성이 좋아질 수 있다. 원단 SMC의 두께는 0.3~0.7mm일 수 있다.
보강 부재(1300)는 플레이트(1100)와 일체화된다. 예를 들어, 보강 부재(1300)는 플레이트(1100)의 형상과 동일하게 형성되어, 플레이트(1100)를 형성하는 시트 사이에 배치되어 일체 성형될 수 있다. 다른 실시예에서는 플레이트(1100)의 외곽부에만 보강 부재(1300)가 배치될 수도 있다.
다른 실시예에서 보강 부재(1300)는 스틸 플레이트일 수 있다. 보강 부재(1300)가 스틸 플레이트로 형성되는 경우 인서트 하드웨어(1200)와 일체로 형성하여 스택 프레임 성형 과정을 보다 간단히 수행할 수 있다. 복합 소재와의 결합력을 높이기 위하여 스틸 플레이트 상에 그루브 또는 개구가 형성될 수 있다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 스택 프레임에서 인서트 하드웨어를 나타내는 도면이고, 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 스택 프레임에서 인서트 하드웨어를 나타내는 도면이고, 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 스택 프레임에서 인서트 하드웨어의 일부 고정부의 길이가 상이한 것을 나타내는 도면이고, 도 7은 본 발명의 실시예에 따른 스택 프레임에서 인서트 하드웨어의 고정부에 개구가 형성된 것을 나타내는 도면이고, 도 8은 본 발명의 실시예에 따른 스택 프레임에서 다른 형태의 인서트 하드웨어의 고정부를 나타내는 도면이고, 도 9는 본 발명의 실시예에 따른 스택 프레임에서 상부탭과 하부탭이 결합하여 인서트 하드웨어의 몸체부를 형성하는 것을 나타내는 도면이고, 도 10은 본 발명의 실시예에 따른 스택 프레임에서 상부탭과 하부탭의 결합 방식을 나타내는 도면이고, 도 11은 본 발명의 실시예에 따른 스택 프레임에서 인서트 하드웨어의 몸체부의 길이가 조절되는 것을 나타내는 도면이고, 도 12는 본 발명의 실시예에 따른 스택 프레임에서 인서트 하드웨어의 몸체부에서 상부 탭이 제1 관통홀 및 제2 관통홀을 갖는 것을 나타내는 도면이며, 도 13은 본 발명의 실시예에 따른 스택 프레임에서 인서트 하드웨어의 몸체부의 길이가 조절되는 것을 나타내는 도면이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 인서트 하드웨어(1200)는 몸체부(1210)와 고정부(1220)를 구비할 수 있다. 몸체부(1210)는 예를 들어 너트일 수 있다. 몸체부(1210)는 원기둥 형상으로 내측에 관통홀(1230)이 형성된다. 관통홀(1230)의 내측 벽에는 나사산이 형성된다. 관통홀(1230)은 연료 전지의 실장 및 스택 프레임(1000)과 차량과의 연결을 위한 체결 부재와 체결될 수 있다.
도 5에 도시된 바와 같이, 다른 실시예에서는 인서트 하드웨어(1200)가 육각 기둥 형상으로 형성될 수 있다. 인서트 하드웨어(1200)가 육각 기둥 형상으로 형성되면, 완성된 스택 프레임(1000)에 외부 부품을 체결하기 위해 나사를 회전시킬 때, 회전력에 의해 인서트 하드웨어(1200)가 플레이트(1000)로부터 이탈하는 것을 방지할 수 있다.
몸체부(1210)의 내측, 즉 관통홀(1230)이 형성된 면의 길이 방향으로 그루브(미도시)가 형성될 수 있다. 그루브는 스택 프레임(1000)의 성형시 하부 금형에 인서트 하드웨어(1200)를 배치하는 단계에서, 하부 금형의 직선 형상의 돌기에 끼워지며, 성형시 인서트 하드웨어(1200)가 금형 내에서 회전하거나 위치를 이탈하는 것을 방지할 수 있다.
인서트 하드웨어(1200)는 SMC 복합 소재의 플레이트(1100)와 일체 성형되는데, 이종 소재인 SMC 복합 소재와 표면 결합력이 없기 때문에 성형시 상하 방향으로 움직이거나 이탈할 수 있다. 인서트 하드웨어(1200)는 플레이트(1100)와의 결합력을 증가시켜 몸체부(1210)가 플레이트(1100) 상에 잘 고정될 수 있도록 고정부(1220)를 구비한다. 고정부(1220)는 환 형태를 가질 수 있으며, 몸체부(1210)의 길이 방향으로 복수 개가 이격되어 배치될 수 있다. 고정부(1220)는 몸체부로부터 외측으로 방사상으로 연장되며, 반경은 필요에 따라 선택될 수 있다.
한편, 도 6에 도시된 바와 같이, 복수 개의 고정부(1220)는 서로 반경이 상이하게 형성될 수 있다. 예를 들어, 상부 또는 하부 등 최외측에 위치한 고정부(1220)는 중간층에 위치한 고정부(1220')보다 짧게 형성될 수 있다. 고정부(1220)의 일부를 짧게 형성함으로써, 전체적인 고정 성능에 지장을 주지 않으면서도 인서트 하드웨어(1200)의 전체 중량을 줄일 수 있다. 본 실시예에서는 중간 층에 위치한 고정부(1220)의 길이가 길게 형성되지만, 이에 한하지 않으며, 하단에 위치한 고정부(1220)의 길이가 길게 형성될 수도 있다.
