KR100957367B1 - 연료전지 스택 자동 기밀 검수 장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 연료전지 스택 자동 기밀 검수 장치 및 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 연료전지 스택의 조립을 위한 적층공정과 기밀공정이 동시에 진행될 수 있도록 단순화되어 구성된 연료전지 스택 자동 기밀 검수 장치 및 방법에 관한 것이다.

이를 위하여 본 발명은 연료전지 스택 자동 기밀 검수 장치에 있어서,

회전수단과 승강수단이 장착되어 180° 간격으로 회전되고 소정 높이까지 승강되는 턴테이블; 일정수의 셀들이 적층되며 상기 턴테이블의 일측에 장착되는 제1 가이드박스; 상기 턴테이블 상에 장착되되 상기 제1 가이드박스와 서로 마주보도록 장착되는 제2 가이드박스; 상기 제2 가이드박스의 상측에 장착구성되는 기밀용 프레스;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택 자동 기밀 검수 장치를 제공한다.

연료전지, 스택, 셀, 적층, 기밀, 조립

Description

연료전지 스택 자동 기밀 검수 장치 및 방법{Automatic airtight testing system for fuel cell stack and method thereof}

본 발명은 연료전지 스택 자동 기밀 검수 장치 및 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 연료전지 스택의 조립을 위한 적층공정과 기밀공정이 동시에 진행될 수 있도록 단순화되어 구성된 연료전지 스택 자동 기밀 검수 장치 및 방법에 관한 것이다.

일반적으로 연료전지 시스템은 연료가 가지고 있는 화학에너지를 연소에 의해 열로 바꾸지 않고 연료전지 스택 내에서 전기화학적으로 직접 전기에너지로 변환시키는 일종의 발전 시스템이다.

상기 연료전지 시스템은 크게 전기에너지를 발생시키는 연료전지 스택, 연료전지 스택에 연료(수소)를 공급하는 연료공급 시스템, 연료전지 스택에 전기화학반응에 필요한 산화제인 공기 중의 산소를 공급하는 공기공급 시스템, 연료전지 스택의 반응열을 시스템 외부로 제거하고 연료전지 스택의 운전온도를 제어하는 열/물 관리 시스템으로 구성된다.

이러한 구성으로 연료전지 시스템에서는 연료인 수소와 공기 중의 산소에 의한 전기화학반응에 의해 전기를 발생시키고, 반응부산물로 열과 물을 배출하게 된다.

상기 연료전지 스택은 단위 셀을 반복적으로 적층하여 쌓은 전기에너지 발생 장치이며, 이때 단위 셀은 수소와 산소가 반응하여 전기에너지를 발생시키기 위한 최소한의 연료전지 구성요소이다.

이러한 단위 셀 구조는 분리판, 가스확산층(Gas Diffusion Layer, GDL), 막전극접합체(Membrane Electrode Assembly, 이하 MEA라 칭함)가 적층된 구조이고, MEA와 양 분리판 사이의 가장자리 부분에 개재되는 가스켓을 구비하며, 상기 MEA와 가스켓이 접착제에 의하여 연결된다.

상기와 같이 연료전지 스택을 제작하기 위해서는 MEA와 분리판 등 단위 셀의 구성요소들을 반복적으로 적층하는 공정이 필요하며, 종래 연료전지 스택의 적층 공정은 사람의 손에 의해 이루어졌다.

그러나, 이와 같이 인력으로 작업을 하는 경우에는 적층하는 사람에 따라 작업시간은 물론 연료전지 스택의 성능까지 달라지는 문제가 있으며, 과다한 인력 낭비와 비효율적인 생산, 대량 생산의 어려움 등 여러 문제가 있었다.

첨부한 도 3은 종래 연료전지 스택 자동 기밀 검수 장치를 포함하는 자동 조립 설비의 일실시 예를 도시한 구성도로서, '가'부는 분리판과 MEA를 공급하는 공급부이고 '나'부는 공급된 분리판과 MEA를 적층한 다음 기밀시험을 실시하는 적층/ 기밀검수부이며, '다'부는 최종적으로 스택을 적층하는 최종 적층부이다.

이와 같은 종래 연료전지 스택용 자동 조립 설비는 '가'부에서 분리판과 MEA가 공급되면 '나'부에서 이를 적층하여 일정수의 셀로 구성되는 스택을 형성하고 상기 스택에 대한 기밀시험을 실시한다.

'나'부에 적층/기밀검수부는 적층된 스택을 90° 회전시킨 다음 압축을 가하고 기밀을 시험하게 되고, 기밀시험을 통과한 스택들은 다시 90° 회전되어 일정하게 적층된 후 체결되어 모듈화된다.

