KR100986484B1 - 연료전지 스택 자동 적층 장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 연료전지 스택의 양산을 위한 연료전지 스택 자동 적층 장치 및 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 분리판과 MEA를 공급하는 공급부와 이를 적층하는 적층부를 일직선상에 배열구성하여 단위 셀의 적층 시간을 단축함으로써 연료전지 스택의 조립 시간을 단축시키는 연료전지 스택 자동 적층 장치 및 방법에 관한 것이다.

이를 위하여 본 발명은 분리판과 MEA가 적층되어 구성되는 단위 셀이 다수로 적층되어 제작되는 연료전지 스택 자동 적층 장치에 있어서,

분리판 캐소드, 분리판 애노드, MEA가 다수로 각각 공급되는 캐소드 카트리지, 애노드 카트리지, MEA 카트리지가 일직선상에 배열되어 구성되는 공급부;

상기 카트리지들과 일직선상에 배열되며, 상기 분리판 캐소드, 분리판 애노드, MEA가 순차적으로 적층되는 적층가이드박스로 구성되는 적층부;

상기 분리판 캐소드, 분리판 애노드, MEA를 상기 적층부로 이송하는 직교로봇;을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택 자동 적층 장치를 제공한다.

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Description

연료전지 스택 자동 적층 장치 및 방법{Automatic stacking system for fuel cell stack and method thereof}

본 발명은 연료전지 스택의 양산을 위한 연료전지 스택 자동 적층 장치 및 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 분리판과 MEA를 공급하는 공급부와 이를 적층하는 적층부를 일직선상에 배열구성하여 단위 셀의 적층 시간을 단축함으로써 연료전지 스택의 조립 시간을 단축시키는 연료전지 스택 자동 적층 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 스택 의 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.
한편, 연료전지 스택의 적층구조는 단일 분리판을 적층하는 구조와 애노드/캐소드 두 개로 분리되어 있는 분리판을 적층하는 구조로 나뉠 수 있다.
상기 분리판이 애노드/캐소드 두 개로 분리되어 있는 경우, 두 개의 분리판은 가스켓을 이용하여 접착되며, 두 분리판의 사이면(접착면)은 냉각수 유로로 활용된다.
이렇게 두 개의 분리판을 사용하여 연료전지 스택을 적층하는 구조는 공지의 기술로서, 미국특허 등록번호 06939639호, 일본 특개2005-276582호, 한국 특허 10-0837904호 등에 개시되어 있다.

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 적층 장치를 포함하는 자동 조립 설비의 일실시 예를 도시한 구성도로서, '가'부는 분리판과 MEA를 공급하는 공급부이 고 '나'부는 공급된 분리판과 MEA를 적층한 다음 기밀시험을 실시하는 적층/기밀검수부, '다'부는 최종적으로 스택을 적층하는 최종 적층부이다.

이와 같은 종래 연료전지 스택 자동 적층 장치는 분리판과 MEA가 담겨있는 카트리지가 '가'부에 횡방향으로 나란하게 배치되며, 2축 직교로봇을 이용하여 분리판과 MEA를 흡착한 다음 종방향으로 이동하여 '나'부에 턴테이블 상에 교번시켜 적층한다.

이렇게 적층되어 다수의 셀로 구성된 스택은 90° 회전되어 압축된 후 기밀시험을 실시하게 되고, 기밀시험을 통과한 스택들은 다시 90° 회전되어 일정하게 적층된 후 체결되어 모듈화된다.

그러나, 상기와 같은 종래 자동 적층 장치는 분리판과 MEA를 적층하기 위해 상기 2축 직교로봇이 종과 횡 두 방향으로 이동해야 하므로 적층시간이 길어져 전체 조립시간이 연장되는 문제가 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 발명한 것으로서, 분리판과 MEA가 적층되는 적층부를 그 공급부와 일직선상에 배치하여 직교로봇이 일방향으로만 이동하여도 로딩 및 적층이 가능함으로써 적층시간 및 조립시간이 단축되는 연료전지 스택 자동 적층 장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위해 본 발명은 분리판과 MEA가 적층되어 구성되는 단위 셀이 다수로 적층되어 제작되는 연료전지 스택 자동 적층 장치에 있어서,

분리판 캐소드, 분리판 애노드, MEA가 다수로 각각 공급되는 캐소드 카트리지, 애노드 카트리지, MEA 카트리지가 일직선상에 배열되어 구성되는 공급부;

상기 카트리지들과 일직선상에 배열되며, 상기 분리판 캐소드, 분리판 애노드, MEA가 순차적으로 적층되는 적층가이드박스로 구성되는 적층부;

상기 분리판 캐소드, 분리판 애노드, MEA를 상기 적층부로 이송하는 직교로봇;을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택 자동 적층 장치를 제공한다.