도 7에 도시된 바와 같이, 고정부(1200)에는 복수의 개구(1221)가 형성될 수 있다. 개구(1221)가 형성되는 경우 금속 재질로 형성된 인서트 하드웨어(1200)의 무게를 줄일 수 있으며, 성형시 SMC 복합 소재와의 결합력을 향상시킬 수 있다. 다른 실시예에서는 수지 소재와의 결합력을 증가시키기 위하여 고정부(1220)에 요철이 형성될 수 있다.
다른 실시예에서는 고정부(1220)가 원형이 아니라 막대 형상으로 형성될 수 있다(도 8). 막대 형상의 고정부(1220)는 몸체부(1210)의 측면에 한 쌍이 대칭적으로 배치되거나, 두 개 이상이 방사상으로 배치될 수 있다. 한 쌍 또는 두 개 이상의 고정부(1220)는 몸체부(1210)의 길이 방향으로 이격되어 복수 층을 형성할 수 있다. 각각의 고정부(1220)는 필요에 따라 길이가 상이하게 형성될 수 있다. 막대 형상의 고정부(1220) 상에 개구가 형성되거나 요철이 형성될 수 있다. 고정부(1220)는 육각형의 형상을 가질 수도 있다.
도 9에 도시된 바와 같이, 다른 실시예에서는 몸체부(1210)가 하부 탭(1211) 및 상부 탭(1213)으로 구성될 수 있다. 스택 프레임(1000)은 요구되는 사양에 따라 두께가 변경 설계될 수 있다. 인서트 하드웨어(1200)는 플레이트(1100)에 플레이트(1100)의 두께 방향으로 삽입되는 것으로, 인서트 하드웨어(1200)의 상면 및 하면은 플레이트(1100)의 상면 및 하면 상으로 노출된다. 플레이트(1100)의 두께가 두꺼워지면 인서트 하드웨어(1200)의 길이도 길어져야 한다.
스택 프레임(1000)의 성형시, 인서트 하드웨어(1200)의 내경은 동일하나 플레이트(1100)의 두께 차이로 인하여 서로 길이가 다른 인서트 하드웨어(1200)를 사용해야 하는 경우가 발생한다. 이에 따라, 여러 사양의 스택 프레임(1000)을 제조하기 위해서는 여러 길이의 인서트 하드웨어(1200)를 제작 및 준비해야 한다. 하지만, 스택 프레임(1000)의 제조 공정에서 어느 부품이 많이 사용될지 예측하기 어렵고, 사용되지 않은 부품은 재고로 남을 수 있다는 문제가 있다. 본 발명은 직경은 동일하되 인서트 하드웨어(1200)의 길이를 조절할 수 있도록 하여, 다양한 두께의 스택 프레임에 인서트 하드웨어로서 적용이 가능하다.
하부 탭(1211)과 상부 탭(1213)은 끼워맞춤으로 연결된다. 하부 탭(1211)은 원기둥 형상으로 소정 길이로 형성되며, 양 측면에 길이 방향으로 이격된 복수의 홈(1217)이 형성된다. 하부 탭(1211)의 내측에는 관통홀(1230)이 형성되며, 관통홀(1230)의 내측면에는 외부와의 체결을 위한 나사산이 형성된다.
상부 탭(1213)은 하부 탭(1211)의 외경 상에 끼워진다. 상부 탭(1213)은 원기둥 형상으로 소정 길이로 형성된다. 상부 탭(1213) 내측으로 관통홀(1230)이 형성된다. 상부 탭(1213)의 관통홀(1230)의 내측면에는 외부와의 체결을 위한 나사산이 형성된다. 상부 탭(1213)의 관통홀(1230)의 내경은 하부 탭(1211)의 외경과 같거나 크다.
도 11에 도시된 바와 같이, 인서트 하드웨어(1200)는 상부 탭(1213)과 하부 탭(1211, 스토퍼(1215)에 의해 길이가 조절된다. 하부 탭(11211)의 복수의 홈(1217)에는 스토퍼(1215)가 끼워진다. 홈(1217)은 하부 탭(1211)의 길이 방향으로 복수 개가 이격되어 배치되며, 스토퍼(1215)를 하부 탭(1211)의 복수 개의 홈(1217) 중 원하는 위치에 삽입한다. 스토퍼(1215)는 하부 탭(1211)의 홈(1217)에 끼워지며, 하부 탭(1211)과 결합된 상부 탭(1213)은 스토퍼(1215)의 상면까지 내려온다. 스토퍼(1215)가 하부 탭(1211)의 홈(1217)과 결합하는 위치에 따라 인서트 하드웨어(1200)의 전체 길이가 조절된다.
스토퍼(1215)가 상부에 위치한 홈(1217)에 끼워지는 경우 인서트 하드웨어(1200)의 길이는 길어지고, 스토퍼(1215)가 최하부에 위치한 홈(1217)에 끼워지는 경우 인서트 하드웨어(1200)의 길이는 짧아진다. 홈(1217)은 더 많은 개수가 배치될 수 있다. 스토퍼(1215)는 하부 탭(1211)에 끼워진 상태로 고정부의 역할을 할 수 있다.
본 실시예에서 상부 탭(1213) 및 하부 탭(1211)은 원기둥 형상이나, 이에 한정하지는 않으며, 상부 탭(1213) 및 하부 탭(1211)은 각각 육각 기둥의 형상일 수 있다.
도 12에 도시된 바와 같이, 상부 탭(1213)은 관통홀(1230)이 단차진 형상으로, 제1 직경을 가진 제1 관통홀(1231), 제2 직경을 가진 제2 관통홀(1233)을 구비할 수 있다. 제1 관통홀(1231)은 하부 탭(1211)에 끼움 결합하여 하부 탭(1211)과 연결될 수 있다. 제2 관통홀(1233)은 외부와의 연결을 위한 것으로, 내경이 제1 관통홀(1231)보다 작게 형성될 수 있으며, 하부 탭(1211)의 관통홀 내경과 동일할 수 있다. 제2 관통홀(1233)의 내측면에는 나사산이 형성된다.