그러나, 상기 '나'부와 같은 종래 자동 기밀 검수 장치는 적층된 셀들에 대한 기밀공정을 실시하는데 있어서 90°간격으로 이동하면서 4단계로 구분된 공정을 진행하기 때문에 공정이동시간이 증가되어 전체 조립 시간이 길어지는 문제점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 발명한 것으로서, 180° 회전되는 턴테이블을 이용하여 적층공정과 기밀공정 간에 이동단계를 축소시켜 공정을 단순화하고, 적층공정과 기밀공정이 동시에 진행되도록 구성되어 전체 조립시간을 단축시키는 연료전지 스택 자동 기밀 검수 장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위해 본 발명은 연료전지 스택 자동 기밀 검수 장치에 있어서,

회전수단과 승강수단이 장착되어 180° 간격으로 회전되고 소정 높이까지 승강되는 턴테이블; 일정수의 셀들이 적층되며 상기 턴테이블의 일측에 장착되는 제1 가이드박스; 상기 턴테이블 상에 장착되되 상기 제1 가이드박스와 서로 마주보도록 장착되는 제2 가이드박스; 가이드박스에 적층된 셀들에 대한 기밀공정을 실시하는 기밀부의 상측에 위치되는 기밀용 프레스;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택 자동 기밀 검수 장치를 제공한다.

그리고, 상기 가이드박스들은 상단이 개구된 박스형으로 형성되되, 하단면이 측면에 대해 승강되도록 승강수단이 장착되어 형성된다.

또한, 연료전지 스택 자동 기밀 검수 방법에 있어서,

턴테이블의 일측 적층부에 위치된 제1 가이드박스에 일정수의 셀들이 적층되면 상기 턴테이블이 180° 회전하여 상기 제1 가이드박스가 턴테이블의 타측 기밀부로 이동하는 단계;

상기 턴테이블이 승강수단에 의해 상기 기밀부 상측에 장착된 기밀용 프레스의 상판까지 상승하면, 상기 제1 가이드박스의 하단면이 측면에 대해 상승하여 상기 셀들을 일정하게 가압하고 상기 기밀용 프레스가 기밀시험을 실시하는 단계;

를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택 자동 기밀 검수 방법도 제공한다.

바람직하게, 상기 제1 가이드박스가 기밀부로 이동되어 기밀시험을 실시하는 동안 상기 기밀부에서 적층부로 이동한 제2 가이드박스가 일정수의 셀들을 적층하는 단계;

상기 기밀부에서 기밀시험이 완료되고 상기 제2 가이드박스에 일정수의 셀들이 적층완료되면 상기 턴테이블이 하강한 다음 180° 회전하여 상기 제2 가이드박스를 기밀부로 이동시키는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하며,

더욱 바람직하게, 상기 가이드박스들은 상단이 개구된 박스형으로 형성되되 하단면이 측면에 대해 승강하도록 승강수단이 장착되어 형성되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 연료전지 스택 자동 기밀 검수 장치는 일정수로 적층된 셀들의 기밀공정을 위한 이동단계가 단축되어 공정 간에 이동시간이 감소되고, 적층공정과 기밀공정이 동시에 진행됨에 따라 연료전지 스택의 전체 조립시간을 단축할 수 있는 효과가 있다.

또한, 기존에 비해 그 구성이 단순화됨에 따라 제작비용이 절감되는 효과도 있다.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것 으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니며, 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함한다.

본 발명의 실시 예로는 다수 개가 존재할 수 있으며, 설명에 있어서 종래의 기술과 동일한 부분에 대하여 중복되는 설명은 생략되는 것도 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조로 하여 본 발명의 바람직한 일실시 예를 상세하게 설명한다.

첨부한 도 1은 본 발명에 따라 바람직하게 구현된 연료전지 스택 자동 기밀 검수 장치의 일실시 예를 도시한 구성도 및 평면도이고, 도 2a ~ 도 2f는 본 발명에 따른 자동 기밀 검수 장치의 작동상태를 도시한 동작도이다.

본 발명에 따라 바람직하게 구현된 연료전지 스택 자동 기밀 검수 장치는 적층공정이 실시되는 적층부(A)에 위치한 가이드박스를 180°회전이동시켜 기밀부(B)에 위치시키고 기밀공정을 실시하되, 상기 가이드박스에 적층된 셀들(50)에 대한 기밀공정이 진행되는 동안 상기 적층부(A)로 이동된 다른 가이드박스에는 적층작업이 진행되어 연료전지 스택의 전체 조립시간을 단축하게 된다.