그리고, 상기 직교로봇은 상기 분리판 캐소드, 분리판 애노드, MEA를 각각 흡착하는 흡입수단들이 상기 카트리지에 대응되어 장착되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 MEA 카트리지, 애노드 카트리지, 캐소드 카트리지와 적층가이드박스가 순차적으로 배열되어 구성되는 것을 특징으로 하며,

상기 카트리지와 적층가이드박스는 상단이 개구된 박스형으로 형성되되, 하단면이 측면에 대해 승강되도록 승강수단이 장착되어 구성되는 것을 특징으로 한다.

한편, 본 발명은 연료전지 스택 자동 적층 방법에 있어서,

직교로봇에 장착한 흡입수단들이 일직선상에 배열된 다수의 카트리지에서 MEA, 분리판 애노드, 분리판 캐소드를 동시에 각각 흡착하는 단계;

상기 직교로봇이 일방향으로 이동하여 MEA, 분리판 애노드, 분리판 캐소드를 상기 카트리지들과 일직선상에 배열된 적층부로 이송하는 단계;

상기 분리판 캐소드를 흡착한 흡입수단이 상기 적층부 위에 도착하여 분리판 캐소드를 상기 적층부의 적층가이드박스에 안착시키는 단계;

상기 분리판 애노드를 흡착한 흡입수단이 상기 적층부 위에 도착하여 상기 분리판 캐소드 위에 안착시키는 단계;

상기 MEA를 흡착한 흡입수단이 상기 적층부 위에 도착하여 상기 분리판 애노드 위에 안착시키는 단계;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택 자동 적층 방법도 제공한다.

여기서, 상기 MEA 카트리지, 애노드 카트리지, 캐소드 카트리지와 적층가이드박스를 순차적으로 배열하는 것을 특징으로 하며,

상기 카트리지와 적층가이드박스는 그 측면에 대해 하단면이 승강되도록 하는 승강수단이 장착구성되어 상기 승강수단이 내부에 적층되는 MEA, 분리판 애노드, 분리판 캐소드를 일정 높이로 밀어올리는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 직교로봇이 분리판 캐소드의 간지를 버린 다음 적층부로 이동하고, 동시에 상기 분리판 애노드의 간지를 버리는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 연료전지 스택 자동 적층 장치는 분리판과 MEA 적층부가 공 급부와 일직선상에 배치되어 직교로봇이 일방향으로만 이동하여도 로딩 및 적층이 가능하여 적층시간이 기존에 대해 약 1/2까지 단축되며, 이에 따라 연료전지 스택의 양산이 가능해지는 효과가 있다.

또한, 분리판과 MEA의 적층이 자동화됨에 따라 적층시 발생하게 되는 불량율을 약 0.5% 이내까지 감소시킬 수 있고, 인건비 절감으로 제작비가 절감되며, 작업자에 따른 품질 편차를 제거할 수 있다.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 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 구현된 연료전지 스택 자동 적층 장치의 일실시 예를 개략적으로 도시한 구성도이고, 도 2는 본 발명에 따른 자동 적층 장치의 작동상태를 도시한 동작흐름도이다.

본 발명에 따라 바람직하게 구현된 연료전지 스택 자동 적층 장치는 MEA와 분리판을 공급하는 공급부(A)와 이를 적층하는 적층부(B)가 일직선상에 배열 구성 되어 상기 MEA와 분리판을 이송하는 직교로봇(40)이 일방향으로만 이동하며 작업이 가능하다.

이를 위하여 본 발명의 일실시 예는 도 1에 도시된 바와 같이, 단위 셀의 구성요소를 공급하는 공급부(A)가 5 layer MEA(이하, MEA로 칭함)(12)가 다수로 공급되는 MEA 카트리지(22)와, 다수의 분리판 애노드(11)를 공급하는 애노드 카트리지(21)와, 다수의 분리판 캐소드(10)를 공급하는 캐소드 카트리지(20)로 분류되어 구성되고, 상기 카트리지들은 단위 셀의 적층순서에 따라 일직선상에 나란하게 배열된다.

즉, 단위 셀이 분리판 캐소드(10), 분리판 애노드(11), MEA(12) 순으로 적층되는 바에 따라 상기 MEA 카트리지(22), 애노드 카트리지(21), 캐소드 카트리지(20) 순으로 좌측에서 우측으로 배열된다.