한편, 다른 실시예에서 인서트 하드웨어(1200)의 길이는 하부 탭(1211) 및 상부 탭(1213)의 끼워 맞춤 외에 상부 탭(1213)과 하부 탭(1231)의 나사산 결합으로 조절될 수 있다. 도 13에 도시된 바와 같이, 상부 탭(1213) 및 하부 탭(1211)은 원기둥 형상으로 형성된다. 하부 탭(1211)은 소정 길이로 형성되며, 내측에 관통홀(1230)이 형성된다. 관통홀(1230)의 내측면에는 나사산이 형성되어, 외부 부품과 체결된다. 하부 탭(1211)의 외측면 상부에는 상부 탭(1213)과의 나사산 결합을 위한 나사산(1211a)이 형성된다.
상부 탭(1213)은 원기둥 형상으로 소정 길이로 형성된다. 상부 탭(1213)에는 관통홀(1230)이 형성된다. 상부 탭(1213)의 관통홀(1230)의 내경은 하부 탭(1211)의 외경과 동일하게 형성된다. 상부 탭(1213)의 관통홀(1230)의 내측면의 상부에는 외부 부품과의 결합을 위한 나사산이 형성된다. 상부 탭(1211)의 관통홀(1230) 하부에 형성된 나사산(1213a)은 하부 탭(1211) 외측의 나사산(1211a)과 나사산 결합을 통해 상부 탭(1213)을 하부 탭(1211)과 연결시킨다. 상부 탭(1213)에는 길이 방향으로 개구(미도시)가 형성되어, 하부 탭(1211)과 결합할 때, 인서트 하드웨어(1200)의 전체 길이를 인식할 수 있는 마커 역할을 할 수 있다. 상부 탭(1213)은 관통홀(1230)이 단차진 형상으로 형성되어, 제1 직경을 가진 제1 관통홀(1231), 제2 직경을 가진 제2 관통홀(1233)을 구비할 수 있다.
본 실시예의 인서트 하드웨어(1200)는 하부 탭(1211) 및 상부 탭(1213)을 구비함으로써, 다양한 스택 프레임의 사양에 맞도록 길이를 조절할 수 있다. 또한, 하부 탭 및 상부 탭(1211, 1213)의 형상을 다양화하여, 필요에 따라 다양한 형상의 인서트 하드웨어(1200)를 조립하여 적용할 수 있다는 장점이 있다. 예를 들어, 하부 탭 및 상부 탭(1211, 1213)은 관통홀(1230)의 직경이 상이할 수 있다.
도 14는 본 발명의 실시예에 따른 스택 프레임을 제조하는 방법을 나타내는 순서도이고, 도 15는 본 발명의 실시예에 따른 스택 프레임을 제조하는 과정을 나타내는 개략도이다.
도 14에 도시된 바와 같이, 스택 프레임(1000)을 제조하기 위하여, 하부 금형의 소정 위치에 인서트 하드웨어(1200)를 배치한다(S1100). 제조될 스택 프레임(1000)의 사양에 따라 하부 금형에서 인서트 하드웨어(1200)가 배치될 위치가 결정된다.
하부 금형 내에 SMC 복합 소재 시트(1100')를 배치한다(S1200). SMC 복합 소재로서 장섬유 SMC를 사용할 수 있다.
SMC 복합 소재 시트(1100') 상에 보강 부재(1300)를 적층한다(S1300). 보강 부재(1300)는 금형의 평면 상에 전면 또는 국부적으로 배치될 수 있다. 보강 부재(1300)로서 원단 SMC 복합 소재나 스틸 플레이트 등이 사용될 수 있다. 보강 부재(1300)는 SMC 복합 소재 시트 전면에 배치되거나, 부분적으로 배치될 수 있다.
다음으로, 하부 금형의 차체 연결부 및 스택 체결부 형성 부분 또는 외곽 부분에 강화 부재를 배치한다(S1400). 최종 성형품인 플레이트의 차체 연결부 및 스택 체결부 또는 외곽 부분에 추가적으로 강화 부재(1500)가 더 배치될 수 있다.
구체적으로, 보강 부재(1300)가 적층된 하부 금형상에서 하부 금형(1010)의 차체 연결부 및 스택 체결부 형성 부분에 유리 섬유의 함량이 높은 강화 부재(1500)가 배치될 수 있다. 하부 금형(1010)에 배치된 SMC 복합 소재 시트(1100')의 유리 섬유 함량이 30%라면, 차체 연결부 및 스택 체결부 형성 부분에 유리 섬유 함량이 50% 이상인 SMC 복합 소재의 강화 부재(1500)를 배치하여 SMC 복합 소재 시트(1100')와 일체화할 수 있다. 본 실시예에서는 강화 부재(1500)로서 유리 섬유의 함량이 50% 이상인 경우가 예시되었지만 이에 한정하지 않으며, 강화 부재(1500)로서 유리 섬유의 함량은 SMC 복합 소재 시트(1100')의 유리 섬유 함량과 대비하여 필요에 따라 달라질 수 있다. 유리 섬유는 섬유의 형태 또는 원단의 형태로 하부 금형의 차체 연결부 및 스택 체결부 형성 부분에 배치될 수 있다.
다른 실시예에서는 차체 연결부 및 스택 체결부 형성 부분에 탄소 섬유가 함유된 강화 부재(1500)가 배치될 수도 있다. 탄소 섬유는 섬유의 형태 또는 원단의 형태로 이용될 수 있다.