이를 위하여 본 발명의 일실시 예는 도 1에 도시된 바와 같이, 회전가능한 턴테이블(10)의 일측 즉, 적층부(A)에 전(前) 공정에 의해 일정수의 셀(50)이 적층되는 제1 가이드박스(20)가 장착되고, 상기 제1 가이드박스(20)로부터 180° 이동한 위치 즉, 기밀부(B)에 제2 가이드박스(30)가 장착된다.

그리고, 상기 기밀부(B)의 상측에는 상기 셀들(또는 스택)(50)의 기밀시험을 수행하기 위한 기밀용 프레스(40)가 위치되며, 상기 기밀용 프레스(40)는 그 상판에 6개의 구멍이 형성되어 일정압력을 수소와 공기, 냉각수 등을 분사하여 스택의 기밀시험을 실시할 수 있도록 한다.

상기 턴테이블(10)은 180°간격으로 회전하기 위한 회전수단이 장착되고, 상기 셀들(50)을 상기 기밀용 프레스(40) 측으로 상승시키기 위해 승강동작이 가능하게 구성되며 이를 위한 승강수단으로 에어실린더가 장착된다.

그리고, 상기 가이드박스(20,30)는 상단이 개구된 박스형으로 형성되되 그 하단면이 측면에 대해 승강가능하게 구성되어, 내부에 적층되는 스택을 지지하면서 상하로 이동가능하도록 한다.

상기 적층부(A)에서 적층공정이 완료되어 도 2a에 도시된 바와 같이 일정수의 셀들이 상기 제1 가이드박스(20)에 수납적층되면 기밀공정을 수행하기 위해 도 2b와 같이 상기 턴테이블(10)이 180°회전하게 되고 이에 따라 상기 제1 가이드박스(20)가 기밀부(B)로 이동되고, 도 2c에 도시된 바와 같이 적층된 다수의 셀들이 압축되어 기밀시험이 진행된다.

여기서, 상기 적층부와 기밀부는 적층공정과 기밀공정이 이루어지는 작업위치로 해석되어, 적층작업이 이루어지는 턴테이블(10)의 좌측부분(도 1 참조)이 항시 적층부(A)가 되고, 기밀공정이 진행되는 턴테이블(10)의 우측부분이 항상 기밀부(B)가 되어, 턴테이블(10)이 회전하더라도 그 위치가 교번되지 않게 된다.

즉, 본 발명의 일실시 예에서 상기 적층부(A)와 기밀부(B)는 턴테이블(10) 상에 일부분을 지칭하는 것이 아니라 적층공정과 기밀공정이 이루어지는 작업위치를 가리킨다.

이하, 상기와 같이 구성된 본 발명에 따른 일실시 예의 작동상태를 설명하면 다음과 같다.

도 2a에 도시된 바와 같이, 적층부에 위치한 제1 가이드박스에 전(前) 공정에 의해 분리판과 MEA로 구성되는 일정수의 셀(예를 들면, 약 30셀 정도)(50)이 적층완료되면, 제어부의 제어에 따라 도 2b에 도시된 바와 같이 턴테이블(10)이 180° 회전하여 상기 제1 가이드박스(20)가 기밀부(B)로 이동되고, 회전이 완료되면 도 2c에 도시된 바와 같이 상기 턴테이블(10)이 상승하여 제1 가이드박스(20)를 기밀용 프레스(40)의 상판 위치까지 상승시켜 밀착시킨다.

다음, 상기 제1 가이드박스(20)의 하단면이 상승하면서 내부에 적층된 스택(50)을 밀어올리게 되고, 상승된 스택(50)은 기밀용 프레스(40)의 상판에 접하게 되면서 일정하게 압축된다.

상기 스택(50)은 일정하게 가압되면서 수소, 공기, 냉각수 유로의 매니폴드에 상기 기밀용 프레스(40)의 상판 구멍에서 일정 압력으로 분사되는 수소, 공기 및 냉각수를 가압하여 기밀시험을 실시하고 기밀시험을 통과한 스택은 도 2e에 도시된 바와 같이 다음 공정으로 이송된다.

한편, 상기와 같이 제1 가이드박스(20)가 기밀부(B)로 이동하여 기밀공정을 수행하는 동안, 적층부(A)로 이동된 제2 가이드박스(30)에는 도 2c에 도시된 바와 같이 적층공정에 의해 분리판과 MEA가 순차적으로 적층된다.

