KR101664547B1 - 연료전지용 스택 조립장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 수평면에 대해 소정의 기울기를 갖도록 마련되며, 내면에 스택 조립용 소재의 바닥면 및 측면이 지지되면서 상기 소재가 적층되는 카트리지; 상기 소재의 적층 정도에 따라 상기 카트리지의 위치를 변화시켜 상기 카트리지의 기울기를 가변하도록 구성된 기울기조절수단;을 포함하여 구성되는 연료전지용 스택 조립장치가 소개된다.

Description

연료전지용 스택 조립장치{APPARATUS FOR ASSEMBLING STACK FOR FUEL CELL}
본 발명은 연료전지용 스택에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 소재의 적층과정에서 발생하는 적층 오차를 최소화하여 스택 불량품 발생을 최소화하고 연료전지의 성능을 향상시키도록 한 연료전지용 스택 조립장치에 관한 것이다.
차량용 연료전지 스택은 다수의 셀이 직렬로 연결되는 구조로, 통상 수소와 산소의 화학반응을 이용하여 전기를 생성하고, 생성된 전기로 모터를 구동하게 된다.
이를 위해, 상기 스택을 이루는 단위 셀은 가스확산층이 양면에 접합된 MEA의 양면에 애노드 분리판과 캐소드 분리판이 배치되어 구성되며, 개개의 단위 셀이 반복 적층되어 스택이 구성된다.
상기한, 연료전지 스택을 적층하기 위한 방안으로, 수직의 카트리지에 애노드 분리판 - MEA - 캐소드 분리판 등의 소재를 적층하며, 각 소재는 수㎜ 이내의 오차를 갖으며 적층 구성된다.
이에 대한 종래 기술로서, 한국 공개특허공보 공개번호 10-2009-0062955호의 "연료전지용 스택 조립장치"가 소개된바 있다.
즉, 수직의 카트리지에 분리판 외곽 측면부의 가이드를 기준으로 소재를 순차적으로 적층하게 되며, 이때 대체적으로 정렬도 오차범위 5㎜ 이내로 정렬을 맞추며 소재를 적층할 수 있다.
그러나, 상기한 종래 기술은 가이드의 오차에 따라 정렬도 오차가 증가할 수 있는 문제가 있고, 또한 전면부와 후면부 사이의 공간에서 소재가 구속되지 않은 상태로 적층되기 때문에 작업자의 능력에 따라 정렬도의 편차가 커지는 문제가 있으며, 이는 곧 작업편차가 심해지는 결과로 이어지게 된다.
따라서, 이 같은 편차의 증대로 인해 연료전지 스택의 성능에 영향이 미치게 되고, 심지어 연료전지 스택의 파손을 초래하게 되는 문제도 있다.
상기의 배경기술로서 설명된 사항들은 본 발명의 배경에 대한 이해 증진을 위한 것일 뿐, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이미 알려진 종래기술에 해당함을 인정하는 것으로 받아들여져서는 안 될 것이다.
KR 10-2009-0062955 A JP 2004-335146 A
본 발명은 전술한 바와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출한 것으로, 소재의 적층과정에서 발생하는 적층 오차를 최소화하여 스택 불량품 발생을 최소화하고 연료전지의 성능을 향상시키도록 한 연료전지용 스택 조립장치를 제공하는 데 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 구성은, 수평면에 대해 소정의 기울기를 갖도록 마련되며, 내면에 스택 조립용 소재의 바닥면 및 측면이 지지되면서 상기 소재가 적층되는 카트리지; 상기 소재의 적층 정도에 따라 상기 카트리지의 위치를 변화시켜 상기 카트리지의 기울기를 가변하도록 구성된 기울기조절수단;을 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 기울기조절수단은, 상기 카트리지의 일단부를 중심으로 타단부가 상부 또는 하부로 회전됨으로써, 카트리지의 기울기가 가변되도록 구성될 수 있다.
상기 기울기조절수단은, 상기 카트리지의 일단부에 설치되며, 적층되는 소재의 중량을 측정하는 중량센서; 상기 카트리지의 타단부에 대해 회전 가능하게 연결되며, 이동동작에 따라 상기 카트리지 타단부의 높낮이가 조절되도록 구성된 높이조절기구; 상기 중량센서에서 측정된 소재의 중량이 입력되며, 입력된 소재의 중량에 상응하는 동작신호를 상기 높이조절기구에 인가하여, 수평면에 대한 카트리지의 기울기각도가 가변되도록 제어하는 제어부;를 포함할 수 있다.
상기 높이조절기구는, 일단부가 상기 카트리지의 타단부에 회전 가능하게 연결된 로드; 상기 로드의 타단부가 회전 가능하게 연결되며, 상기 카트리지의 일단부를 중심으로 하여 반경을 이루는 수평면 길이방향으로 직선 이동되도록 구성된 이동플레이트;를 포함할 수 있다.