한편, 보강 부재(1300)가 적층된 하부 금형상에서 하부 금형의 외곽 부분에 유리 섬유의 함량이 높은 강화 부재(1500)가 배치될 수도 있다. 하부 금형에 배치된 SMC 복합 소재 시트(1100')의 유리 섬유 함량이 30%라면, 외곽 부분에 유리 섬유 함량이 50% 이상인 SMC 복합 소재의 강화 부재(1500)를 배치하여 SMC 복합 소재 시트(1100')와 일체화할 수 있다. 유리 섬유는 섬유의 형태 또는 원단(fabric)의 형태로 이용될 수 있다.
다른 실시예에서는 하부 금형의 외곽 부분에 탄소 섬유가 함유된 강화 부재(1500)가 배치될 수도 있다. 탄소 섬유는 섬유의 형태 또는 원단의 형태로 이용될 수 있다.
본 발명은 최종 성형될 플레이트(1100)에서 4개의 차체 연결부 및 스택 체결부 또는 외곽 부분에 강화 부재(1500)를 추가로 배치함으로써, 스택 프레임(1000)의 전체 강성을 강화하고 내구 특성을 강화할 수 있다.
보강 부재(1300) 및 강화 부재 상에 SMC 복합 소재 시트(1100')를 적층한다(S1500). 보강 부재(1300) 또는 강화 부재에는 SMC 복합 소재 시트(1100')와의 결합력을 증대시키기 위해 섬유 표면에 결합재를 도포할 수 있다.
상부 금형을 닫고 가온 가압한다(S1600). 상부 금형을 하강시켜 스택 프레임(1000)을 성형한다. 도 15에 도시된 바와 같이, 보강 부재(1300)는 SMC 복합 소재 시트(1100')사이에 위치하게 된다. 금형 내의 복합 소재는 수지가 용융되면서 서로 합지되어 일체화된다. 금형을 가압하는 압력은 6~8t, 온도는 200~250℃일 수 있다.
다음으로, 금형을 제거하여 스택 프레임을 인출한다.
도 16은 본 발명의 실시예에 따른 스택 프레임에서 복수의 인서트 하드웨어가 일체로 형성된 것을 나타내는 도면이고, 도 17은 본 발명의 실시예에 따른 스택 프레임에서 인서트 하드웨어가 배치된 것을 나타내는 도면이고, 도 18은 본 발명의 실시예에 따른 스택 프레임에서 인서트 하드웨어의 연결 리브의 형상을 나타내는 도면이며, 도 19는 본 발명의 실시예에 따른 스택 프레임에서 인서트 하드웨어의 연결 리브에 개구가 형성된 것을 나타내는 도면이다.
스택 프레임은 연료 전지와 결합되어 차체에 장착되는 것으로, 차체에서 발생하는 진동이 그대로 스택 프레임으로 전달된다. 스택 프레임은 차체 연결부에 배치된 인서트 하드웨어에 의해 차체에 연결되는데, 차체에서 발생한 진동은 스택 프레임의 차체 연결부를 통해 전달되어 스택 프레임의 차체 연결부 주의 및 스택 장착부에 피로하중을 누적시킨다. 따라서 스택 프레임의 차체 연결부 및 스택 장착부가 갖는 내구 특성을 강화할 필요가 있다.
차체 연결부로부터 전달된 진동은 각각의 인서트 하드웨어에 전달되고, 복수의 인서트 하드웨어는 진원과의 거리가 서로 달라 다른 피로 하중을 받게 된다. 진원과 인접한 부근의 플레이트 및 인서트 하드웨어의 내구 특성이 특히 취약해질 수 있다. 스택 프레임의 차체 연결부의 내구 특성을 강화하기 위하여 본 실시예에서는 복수 개의 인서트 하드웨어를 일체화시켜 플레이트에 내장시킨다. 인서트 하드웨어가 일체로 형성되는 경우 일체화된 인서트 하드웨어 전체적으로 진동 전달됨으로써 구조 강성이 향상되므로 진동에 의한 내구성 저하가 완화될 수 있다.
도 16의 (a)에 도시된 바와 같이, 예를 들어 인서트 하드웨어(2200)는 3개의 인서트 하드웨어(2200a, 2200b, 2200c)가 연결 리브(2240)에 의해 연결될 수 있다. 연결 리브(2240)는 각각의 인서트 하드웨어(2200a, 2200b, 2200c)의 측면에서 연장하여 이웃하는 인서트 하드웨어(2200a, 2200b, 2200c) 측면에 연결된다. 차체와 연결되는 인서트 하드웨어(2200a)는 타 인서트 하드웨어(2200b, 2200c)보다 많은 진동을 받게 되나, 연결 리브(2240)에 의해 연결됨으로써 인서트 하드웨어(2200a)가 받는 진동이 완화되며, 스택 프레임(2000) 전체적으로 진동에 의한 피로 하중이 차체 연결부에 집중되는 것을 방지할 수 있다.
연결 리브(2240)는 인서트 하드웨어(2200a, 2200b, 2200c)의 높이와 동일한 높이를 가질 수 있으나, 이에 한정하지 않으며 필요에 따라 다른 높이를 가질 수 있다. 예를 들어, 도 16의 (b)에 도시된 바와 같이, 차체와 결합되는 인서트 하드웨어(2200a)와 인서트 하드웨어(2200b, 2200c)를 연결하는 연결 리브(2240a, 2240b)는 인서트 하드웨어(2200a, 2200b, 2200c)와 동일한 높이 또는 약간 낮은 높이로 형성되고, 인서트 하드웨어 2200b와 인서트 하드웨어 2200c 사이를 연결하는 연결 리브(2240c)는 더 낮은 높이로 형성될 수 있다. 일부 연결 리브(2240c)의 높이를 낮게 하여 일체화된 인서트 하드웨어(2200)의 중량을 줄일 수 있다.
