KR100931129B1 - 연료전지스택 조립기용 로터리 테이블 유니트 - Google Patents

연료전지스택 조립기용 로터리 테이블 유니트 Download PDF

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Abstract

본 발명은 연료전지스택의 조립을 위한 단위셀 적층시 자동화 개념을 도입하여 조립작업의 효율성을 향상시킬 수 있는 연료전지스택 조립기용 로터리 테이블 유니트에 관한 것이다.
본 발명은 연료전지스택을 자동으로 제작하기 위하여 스택의 구성품인 분리판과 MEA를 직교로봇으로 자동 적층할 수 있고, 적층 완료된 스택의 기밀 테스트를 자동으로 수행할 수 있는 새로운 형태의 자동화 시스템을 구현함으로써, 작업의 사이클 타임을 단축할 수 있는 등 조립작업의 효율성을 향상시킬 수 있는 연료전지스택 조립기용 로터리 테이블 유니트를 제공한다.
연료전지스택, 조립기, 분리판, MEA, 스택 파렛트, 로타리 테이블, 리크 테스트

Description

연료전지스택 조립기용 로터리 테이블 유니트{Rotary table unit for fuel battery stack assembly machine}
본 발명은 연료전지스택 조립기용 로터리 테이블 유니트에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 연료전지스택의 조립을 위한 단위셀 적층시 자동화 개념을 도입하여 조립작업의 효율성을 향상시킬 수 있는 연료전지스택 조립기용 로터리 테이블 유니트에 관한 것이다.
일반적으로 연료전지스택은 단위셀을 반복적으로 적층하여 쌓은 전기에너지 발생장치로서, 도 1에 도시한 바와 같이, 양쪽 분리판의 사이에 MEA(5-Layer)가 배치되는 구조로 이루어져 있다.
여기서, 상기 분리판은 연료전지의 연료가 되는 수소 및 공기(산소), 냉각수 공급을 위한 것으로서, 표면에 유로가 가공되어 있으며 전기를 전달할 수 있도록 흑연 또는 금속으로 제작된다.
또한, 상기 MEA는 연료전지에서 반응가스(수소, 공기)의 반응이 일어나고 수 소이온을 이동시켜 전기를 발생시키는 것으로서, 두개의 전극촉매층과 양자교환막으로 이루어진다.
또한, 상기 단위셀에는 가스확산층(GDL)이 포함되는데, 이것은 분리판에서 공급되는 반응가스를 MEA에 균일하게 분산시키며, 반응생성수와 가습수를 효율적으로 제거시키는 기능과 분리판 및 MEA 사이에서 전자 이동의 전기전도 기능도 담당한다.
이러한 연료전지스택은 단위셀을 반복적으로 적층하여 쌓은 형태로 조립되는데, 보통 수작업에 의존하는 관계로 조립작업시 많은 시간이 소요되는 단점이 있고, 또 정확히 정렬된 상태로 쌓는데 한계가 있는 등 전체적인 조립작업의 효율성이 떨어지는 문제가 있다.
따라서, 본 발명은 이와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로서, 연료전지스택을 자동으로 제작하기 위하여 스택의 구성품인 분리판과 MEA를 직교로봇으로 자동 적층할 수 있고, 적층 완료된 스택의 기밀 테스트를 자동으로 수행할 수 있는 새로운 형태의 자동화 시스템을 구현함으로써, 작업의 사이클 타임을 단축할 수 있는 등 조립작업의 효율성을 향상시킬 수 있는 연료전지스택 조립기용 로터리 테이블 유니트를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지스택 조립기용 로터리 테이블 유니트는 90°간격으로 배치되며 적층 로봇에 의해 제공되는 분리판과 MEA를 교차로 적층시키는 4개의 스택 파렛트, 상기 스택 파렛트를 저부에서 지지하며 모터를 동력으로 하여 스택 파렛트를 회전시켜주는 로터리 테이블, 상기 로터리 테이블의 한쪽 옆에서 포스트상에 설치되며 스택 파렛트의 회전궤적선상에 위치되어 어느 한 위치에서 스택에 대한 가압 및 리크 테스트를 수행하는 에어 프레스 등을 포함하는 형태로 이루어진 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 스택 파렛트는 적층되는 분리판과 MEA의 하중을 받쳐주는 플레이트, 상기 플레이트의 양옆에서 수직으로 나란하게 배치되고 적층 완료된 스택의 측면을 잡아주는 한쌍의 그립퍼, 상기 그립퍼의 구동을 위한 실린더 및 안내를 위 한 가이드 등으로 구성될 수 있다.
또한, 상기 로터리 테이블의 경우 테이블 구동을 위한 모터 및 기어박스, 스택 파렛트의 설치를 위한 프레임 구조물, 상기 프레임 구조물을 받쳐주는 부분으로 기어박스측에서 제공되는 동력을 받아 프레임 구조물을 회전시켜주는 회전 블록 등을 포함하는 형태를 적용할 수 있다.
종래의 수작업 스택제작을 자동화 공정으로 수행할 수 있도록 해주는 본 발명의 연료전지스택 조립기용 로터리 테이블 유니트는 다음과 같은 효과가 있다.
1) 스택 파렛트를 그립퍼 구동방식으로 구현함으로써 그립퍼 작동시 스택의 측면에 밀착되어 스택을 자동으로 정렬할 수 있고, 따라서 적층 정렬도를 향상시킬 수 있다.
2) 그립퍼가 구동할 수 있는 충분한 공간을 둠으로써 소재 크기의 변동에 대응할 수 있고, 따라서 장치의 유연성을 확보할 수 있다.