그리고, 상기 MEA(12)와 분리판(10,11)이 적층되는 적층가이드박스(30)로 구성되는 적층부(B)가 상기 공급부(A)의 카트리지들과 동일한 일직선상에 나란하게 배열되어 구성되되 상기 캐소드 카트리지(20)의 우측에 일정 간격을 두고 배치된다.

상기 적층가이드박스(30)는 상단이 개구된 박스형으로 형성되되 적층되는 셀들을 안정적으로 지지하는 측면에 대해 하단면이 승강할 수 있도록 구성되고 이를 위한 승강수단으로 에어실린더가 장착되어, 내부에 적층되는 셀과 일정 간격을 유지하여 이 셀들이 안정적으로 수납되도록 상기 하단면이 승강하게 된다.

한편, 상기 MEA와 분리판의 이송을 위한 직교로봇(40)은 상기 공급부(A)의 상측에 수직하게 장착되어 도 2와 같이 횡방향으로 이동한다.

즉, 상기 직교로봇(40)은 일직선상에 배열된 공급부(A)와 적층부(B)를 따라 일방향으로만 이동하기 때문에 일축 직교로봇으로 구성되는 것이 가능하다.

그리고, 상기 직교로봇(40)은 각 카트리지에서 MEA와 분리판을 흡착하기 위하여 진공펌프와 흡착판으로 구성되는 흡입수단(50,51,52)이 장착되며, 상기 흡입수단은 각 카트리지에 대응되는 위치에 장착 구성된다.

상기 카트리지는 상단이 개구된 박스형으로 형성되되 하단면이 측면에 대해 승강할 수 있도록 구성되고 이를 위한 승강수단으로 에어실린더가 장착된다. 그리고, 이 승강수단에 의해 상기 카트리지의 내부에 적층되어 있는 각 부품들(MEA와 분리판 애노드 및 분리판 캐소드)이 일정 높이로 상승되어 상기 흡입수단과의 간격이 일정하게 유지된다.

이를 위하여 상기 흡입수단은 MEA를 흡착하는 MEA 흡입수단(52)과, 분리판 애노드를 흡착하는 애노드 흡입수단(51)과, 분리판 캐소드를 흡착하는 캐소드 흡입수단(50)으로 구성되고, 이 흡입수단들을 장착한 직교로봇(40)은 상기 MEA와 분리판을 흡착하여 적층부(B)로 이송한다.

한편, 상기 분리판은 각 카트리지에 공급시 한 번에 대략 100~200장까지 공급되고, MEA는 500장까지 공급이 가능하며 모두 카트리지 방식으로 공급된다.

또한, 상기 분리판은 흑연분리판과 금속분리판 모두 사용 가능하며 기밀을 위한 가스켓이 가장자리에 부착되는데, 상기 가스켓은 접착성이 우수한 재질로 서로 들러붙어 분리판들이 접착될 수 있으므로, 이를 방지하기 위하여 분리판들 사이 에 임시로 간지를 끼워넣는다.

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

먼저, 도 2의 첫번째 도면과 같이 각 카트리지(22,21,20)에 MEA(12)와 분리판 애노드(11) 및 분리판 캐소드(10)가 공급되고, 도 2의 두번째와 세번째 도면과 같이 각 흡입수단(52,51,50)이 하방에 놓인 각 부품들을 동시에 흡착하여 들어올린다.

그럼, 직교로봇(40)이 도 2의 네번째 도면과 같이 우측으로 이동하여 적층부(B) 측으로 부품들을 이송하게 되고, 캐소드 흡입수단(50)이 상기 적층부(B) 위에 도착되면 분리판 캐소드(10)가 탈락되어 적층부(B)의 적층가이드박스(30)에 놓이게 된다.

이때, 상기 직교로봇(40)은 분리판 캐소드(10)의 간지를 버린 다음 적층부(A)로 이송하여 적층가이드박스(30)에 안착시키고, 이와 동시에 분리판 애노드(11)의 간지를 버린다.

상기 분리판 캐소드(10)의 적층이 완료되면 도 2의 다섯번째 도면과 같이 상기 직교로봇(40)은 애노드 흡입수단(51)이 상기 적층부(B)에 도착할 때까지 다시 우측으로 이동하고, 상기 애노드 흡입수단(51)이 적층부(B) 위에 도착되면 먼저 안착된 분리판 캐소드(10) 위에 상기 분리판 애노드(11)를 안착시킨다.

다음, 도 2의 여섯번째 도면과 같이, 상기 직교로봇(40)은 또 다시 우측으로 이동하여 MEA 흡입수단(52)이 상기 적층부(B) 위에 도착되면 먼저 안착된 상기 분 리판 애노드(11) 위에 MEA(12)를 안착시킨다.