다른 실시예에서는 두 개의 인서트 하드웨어(2200a, 2200b)를 일체화할 수 있다. 일체화되는 인서트 하드웨어(2200)의 개수는 한정하지 않으며, 차체 연결부 또는 특정 영역별로 인서트 하드웨어(2200)를 그룹핑하여 일체화시킬 수 있다. 도 17에 도시된 바와 같이, 인서트 하드웨어(2200)를 그룹핑하는 경우 하부 금형에 각각의 인서트 하드웨어(2200)를 배치하는 것보다 인서트 하드웨어의 배치 과정이 간소해진다.
다른 실시예에서는 연결 리브(2240)의 형상을 상이하게 변경할 수 있다. 도 18의 (a)에 도시된 바와 같이, 연결 리브(2240)는 직사각형이 아닌 'U'자형으로 형성될 수 있다. 'U'자형의 연결 리브(2240)는 인서트 하드웨어(2200a, 2200b)와 연결된 부분의 높이는 높고, 중심 부분의 높이가 낮아, 인서트 하드웨어의 내구 특성을 유지하면서도 일체화된 인서트 하드웨어의 전체 중량을 줄일 수 있다.
다른 실시예에서는 3개의 인서트 하드웨어(2200a, 2200b, 2200c)가 "Y"자 형상을 가진 하나의 연결 리브(2240)에 의해 일체화될 수 있다(도 18의 (b)).
한편, 다른 실시예에서는 각각의 인서트 하드웨어(2200a, 2200b, 2200c)가 가는 바(bar) 형상의 연결 리브(2240)에 의해 연결될 수 있다. 바(bar)는 하나 이상 사용될 수 있으며, 각각의 인서트 하드웨어(2200a, 2200b, 2200c)의 상부 또는 하부를 연결할 수 있다. 복수의 바(bar)가 인서트 하드웨어(2200a, 2200b, 2200c)의 상부 및 하부에 각각 연결될 수도 있다. 연결 리브(2240)를 바(bar)로 형성하는 경우 직사각형 형태보다 중량을 줄일 수 있다.
일체화된 인서트 하드웨어(2200)의 중량을 줄일 수 있도록, 연결 리브(2240)에 개구(2242)가 형성될 수 있다. 개구(2242)는 복수 개가 형성될 수 있으며, 인서트 하드웨어(2200)의 진동 특성에 영향을 미치지 않는 범위에서 그 형태를 제한하지 않는다. 연결 리브(2240)에 개구(2242)가 형성됨으로써, 성형시 인서트 하드웨어(2200)가 이탈하지 않고 복합 소재와 더욱 잘 결합할 수 있다. 복합 소재와 더욱 잘 밀착될 수 있도록, 연결 리브(2240)에 요철을 형성하거나, 결합재를 도포할 수도 있다. 연결 리브(2240)의 두께 방향으로 오목한 형상을 가질 수도 있으며, 두께는 필요에 따라 조절될 수 있다.
상부 탭 및 하부 탭을 구비한 인서트 하드웨어에 의해 일체화된 인서트 하드웨어(2200)의 길이가 조절될 수 있다. 이 경우, 상부 탭은 복수 개가 각각 연결 리브에 의해 연결되어 일체화되고, 각각의 상부 탭의 관통홀에 하부 탭이 연결된다. 하부 탭은 인서트 하드웨어가 동일한 길이를 형성하도록 상부 탭과 끼워맞춤될 수 있다.
도 20은 본 발명의 실시예에 따른 스택 프레임에서 플레이트의 외주면에 리브가 형성된 것을 나타내는 도면이고, 도 21은 본 발명의 실시예에 따른 스택 프레임에서 플레이트의 모서리쪽 차체 연결부가 두껍게 형성된 것을 나타내는 도면이고, 도 22는 본 발명의 실시예에 따른 스택 프레임에서 플레이트의 외곽부가 두껍게 형성된 것을 나타내는 도면이며, 도 23은 본 발명의 실시예에 따른 스택 프레임에서 플레이트의 모서리쪽 차체 연결부에 보강 부재가 배치된 것을 나타내는 도면이며, 도 24는 본 발명의 실시예에 따른 스택 프레임에서 플레이트의 외곽부에 보강 부재가 배치된 것을 나타내는 도면이다.
본 발명은 스택 프레임(3000)의 진동 특성을 강화하기 위하여, 도 20에 도시된 바와 같이, 스택 프레임(3000)의 외곽부에 리브(3110)를 형성할 수 있다. 스택 프레임(3000)의 플레이트(3100)는 차체의 진동에 의해 틀어지거나 파손될 수 있다. 스택 프레임(3000)의 외곽부에 형성된 리브(3110)는 플레이트(3100) 전체 형상의 단면 계수를 증가시켜 비틀림 강성을 향상시킨다. 본 실시예에서는 플레이트(3100)의 외곽면을 따라 하나의 리브(3110)를 형성하였으나, 리브(3110)는 이중으로 형성될 수 있다.
플레이트(3100) 상에는 개구가 형성될 수 있다. 개구는 플레이트(3100) 상에서 중심부에 형성될 수도 있으나, 필요에 따라 달라질 수 있다. 리브(3110)는 플레이트(3100)의 외곽면뿐 아니라 개구 둘레에도 형성될 수 있다. 본 실시예에서 리브(3110)의 폭은 3~15mm 일 수 있으나, 이에 한정되지는 않으며, 리브(3110)의 폭은 스택 프레임(3000) 상면의 넓이에 따라 달라질 수 있다. 리브(3110)의 높이는 플레이트(3100)의 두께의 2배 이내가 바람직하다.