3) 로터리 테이블 유니트에 의해 적층 완료된 스택은 리크 테스트(Leak test) 공정으로 운반되고, 동시에 비어 있는 스텍 파렛트가 적층 공정에 위치됨으로써 리크 테스트 공정과 적층 공정을 동시에 수행할 수 있고, 따라서 공정 사이클 타임을 단축할 수 있다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 로터리 테이블 유니트를 포함하는 연료전지스택 조립기를 나타내는 사시도이다.
도 2에 도시한 바와 같이, 상기 연료전지스택 조립기는 연료전지스택의 구성품인 분리판과 MEA를 직교로봇을 이용하여 자동으로 적층하고, 적층 완료된 스택의 리크 테스트를 수행할 수 있는 장치이다.
이를 위하여, 조립기의 중앙에는 스택 파렛트(10) 및 로터리 테이블(11)이 배치되고, 우측에는 워크 공급부(24) 및 자동 적층부(25)가 배치되고, 좌측에는 모듈 스택 적층/체결부(26)가 배치되고, 뒷쪽으로는 에어 프레스(21)가 배치된다.
상기 워크 공급부(24)는 분리판과 MEA를 적층하기 위한 부품 위치 결정용 카트리지에 분리판과 MEA를 정렬하여 적재하는 부분으로서, 여기서는 분리판에 부착된 실(Seal) 재 간의 점착을 방지하기 위한 간지를 분리판 사이에 삽입하는 공정도 이루어진다.
상기 자동 적층부(25)는 카트리지에 적층된 분리판과 MEA를 직교로봇이 취출하게 되며, 분리판 사이의 간지는 별도의 동작에 의해 제거된다.
작업자가 입력한 1회 적층 수량에 따라 직교로봇이 분리판과 MEA를 교차로 적층하는 공정이 이루어진다.
취성이 큰 분리판과 유연한 재질의 MEA를 취출하고 적층하는 픽커는 진공을 이용하여 전면을 흡착할 수 있다.
적층 정밀도는 적층용 가이드를 이용하여 유지한다.
상기 로터리 테이블(11)은 입력된 수량의 분리판과 MEA를 적층 후 90°회전하여 1차 리크 테스트 공정으로 이동시킨다.
여기서는 리크 테스트와 분리판 적층을 동시에 수행할 수 있다.
상기 에어 프레스(21)는 1차 리크 테스트 공정을 수행하는 부분이다.
스택 내부에는 전기를 발생시키기 위한 연료(수소, 공기)가 공급되고, 공급된 연료의 산화, 환원 반응에 의해 전기가 발생되는 과정에서 반응열을 냉각하기 위한 냉각수가 흐르게 된다.
따라서, 연료로서 공급된 가연성 물질인 수소가 외부로 누설될 경우, 안전 문제와 스택 내부에서 반응해야 할 연료의 양이 줄어들게 되므로서, 연료전지의 출력이 저하되는 현상이 발생한다.
또한, 냉각수가 누설될 경우 전지에서 발전된 전기의 누전이 일어날 수 있으므로 연료전지스택은 엄격한 기밀성이 요구된다.
그러므로, 스택 적층 후 반드시 기밀 검사를 거친 후 체결하여 스택을 조립하게 된다.
에어 프레스에서는 스택의 기밀 신뢰성을 높이기 위해 일정한 수량의 분리판과 MEA를 적층 후 1차 기밀 테스트를 수행하며, 이때의 기밀 테스트와 관련한 구체적인 방식은 공지의 방식을 적용할 수 있다.
상기 모듈 스택 적층/체결부(26)는 1차 기밀 테스트를 마친 단위 스택들을 수동으로 2차 가압장치로 이동시킨 후 집전판과 체결 유니트가 하강하여 가압 후 2 차 기밀검사를 수행 및 체결하는 작업을 수행한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지스택 조립기용 로터리 테이블 유니트를 나타내는 사시도이다.
도 3에 도시한 바와 같이, 상기 로터리 테이블 유니트는 스택 파렛트(10), 로터리 테이블(11), 에어 프레스(21) 등을 포함하며, 분리판과 MEA를 적층하는 공정과 적층된 스택의 에어 리크 테스트를 하는 공정을 동시에 수행할 수 있다.
상기 스택 파렛트(10)는 분리판과 MEA가 교차로 적층되는 부분으로서, 로터리 테이블(11)의 구성부품인 프레임 구조물(18)의 4면을 이용하여 설치되며, 이에 따라 전체적으로 볼 때 4세트의 스택 유니트(10)가 90°간격으로 배치된 형태가 된다.
상기 로터리 테이블(11)은 스택 파렛트(10)를 포함하는 프레임 구조물(18) 전체를 회전시켜주는 부분으로서, 스택 파렛트(10)의 저부에 설치되고, 동력원으로 모터를 사용한다.
상기 에어 프레스(21)는 스택 파렛트(10)에 적층된 스택이 로터리 테이블(11)에 의해 회전되어 운반되면 가압 및 리크 테스트를 시행하는 부분으로서, 스택 파렛트(10)의 회전궤적선상에 위치되어 어느 한 위치에서 스택에 대한 가압 및 리크 테스트를 수행할 수 있다.
이를 위하여, 에어 프레스(21)는 포스트(20)에 설치되는 프레스 실린더(23)와, 상기 프레스 실린더(23)의 로드에 설치되어 스택 상부를 가압하는 프레스 다이(22a) 및 스택 하부를 가압하는 프레스 다이(22b)를 포함한다.
이러한 에어 프레스(21)에는 리크 테스트를 위한 통상의 장치(미도시)가 구비될 수 있고, 프레스 실린더(23)의 작동에 따른 2개의 프레스 다이(22a),(22b)로 스택을 가압한 상태에서 리크 테스트가 수행될 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지스택 조립기용 로터리 테이블 유니트에서 스택 파렛트를 나타내는 사시도이다.