상기 제2 가이드박스(30)에 일정수의 셀들이 적층되고 상기 기밀부(B)에서 기밀공정이 완료되면, 상기 턴테이블(10)은 도 2d와 같이 하강한 다음 다시 180° 회전하여 도 2f에 도시된 바와 같이 제2 가이드박스(30)를 기밀부(B)로 이동시켜 기밀공정을 수행하도록 하고, 이와 동시에 적층부(A)로 이동된 제1 가이드박스(20)에는 도 2a와 같이 분리판과 MEA가 수납되어 다시 일정수의 셀들(50)이 적층된다.

이와 같이 본 발명은 상기 제1 가이드박스(20)와 제2 가이드박스(30)의 위치가 상기 턴테이블(10)의 회전에 따라 교번되고, 스택이 적층된 가이드박스가 기밀부(B)로 이동되어 기밀공정을 수행하는 동안 다른 가이드박스는 적층부(A)로 이동되어 적층공정에 의해 적층되는 다수의 셀을 수납하게 된다.

따라서, 본 발명에 따른 자동 기밀 검수 장치는 적층부(A)에서 적층된 일정수의 셀들이 기밀부(B)로 이동되어 기밀공정이 실시되는 동시에 상기 적층부(A)에서는 다시 적층작업이 실시되며, 기밀공정의 작업시간과 적층공정의 작업시간을 동일하게 하여 연료전지 스택의 조립시간을 단축하여 최적화할 수 있다.

이상에서는 본 발명을 특정의 바람직한 실시 예에 대하여 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 이러한 실시 예에 한정되지 않으며, 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 실시할 수 있는 다양한 형태의 실시 예들을 모두 포함한다.

도 1은 본 발명에 따라 바람직하게 구현된 연료전지 스택 자동 기밀 검수 장치의 일실시 예를 도시한 구성도 및 평면도,

도 2a ~ 도 2f는 본 발명에 따른 자동 기밀 검수 장치의 작동상태를 도시한 동작도,

도 3은 종래 연료전지 스택 자동 기밀 검수 장치를 포함하는 자동 조립 설비의 일실시 예를 도시한 구성도.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

10 : 턴테이블 20 : 제1 가이드박스

30 : 제2 가이드박스 40 : 기밀용 프레스

Claims (5)

1. 연료전지 스택 자동 기밀 검수 장치에 있어서,

   회전수단과 승강수단이 장착되어 180° 간격으로 회전되고 소정 높이까지 승강되는 턴테이블;

   일정수의 셀들이 적층되며 상기 턴테이블의 일측에 장착되는 제1 가이드박스;

   상기 턴테이블 상에 장착되되 상기 제1 가이드박스와 서로 마주보도록 장착되는 제2 가이드박스;

   가이드박스에 적층된 셀들에 대한 기밀공정을 실시하는 기밀부의 상측에 위치되는 기밀용 프레스;

   를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택 자동 기밀 검수 장치.
2. 청구항 1에 있어서,

   상기 가이드박스들은 상단이 개구된 박스형으로 형성되되, 하단면이 측면에 대해 승강되도록 승강수단이 장착되어 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택 자동 기밀 검수 장치.
3. 연료전지 스택 자동 기밀 검수 방법에 있어서,

   턴테이블의 일측 적층부에 위치된 제1 가이드박스에 일정수의 셀들이 적층되면 상기 턴테이블이 180° 회전하여 상기 제1 가이드박스가 턴테이블의 타측 기밀부로 이동하는 단계;

   상기 턴테이블이 승강수단에 의해 상기 기밀부 상측에 장착된 기밀용 프레스의 상판까지 상승하면, 상기 제1 가이드박스의 하단면이 측면에 대해 상승하여 상기 셀들을 일정하게 가압하고 상기 기밀용 프레스가 기밀시험을 실시하는 단계;

   를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택 자동 기밀 검수 방법.
4. 청구항 3에 있어서,

   상기 제1 가이드박스가 기밀부로 이동되어 기밀시험을 실시하는 동안 상기 기밀부에서 적층부로 이동한 제2 가이드박스가 일정수의 셀들을 적층하는 단계;

   상기 기밀부에서 기밀시험이 완료되고 상기 제2 가이드박스에 일정수의 셀들이 적층완료되면 상기 턴테이블이 하강한 다음 180° 회전하여 상기 제2 가이드박스를 기밀부로 이동시키는 단계;

   를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택 자동 기밀 검수 방법.
5. 청구항 3 또는 청구항 4에 있어서,

   상기 가이드박스들은 상단이 개구된 박스형으로 형성되되 하단면이 측면에 대해 승강하도록 승강수단이 장착되어 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택 자동 기밀 검수 방법.

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