다른 실시예에서는, 플레이트(3100)의 차체 연결부 및 스택 장착부 또는 외곽부의 두께를 두껍게 하여 스택 프레임의 내구 특성을 강화할 수 있다.
구체적으로, 플레이트(3100)는 직사각형의 형태를 가질 수 있으며, 플레이트(3100)의 4개의 모서리쪽 차체 연결부는 내측 부분보다 두껍게 형성될 수 있다. 스택 프레임(3000)의 차체 연결부의 두께를 두껍게 하기 위하여, 상부 금형 및 하부 금형에서 스택 프레임(3000)의 차체 연결부에 대응하는 부분을 테이퍼지도록 형성한다. 도 21에 도시된 바와 같이 플레이트(3100)의 4개의 모서리쪽 차체 연결부 부분은 외측으로 갈수록 상승하는 경사를 가진다. 경사 각도는 10°이하일 수 있으나, 이에 한정되지는 않으며, 경사 각도와 폭은 스택 프레임(3000) 상면의 넓이에 따라 달라질 수 있다. 본 발명은 플레이트(3000)의 모서리쪽 차체 연결부 부분을 두껍게 형성함으로써, 플레이트 전체의 두께를 두껍게 하지 않고도 플레이트(3100)가 진동에 의해 뒤틀리거나 진동에 의한 내구성 저하가 발생하는 것을 완화할 수 있다. 플레이트(3100)의 최고 두께는 최저 두께의 2배 이내일 수 있다.
모서리쪽 차체 연결부 부분에 배치된 인서트 하드웨어(3200)는 플레이트의 두께가 두꺼워짐에 따라 내측에 배치된 인서트 하드웨어(3200)보다 긴 길이의 인서트 하드웨어(3200)가 배치된다. 본 실시예에 따른 스택 프레임(3000)은 차체 연결부에 경사가 형성됨으로써, 연료 전지로부터 낙하된 물이 플레이트(3100) 내측으로 용이하게 배수된다는 효과 역시 기대할 수 있다.
다른 실시예에서는 플레이트(3100)의 외곽부를 따라 두께를 두껍게 형성할 수 있다. 도 22에 도시된 바와 같이, 스택 프레임(3000)에서 플레이트(3100)는 외측 부분을 두껍게 형성하며, 외측 부분은 플레이트(3100)의 최외측으로부터 내측 방향으로 갈수록 하향하는 경사를 가질 수 있다. 경사 각도는 10°이하일 수 있다. 본 발명은 플레이트(3000)의 외곽 부분을 두껍게 형성함으로써, 플레이트 전체의 두께를 두껍게 하지 않고도 플레이트(3100)의 강성을 강화하여, 플레이트(3100)가 진동에 의해 뒤틀리거나 내구성 저하가 발생하는 것을 완화할 수 있다. 플레이트(3100)의 최고 두께는 최저 두께의 2배 이내일 수 있다.
외곽 부분에 배치된 인서트 하드웨어(3200)는 내측에 배치된 인서트 하드웨어(3200)보다 길이가 길 수 있다. 본 실시예에 따른 스택 프레임(3000)은 외곽 부분에 경사가 형성됨으로써, 연료 전지로부터 낙하된 물이 플레이트(3100) 내측으로 용이하게 배수된다는 효과도 기대할 수 있다.
도 23에 도시된 바와 같이, 본 발명의 다른 실시예에서는 스택 프레임(3000)의 차체 연결 부분의 내구 특성을 강화하기 위하여 차체 연결부 부근에 유리 섬유의 함량이 높은 강화 부재(3500)를 배치할 수 있다. 예를 들어, 플레이트(3100)를 형성하는 SMC 복합 소재의 유리 섬유 함량이 30%라면, 차체 연결 부분에 유리 섬유 함량이 50% 이상인 SMC 복합 소재의 강화 부재(3500)를 배치하여 플레이트(3100)와 일체화할 수 있다. 유리 섬유는 섬유의 형태 또는 원단의 형태로 플레이트(3100)의 차체 연결 부분에 배치될 수 있다.
다른 실시예에서는 차체 연결 부분에 탄소 섬유가 함유된 강화 부재(3500)가 배치될 수 있다. 탄소 섬유는 0.005~0.010mm 굵기의 매우 가는 섬유이다. 탄소 섬유는 섬유의 길이 방향을 따라 탄소 원자들이 육각 고리 결정의 형태로 이어져 있어, 인장 강도가 높다. 탄소 섬유는 다양한 패턴으로 직조될 수 있으며, 무게가 가벼운 장점이 있다. 탄소 섬유는 섬유의 형태 또는 원단의 형태로 플레이트(3100)의 차체 연결 부분에 배치될 수 있다.
다른 실시예에서는 스택 프레임(3000)의 외곽 부분을 따라 강화 부재(3500)가 배치될 수 있다. 도 24에는 플레이트(3100)의 외곽 부분을 따라 강화 부재(3500)가 배치된 것이 도시되어 있다. 스택 프레임(3000)의 성형시 플레이트(3100)를 구성하는 SMC 복합 소재에 함유된 유리 섬유의 함량이 30%라면, 외곽 부분에 유리 섬유의 함량이 50% 이상인 SMC 복합 소재의 강화 부재(3500)를 배치하여 플레이트(3100)와 일체화할 수 있다. 유리 섬유는 섬유의 형태 또는 직조되어 원단의 형태로 플레이트(3100)의 외곽 부분에 배치될 수 있다.