도 4에 도시한 바와 같이, 상기 스택 파렛트(10)는 적층되는 분리판과 MEA의 하중을 받쳐주면서 상승 및 하강이 가능한 플레이트(12), 상기 플레이트(12)의 양옆에서 수직으로 나란하게 배치되면서 실린더 작동에 의해 동작되어 적층 완료된 스택의 측면을 잡아주는 한쌍의 그립퍼(13), 그립퍼(13)의 구동을 위해 그립퍼(13)의 후면에 그 로드를 연결하면서 프레임 구조물(18)측에서 연장되는 판체상에 고정설치되는 실린더(14), 그립퍼(13)의 후면에 연결 설치되어 그립퍼 이동시 안내를 하는 4개의 봉 형태의 가이드(15) 등을 포함한다.
이에 따라, 스택 파렛트(10)에는 분리판과 MEA가 교차로 적층되면서 적층 정밀도를 유지하면서 적층되고, 이렇게 적층 완료된 스택은 그립퍼(13)에 의해 밀착 고정되어 에어 프레스측으로 운반된다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지스택 조립기용 로터리 테이블 유니트에서 스택 파렛트와 로터리 테이블의 배치 형태를 나타내는 사시도이다.
도 5에 도시한 바와 같이, 프레임 구조물(18)의 4면에는 각각의 스택 파렛트(10)가 설치되고, 이때의 프레임 구조물(18)은 그 저부의 회전 블록(19)상에 지지되며, 회전 블록(19)의 일측에는 모터(16) 및 기어박스(17)가 연결 설치된다.
여기서, 상기 기어박스(17)는 모터의 회전운동을 회전 블록(19)의 회전운동으로 전동하기 위해 내부가 벨트와 기어 조합 구조로 되어 있다.
이에 따라, 모터(16) 및 기어박스(17)측에서 동력이 제공되면 회전 블록(19)이 회전되고, 결국 스택 파렛트(10)를 포함하는 프레임 구조물(18) 전체가 회전될 수 있다.
예를 들면, 도 6에 도시한 바와 같이, 1단계에서 모터(16) 및 기어박스(17)에 의해 회전 블록(19)이 회전되고, 2단계에서 회전 블록(19)의 회전이 프레임 구조물(18)에 전동되므로서, 3단계에서 스택 파렛트(10)의 회전으로 이어지면서 스택이 공정간 이동된다.
도 7a 내지 7f는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지스택 조립기용 로터리 테이블 유니트의 작동상태를 나타내는 사시도이다.
1단계에서는 자동 적층부(25)의 직교로봇에 의해 분리판 및 MEA가 교대로 스택 파렛트(10)측에 공급된다(도 7a).
2단계에서는 1회 적층 수량에 따라 스택 파렛트(10)에 분리판 및 MEA가 반복 적층되면서 적층이 완료된다(도 7b).
3단계에서는 스택 파렛트(10)의 그립퍼(13)가 동작하여 적층되어 있는 분리판 및 MEA의 양측면이 밀착 고정된다(도 7c).
4단계에서는 스택 파렛트(10)의 플레이트(12)가 하강하여 회전시 간섭을 피할 수 있게 된다(도 7d).
5단계에서는 로터리 테이블(11)의 90°회전에 의해 스택 모듈이 리크 테스트 공정을 수행하는 에어 프레스(21) 영역으로 운반된다(도 7e).
6단계에서는 에어 프레스(21)의 작동에 의해 스택 모듈이 가압되고, 이 상태에서 리크 테스트가 진행된다(도 7f).
이와 같이, 위의 1단계 내지 6단계가 연속 사이클 형태로 반복되면서 스택 적층 공정 및 리크 테스트 공정이 동시에 연속 자동화 공정으로 수행된다.
도 1은 일반적인 연료전지스택 구조를 나타내는 사시도
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 로터리 테이블 유니트를 포함하는 연료전지스택 조립기를 나타내는 사시도
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지스택 조립기용 로터리 테이블 유니트를 나타내는 사시도
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지스택 조립기용 로터리 테이블 유니트에서 스택 파렛트를 나타내는 사시도
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지스택 조립기용 로터리 테이블 유니트에서 스택 파렛트와 로터리 테이블의 배치 형태를 나타내는 사시도
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지스택 조립기용 로터리 테이블 유니트에서 스텍 파렛트의 회전관계를 나타내는 사시도
도 7a 내지 7f는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지스택 조립기용 로터리 테이블 유니트의 작동상태를 나타내는 사시도
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
10 : 스택 파렛트 11 : 로터리 테이블
12 : 플레이트 13 : 그립퍼
14 : 실린더 15 : 가이드
16 : 모터 17 : 기어박스
18 : 프레임 구조물 19 : 회전 블록
20 : 포스트 21 : 에어 프레스
22a,22b : 프레스 다이 23 : 프레스 실린더
24 : 워크 공급부 25 : 자동 적층부
26 : 모듈 스택 적층/체결부