상기 이동플레이트의 저면에 롤러가 구비되어, 상기 롤러가 이동플레이트 하부에 마련된 레일을 따라 이동될 수 있다.
상기 제어부에서는, 상기 소재의 중량에 대한 기울기각도의 관계를 구함으로써, 소재의 중량이 증가할수록 기울기각도가 작아지도록 제어하고, 소재의 중량이 감소할수록 기울기각도가 커지도록 제어할 수 있다.
상기 소재의 중량에 대한 기울기각도가 소정각도범위 내에서 제어될 수 있다.
상기 카트리지에 적층 가능한 소재의 총 허용중량이 설정되며, 총 허용중량 내의 중량별로 소정각도범위 내에서 기울기각도가 배분되어 기울기각도가 가변 제어될 수 있다.
상기 소정각도범위는 30~60°일 수 있다.
상기한 과제 해결수단을 통해 본 발명은, 소재가 적층되는 과정에서 기울기조절수단에 의해 카트리지의 기울기가 점차 변화되면서 소재가 적층됨으로써, 소재와 지지플레이트 사이는 물론, 소재와 가이드 사이의 접촉면이 유지되어, 선 공급된 소재와의 정렬불량을 감소시키고, 이로 인해 스택 제조를 위한 소재들의 정렬 품질이 매우 우수하여 스택 신뢰성이 증가하고 균일한 품질을 확보하는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 의한 연료전지용 스택 조립장치의 구성을 나타낸 도면.
도 2는 본 발명에 의한 연료전지용 스택 조립장치의 사용 및 미사용시의 적층 오차의 차이 발생 원리를 설명하기 위한 도면.
도 3은 본 발명에 의한 연료전지용 스택 조립장치에서 카트리지의 기울기각도를 제한하는 이유를 설명하기 위한 도면.
본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면에 의하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명에 의한 연료전지용 스택 조립장치의 구성을 나타낸 도면이며, 도 2는 본 발명에 의한 연료전지용 스택 조립장치의 사용 및 미사용시의 적층 오차의 차이 발생 원리를 설명하기 위한 도면이고, 도 3은 본 발명에 의한 연료전지용 스택 조립장치에서 카트리지의 기울기각도를 제한하는 이유를 설명하기 위한 도면이다.
본 발명의 연료전지용 스택 조립장치는 크게, 카트리지(10) 및 기울기조절수단을 포함하여 구성된다.
도 1을 참조하여, 본 발명을 구체적으로 살펴보면, 수평면에 대해 소정의 기울기를 갖도록 마련되며, 내면에 스택 조립용 소재의 바닥면 및 측면이 지지되면서 상기 소재가 적층되는 카트리지(10); 상기 소재의 적층 정도에 따라 상기 카트리지(10)의 위치를 변화시켜 상기 카트리지(10)의 기울기를 가변하도록 구성된 기울기조절수단;을 포함하여 구성된다.
여기서, 상기 소재는 스택의 조립에 필요한 애노드 분리판, MEA, 캐소드 분리판 등일 수 있다. 그리고, 상기 카트리지(10)는 내부에 상기 소재가 적층되도록 구성된 것으로, 지지플레이트(11)와, 가이드(13)를 포함하여 구성될 수 있다.
설명하면, 카트리지(10)의 하단부에 지지플레이트(11)가 구비되어 소재의 바닥면을 지지하며, 카트리지(10)의 상면부 및 하면부에 가이드(13)가 각각 구비되고, 특히 상기 하면부에 구비된 가이드(13)를 통해 카트리지(10) 내에 적층되는 소재의 측면을 지지할 수 있다. 그리고, 상기 지지플레이트(11)에는 소재의 적층 이전에 엔드플레이트가 우선하여 적층될 수 있다.
즉, 소재가 적층되는 카트리지(10)를 소정의 기울기를 갖도록 비스듬하게 기울인 상태에서 소재들을 순차적으로 적층함으로써, 상기 카트리지(10)에 적층되는 소재의 바닥면(지지플레이트(11)를 향한 면) 및 일측면(하부의 가이드(13)를 향한 측면)이 카트리지(10)의 내면에서 동시에 지지된다. 특히, 소재가 적층되는 과정에서 기울기조절수단에 의해 카트리지(10)의 기울기가 점차 변화되면서 소재가 적층됨으로써, 소재와 지지플레이트(11) 사이는 물론, 소재와 가이드(13) 사이의 접촉면이 유지되어, 선 공급된 소재와의 정렬불량을 감소시키게 된다.