다른 실시예에서는 외곽 부분에 탄소 섬유가 함유된 강화 부재(3500)가 배치될 수 있다. 탄소 섬유는 섬유의 형태 또는 원단의 형태로 플레이트(3100)의 차체 연결부 부분에 배치될 수 있다.
본 발명은 플레이트(3100)의 4개의 차체 연결 부분 또는 외곽 부분에 강화 부재(3500)를 추가로 배치함으로써, 스택 프레임(3000)의 강성을 강화하고 내구 특성을 강화할 수 있다.
도 25는 본 발명의 실시예에 따른 스택 프레임에서 플레이트 상에 배수홀이 형성된 것을 나타내는 도면이고, 도 26은 본 발명의 실시예에 따른 스택 프레임에서 플레이트 상에 배수로가 형성된 것을 나타내는 도면이고, 도 27은 본 발명의 실시예에 따른 스택 프레임에서 플레이트 상에 배수로 및 배수홀이 형성된 것을 나타내는 도면이며, 도 28은 본 발명의 실시예에 따른 스택 프레임에서 플레이트 상에 배수로 및 홈이 형성된 것을 나타내는 도면이다.
한편, 스택 프레임(4000)에는 연료 전지가 장착되며, 연료 전지에서 발생한 물이 스택 프레임(4000) 상면으로 떨어질 수 있다. 스택 프레임(4000) 상면에 고여 있는 물은 스택 프레임(4000)을 오염시키거나 부식 등 성능 저하를 야기할 수 있다. 도 25에 도시된 바와 같이, 본 발명의 스택 프레임(4000)은 플레이트(4100)의 상면에 일방향으로 구배가 형성될 수 있다. 스택 프레임(4000)이 장착되는 면(수평면)을 기준으로, 플레이트(4100)의 하면은 기준면과 평행하며, 플레이트(4100)의 상면은 기준면과 10° 이하의 경사를 형성한다. 즉, 플레이트(4100)의 일측의 두께가 타측보다 두껍게 형성되어 타측으로 갈수록 하강하는 경사면을 형성할 수 있다. 경사면을 따라 유동하는 물은 리브에 의해 스택 프레임(4000)의 상면에 고일 수 있다. 스택 프레임(4000)의 상면에 고여 있는 물을 배출하기 위해 스택 프레임(4000)의 타측에는 배수홀(4170)이 형성될 수 있다. 배수홀(4170)은 스택 프레임(4000)이 차체와 연결되는 부근에 형성될 수 있다. 연료 전지로부터 플레이트(4100)의 일측 상면으로 떨어진 물은 중력에 의해 타측으로 유동하고, 유동된 물은 타측에 형성된 배수홀(4170)로 배출된다. 플레이트(4100)의 경사는 기준면과 10° 이하가 되도록 한다. 플레이트(4100)의 상면이 경사지더라도, 인서트 하드웨어의 높이를 동일하게 하여, 연료 전지가 기준면에 수평하게 장착될 수 있다.
본 실시예에서는 플레이트(4100)의 상면에 일방향으로 경사가 형성되어 있지만, 이에 한정되지는 않으며, 플레이트(4100)의 긴 방향으로의 중심선을 기준으로 각각 바깥측으로 상향하는 경사를 가질 수도 있다. 즉, 플레이트(4100)의 단면은 '∨'형상을 갖는다. 이 경우 스택 프레임(4000) 상으로 낙하한 물은 플레이트(4100)의 중심선을 향해 유동되며, 중심선 상에 위치한 배수홀(4170)을 통해 하방으로 배출된다.
플레이트(4100)가 긴 방향으로의 중심선을 기준으로 각각 바깥측으로 하향하는 경사를 가진다면, 스택 프레임(4000)상으로 낙하한 물은 플레이트(4100)의 외곽측으로 유동되어 하방으로 배출될 수 있다. 또는 플레이트(4100)상으로 낙하한 물이 외곽측에 위치한 배수홀(4170)을 통해 하방으로 배출될 수도 있다. 이 경우, 플레이트(4100)의 단면은 '∧'형상을 갖는다.
도 26에 도시된 바와 같이, 다른 실시예에서는 플레이트(4100) 상면상에 배수로(4150)가 형성될 수 있다. 플레이트(4100)의 상면에 떨어진 물은 배수로(4150)를 통해 유동하다 홈부(4172)로 배출된다. 홈부(4172)는 플레이트(4100)의 외곽면의 일측에 형성될 수 있다. 배수로(4150)의 형상은 단면이 'U'자형이 되도록 형성될 수 있다. 배수로(4150)는 물이 고이는 지점을 지나도록 설계될 수 있다. 배수로(4150)는 스택 프레임(4000)과 연료 전지와의 결합 구조, 인서트 하드웨어(4200)의 위치를 고려하여 설계될 수 있다.
한편, 본 발명의 일실시예에 따른 스택 프레임(4000)은 모서리쪽 차체 연결 부분 또는 외곽 부분이 두껍게 형성됨으로써 플레이트(4100)의 내측으로 갈수록 하향하는 경사가 형성될 수 있다. 도 27에 도시된 바와 같이, 플레이트(4100)의 외곽측에 경사면이 위치하고, 경사면과 플레이트(4100)의 평면이 만나는 지점에 배수로(4150)가 형성된다. 배수로(4150) 상에는 배수홀(4170)이 형성될 수 있다. 연료 전지로부터 낙하된 물은 경사면을 따라 플레이트(4100) 측으로 유동하고, 배수로(4150)를 따라 유동하며 배수홀(4170)을 통해 스택 프레임(4000)의 하방으로 배출된다. 본 실시예에서 배수로(4150)는 직사각형 형태이나, 이에 한정하지 않으며, 스택 프레임(4000)의 구조에 따라 배수로(4150)는 다양하게 변형 가능하다.