이러한 작업을 수십 차례 반복하여 다수(대략 25~35정도)의 셀이 자동으로 적층되면, 압축 및 기밀시험 등을 위한 다음 공정으로 이동되어 스택 제조과정이 진행된다.

본 발명은 상기와 같이 단위 셀을 구성하는 MEA와 분리판 등을 자동으로 반복 적층하여 연료전지 스택의 조립을 위한 적층 시간을 단축하게 된다.

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 구현된 연료전지 스택 자동 적층 장치의 일실시 예를 개략적으로 도시한 구성도,

도 2는 본 발명에 따른 자동 적층 장치의 작동상태를 도시한 동작흐름도,

도 3은 종래 연료전지 스택 자동 적층 장치를 포함하는 자동 조립 설비를 도시한 구성도.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

10 : 분리판 캐소드 11 : 분리판 애노드

12 : MEA 20 : 캐소드 카트리지

21 : 애노드 카트리지 22 : MEA 카트리지

30 : 적층가이드박스 40 : 직교로봇

50 : 캐소드 흡입수단 51 : 애노드 흡입수단

52 : MEA 흡입수단

Claims (8)

1. 분리판과 MEA가 적층되어 구성되는 단위 셀이 다수로 적층되어 제작되는 연료전지 스택 자동 적층 장치에 있어서,

   분리판 캐소드, 분리판 애노드, MEA가 다수로 각각 공급되는 캐소드 카트리지, 애노드 카트리지, MEA 카트리지가 일직선상에 배열되어 구성되는 공급부;

   상기 카트리지들과 일직선상에 배열되며, 상기 분리판 캐소드, 분리판 애노드, MEA가 순차적으로 적층되는 적층가이드박스로 구성되는 적층부;

   상기 분리판 캐소드, 분리판 애노드, MEA를 상기 적층부로 이송하는 직교로봇;

   을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택 자동 적층 장치.
2. 청구항 1에 있어서,

   상기 직교로봇은 상기 분리판 캐소드, 분리판 애노드, MEA를 각각 흡착하는 흡입수단들이 상기 카트리지에 대응되어 장착되는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택 자동 적층 장치.
3. 청구항 1에 있어서,

   상기 MEA 카트리지, 애노드 카트리지, 캐소드 카트리지와 적층가이드박스가 순차적으로 배열되어 구성되는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택 자동 적층 장치.
4. 청구항 1 또는 청구항 3에 있어서,

   상기 카트리지와 적층가이드박스는 상단이 개구된 박스형으로 형성되되, 하단면이 측면에 대해 승강되도록 승강수단이 장착되어 구성되는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택 자동 적층 장치.
5. 연료전지 스택 자동 적층 방법에 있어서,

   직교로봇에 장착한 흡입수단들이 일직선상에 배열된 다수의 카트리지에서 MEA, 분리판 애노드, 분리판 캐소드를 동시에 각각 흡착하는 단계;

   상기 직교로봇이 일방향으로 이동하여 MEA, 분리판 애노드, 분리판 캐소드를 상기 카트리지들과 일직선상에 배열된 적층부로 이송하는 단계;

   상기 분리판 캐소드를 흡착한 흡입수단이 상기 적층부 위에 도착하여 분리판 캐소드를 상기 적층부의 적층가이드박스에 안착시키는 단계;

   상기 분리판 애노드를 흡착한 흡입수단이 상기 적층부 위에 도착하여 상기 분리판 캐소드 위에 안착시키는 단계;

   상기 MEA를 흡착한 흡입수단이 상기 적층부 위에 도착하여 상기 분리판 애노드 위에 안착시키는 단계;

   를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택 자동 적층 방법.
6. 청구항 5에 있어서,

   상기 MEA 카트리지, 애노드 카트리지, 캐소드 카트리지와 적층가이드박스를 순차적으로 배열하는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택 자동 적층 방법.
7. 청구항 5에 있어서,

   상기 카트리지와 적층가이드박스는 그 측면에 대해 하단면이 승강되도록 하는 승강수단이 장착구성되어 상기 승강수단이 내부에 적층되는 MEA, 분리판 애노드, 분리판 캐소드를 일정 높이로 밀어올리는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택 자동 적층 방법.
8. 청구항 5에 있어서, 상기 직교로봇이 분리판 캐소드의 간지를 버린 다음 적층부로 이동하고, 동시에 상기 분리판 애노드의 간지를 버리는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택 자동 적층 방법.

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