그리고, 도 2의 하부에 도시된 바와 같이, 양쪽 가이드(13)를 모두 체결한 후, 소재를 투입하는 과정에서 발생하는 오차를 한쪽 가이드(13)에 최대한 밀착 후 적층함으로써, 상부에 도시된 기존 적층방식과 대비하여 정렬 편차가 1/10로 줄어듦을 확인할 수 있다.
따라서, 스택 제조를 위한 소재들의 정렬 품질이 매우 우수하여 스택 신뢰성이 증가하고 균일한 품질을 확보하게 된다.
본 발명에서, 상기 기울기조절수단은, 상기 카트리지(10)의 일단부를 중심으로 타단부가 상부 또는 하부로 회전됨으로써, 카트리지(10)의 기울기가 가변될 수 있다.
상기 기울기조절수단의 바람직한 예시로서, 상기 카트리지(10)의 일단부에 설치되며, 적층되는 소재의 중량을 측정하는 중량센서(15); 상기 카트리지(10)의 타단부에 대해 회전 가능하게 연결되며, 이동동작에 따라 상기 카트리지(10) 타단부의 높낮이가 조절되도록 구성된 높이조절기구(17); 상기 중량센서(15)에서 측정된 소재의 중량이 입력되며, 입력된 소재의 중량에 상응하는 동작신호를 상기 높이조절기구(17)에 인가하여, 수평면에 대한 카트리지(10)의 기울기각도가 가변되도록 제어하는 제어부(27);를 포함하여 구성될 수 있다.
즉, 소재의 무게를 측정할 수 있는 중량센서(15)가 지지플레이트(11)의 하단부에 설치됨으로써, 적층되는 소재의 중량을 측정하게 되며, 높이조절기구(17)가 상기 카트리지(10)의 상단부에 설치됨으로써, 측정된 중량에 맞추어 높이조절기구(17)를 동작시켜 카트리지(10)의 하단부를 중심으로 카트리지(10)의 상단부를 상부 또는 하부로 회전 이동시키게 된다.
따라서, 상기 높이조절수단의 동작에 의해 수평면과 카트리지(10)의 가이드(13)가 이루는 기울기각도가 조절됨으로써, 결국 카트리지(10)의 기울기를 가변 제어하게 된다.
상기 높이조절기구(17)는, 일단부가 상기 카트리지(10)의 타단부에 회전 가능하게 연결된 로드(19); 상기 로드(19)의 타단부가 회전 가능하게 연결되며, 상기 카트리지(10)의 일단부를 중심으로 하여 반경을 이루는 수평면 길이방향으로 직선 이동되도록 구성된 이동플레이트(21);를 포함하여 구성될 수 있다.
여기서, 상기 이동플레이트(21)의 저면에 롤러(23)가 구비되어, 상기 롤러(23)가 이동플레이트(21) 하부에 마련된 레일(25)을 따라 이동될 수 있다.
즉, 상기 소재의 중량이 증가하면, 제어부(27)에서는 상기 증가된 중량에 상응하는 동작신호를 상기 이동플레이트(21) 또는 롤러(23)에 인가하여 이동플레이트(21)가 후방으로 이동된다. 그러면, 상기 로드(19)의 상사점이 기구학적으로 하강하게 되면서, 기울기각도가 작아지게 된다.
반대로, 상기 소재의 중량이 감소하면, 제어부(27)에서 상기 감소된 중량에 상응하는 동작신호를 상기 이동플레이트(21) 또는 롤러(23)에 인가하여 이동플레이트(21)가 전방으로 이동된다. 그러면, 상기 로드(19)의 상사점이 기구학적으로 상승하게 되면서, 기울기각도가 커지게 된다.
여기서, 상기 이동플레이트(21) 또는 롤러(23)에는 상기 제어부로부터 동작신호를 인가받아 작동력을 제공하는 작동수단이 구비될 수 있으며, 상기 작동수단은 액추에이터일 수 있다.
이처럼, 상기 제어부(27)에서는, 상기 소재의 중량에 대한 기울기각도의 관계를 구함으로써, 소재의 중량이 증가할수록 기울기각도가 작아지도록 제어하고, 소재의 중량이 감소할수록 기울기각도가 커지도록 제어할 수 있다.
이때, 상기 소재의 중량에 대한 기울기각도가 소정각도범위 내에서 제어될 수 있다. 여기서, 상기 소정각도범위는 30~60°일 수 있다.
상기 소재의 중량에 대한 기울기각도의 관계에 대해 설명하면, 상기 카트리지(10)에 적층 가능한 소재의 총 허용중량이 설정되며, 총 허용중량 내의 중량별로 소정각도범위 내에서 기울기각도가 배분되어 기울기각도가 가변 제어될 수 있는 것이다.