Claims (4)

  1. 90°간격으로 배치되며 적층 로봇에 의해 제공되는 분리판과 MEA를 교차로 적층시키는 4개의 스택 파렛트(10)와, 상기 스택 파렛트(10)를 저부에서 지지하며 모터를 동력으로 하여 스택 파렛트(10)를 회전시켜주는 로터리 테이블(11)을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지스택 조립기용 로터리 테이블 유니트.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 스택 파렛트(10)는 적층되는 분리판과 MEA의 하중을 받쳐주는 플레이트(12)와, 상기 플레이트(12)의 양옆에서 수직으로 나란하게 배치되고 적층 완료된 스택의 측면을 잡아주는 한쌍의 그립퍼(13)와, 상기 그립퍼(13)의 구동을 위한 실린더(14) 및 안내를 위한 가이드(15)를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 연료전지스택 조립기용 로터리 테이블 유니트.
  3. 청구항 1에 있어서, 상기 로터리 테이블(11)은 테이블 구동을 위한 모터(16) 및 기어박스(17)와, 스택 파렛트(10)의 설치를 위한 프레임 구조물(18)과, 상기 프레임 구조물(18)을 받쳐주는 부분으로 기어박스(17)측에서 제공되는 동력을 받아 프레임 구조물(18)을 회전시켜주는 회전 블록(19)을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지스택 조립기용 로터리 테이블 유니트.
  4. 청구항 1에 있어서, 상기 로터리 테이블(11)의 한쪽 옆에서 포스트(20)상에 설치되며 스택 파렛트(10)의 회전궤적선상에 위치되어 어느 한 위치에서 스택에 대한 가압 및 리크 테스트를 수행하는 에어 프레스(21)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지스택 조립기용 로터리 테이블 유니트.
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KR20040111461A (ko) * 2002-04-03 2004-12-31 쓰리엠 이노베이티브 프로퍼티즈 컴파니 연료 전지 막 웨브를 정밀하게 위치 설정된 막 시트로변환시키는 장치 및 방법
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