도 28에 도시된 바와 같이, 다른 실시예에서는 스택 프레임(4000)의 상면에서 경사면을 따라 유동한 물이 배수로(4150)를 따라 내측으로 유동하여, 개구에 형성된 홈부(4172)를 통해 하방으로 배출될 수 있다. 플레이트(4100)의 내측에는 소정의 구배가 형성될 수 있다.
한편, 본 발명의 일실시예에 따른 스택 프레임(4000)은 외곽부에 리브가 형성되지 않은 형태일 수 있다. 이 경우 스택 프레임(4000)의 상면을 따라 유동하던 물은 스택 프레임(4000)의 외곽에서 하방으로 낙하하므로, 별도의 배수홀을 구비하지 않을 수 있다.
구체적으로, 스택 프레임(4000)은 플레이트(4100)의 상면에 일방향으로 구배가 형성될 수 있다. 스택 프레임(4000)이 장착되는 면(수평면)을 기준으로, 플레이트(4100)의 하면은 기준면과 평행하며, 플레이트(4100)의 상면은 기준면과 10° 이하의 경사를 형성한다. 즉, 플레이트(4100)의 일측의 두께가 타측보다 두껍게 형성되어 타측으로 갈수록 하강하는 경사면을 형성할 수 있다. 경사면을 따라 유동한 물은 스택 프레임(4000)의 외곽에서 하방으로 배출된다. 플레이트(4100)의 상면이 경사지더라도, 인서트 하드웨어의 높이를 동일하게 하여, 연료 전지가 기준면에 수평하게 장착될 수 있다.
다른 실시예에서는 플레이트(4100)가 긴 방향으로의 중심선을 기준으로 각각 바깥측으로 하향하는 경사를 가질 수 있다. 스택 프레임(4000)의 상면으로 낙하한 물은 스택 프레임(4000)의 외곽측으로 유동되어 하방으로 배출될 수 있다. 이 경우, 플레이트(4100)의 단면은 '∧'형상을 갖는다.
이상, 본 발명의 일 실시예에 대하여 설명하였으나, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서, 구성 요소의 부가, 변경, 삭제 또는 추가 등에 의해 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있을 것이며, 이 또한 본 발명의 권리범위 내에 포함된다고 할 것이다.
4000 : 스택 프레임 4100 : 플레이트
4150 : 배수로 4170 : 배수홀
4172 : 홈부 4200: 인서트 하드웨어

Claims (16)

  1. 상면에 경사면이 형성되며, 외주면을 따라 리브가 형성된 플레이트;
    상기 플레이트에 삽입되어 상기 플레이트와 일체로 형성되는 인서트 하드웨어; 및
    상기 플레이트에 인입되는 보강 부재;를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지용 스택 프레임.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 경사면은 일방향으로 형성된 것을 특징으로 하는 연료 전지용 스택 프레임.
  3. 제2항에 있어서
    상기 플레이트의 일측에 배수홀이 형성된 것을 특징으로 하는 연료 전지용 스택 프레임.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 경사면은 각각 상기 플레이트의 중심선으로부터 양단부로 갈수록 상향하는 제1 경사면 및 제2 경사면을 갖는 것을 특징으로 하는 연료 전지용 스택 프레임.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 플레이트의 중심선 상에 배수홀이 형성되는 것을 특징으로 하는 연료 전지용 스택 프레임.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 경사면은 각각 상기 플레이트의 중심선으로부터 양단부로 갈수록 하향하는 제1 경사면 및 제2 경사면을 갖는 것을 특징으로 하는 연료 전지용 스택 프레임.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 플레이트의 적어도 하나의 모서리 측에 배수홀이 형성되는 것을 특징으로 하는 연료 전지용 스택 프레임.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 경사면은 수평면과 10° 이하의 경사를 형성하는 것을 특징으로 하는 연료 전지용 스택 프레임.
  9. 외주면을 따라 리브가 형성되고, 상면에 적어도 하나의 배수로가 형성된 플레이트;
    상기 플레이트에 삽입되어 상기 플레이트와 일체로 형성되는 인서트 하드웨어; 및
    상기 플레이트에 인입되는 보강 부재;를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지용 스택 프레임.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 배수로 상에는 배수홀이 형성되는 것을 특징으로 하는 연료 전지용 스택 프레임.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 배수로는 상기 플레이트의 외주면까지 연장하며,
    상기 플레이트의 외주면에는 홈부가 형성되는 것을 특징으로 하는 연료 전지용 스택 프레임.
  12. 제9항에 있어서,
    상기 플레이트에는 개구가 형성되고,
    상기 배수로는 상기 플레이트의 상기 개구까지 연장하며,
    상기 개구의 일측면에 홈부가 형성되는 것을 특징으로 하는 연료 전지용 스택 프레임.
  13. 상면에 경사면이 형성된 플레이트;
    상기 플레이트에 삽입되어 상기 플레이트와 일체로 형성되는 인서트 하드웨어; 및
    상기 플레이트에 인입되는 보강 부재;를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지용 스택 프레임.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 경사면은 일방향으로 형성된 것을 특징으로 하는 연료 전지용 스택 프레임.
  15. 제13항에 있어서,
    상기 경사면은 각각 상기 플레이트의 중심선으로부터 양단부로 갈수록 하향하는 제1 경사면 및 제2 경사면을 갖는 것을 특징으로 하는 연료 전지용 스택 프레임.
  16. 제13항에 있어서,
    상기 경사면은 수평면과 10° 이하의 경사를 형성하는 것을 특징으로 하는 연료 전지용 스택 프레임.
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