이하에서는, 상기 카트리지(10)의 기울기각도를 가변하면서 적층하는 원리 및 이유를 부연하여 설명한다.
도 3의 상부 도면과 같이, 1개의 분리판 두께는 보통 1.7mm 내외이며, 분리판은 통상 금속소재 이루어져 있어, 가공된 금속 분리판은 스프링백 현상에 의해 내부의 잔류 응력이 존재하여 소재 자체의 변형이 1.5mm 정도로 생기게 된다. 이로 인해 분리판 하부와 측면부의 지지점 중 어느 한 부분만 구속을 하게 되면 다른 부분의 자유도가 발생하여 정렬에 나쁜 영향을 준다.
이에, 본 발명에서는 카트리지(10)를 기울어지게 배치한 상태에서 분리판(소재)을 적층함으로써, 분리판의 바닥면 및 측면을 동시에 구속하게 되는바, 상기한 편차 발생 현상을 방지하게 된다.
그런데, 특정각도를 유지하면서 소재를 지속적으로 적층시, 소재의 중량이 증가할수록 그 무게 중심이 달라지게 되는 문제가 있다.
즉, 소재의 측면부만 규제를 하면서 적층을 진행하면, 도 3의 하부에 도시된 도면과 같이, 가이드(13) 반대면의 분리판이 조금씩 뜨게 되면서 수십 미리의 누적 공차가 발생하며, 결국에는 분리판이 버티지 못하고 가이드(13) 쪽으로 쓰러지는 문제가 발생되는 것이다.
따라서, 본 발명에서는 소재의 중량이 증대됨에 따라 이를 토대로 하여 소재의 중량별로 기울기각도를 가변 제어하도록 기울기각도의 관계식을 도출하여 기울기각도를 가변 제어하는 것이다.
여기서, 상기 관계식은 기울기각도의 소정각도범위와, 소재의 총 허용중량을 고려하여 기울기각도가 도출될 수 있으며, 아래와 같이 나타낼 수 있다.
θ =(m2)-(bm)+c
(단, θ의 값은 항상 양수, m은 소재의 중량, b,c는 상수임)
즉, 본 발명의 예시로서, 최초 소재의 θ값이 60°에서 적층을 시작하며, 이때 가이드(13)와 소재가 완전히 접촉된 상태에 있게 된다. 이어서, 카트리지(10) 내에 순차적으로 소재를 적층하면서 θ값이 30°가 될 때, 최종 소재 공급을 완료하게 된다.
여기서, θ값은 소재가 적층된 무게로서 제어하며, 카트리지(10)에 공급된 소재 총 허용중량(40kg)를 배분하여 θ값이 30°에서 60°사이의 각도 내에서 균등하게 제어된다. 그리고, 소재의 공급이 끝난 후 반대편 가이드(13)를 채워 소재의 움직임을 최소화한 후 적정각도에서 프레싱을 실시할 수 있다.
상기 소정각도범위가 30~60°로 설정되는 이유를 살펴보면, 카트리지(10)의 기울기각도가 0°인 경우, 수직 방향으로 모든 중력이 작용하여 소재와 하부면과의 마찰력이 최대이지만, 소재의 적층시 측면부 규제가 어려워진다.
반대로, 카트리지(10)의 기울기각도가 90°인 경우, 측면부의 밀착에 의한 마찰력은 최대가 되지만 하부면과의 마찰력이 줄어들게 되면서 분리판 전체가 쓰러질 수 있게 되는바, 최소한의 측면 규제를 실시하면서 분리판의 적절한 적층을 위해 최소 기울기각도를 30°로 설정하고, 최대 기울기각도를 60°로 설정하는 것이다.
한편, 본 발명은 상기한 구체적인 예에 대해서만 상세히 설명되었지만 본 발명의 기술사상 범위 내에서 다양한 변형 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속함은 당연한 것이다.
10 : 카트리지 11 : 지지플레이트
13 : 가이드 15 : 중량센서
17 : 높이조절기구 19 : 로드
21 : 이동플레이트 23 : 롤러
25 : 레일 27 : 제어부

Claims (9)

  1. 수평면에 대해 소정의 기울기를 갖도록 마련되며, 내면에 스택 조립용 소재의 바닥면 및 측면이 지지되면서 상기 소재가 적층되는 카트리지;
    상기 소재의 적층된 양에 따라 상기 카트리지의 위치를 변화시켜 상기 카트리지의 기울기를 가변하도록 구성된 기울기조절수단;을 포함하고,
    상기 기울기조절수단은,
    상기 카트리지의 일단부에 설치되며, 적층되는 소재의 중량을 측정하는 중량센서;
    상기 카트리지의 타단부에 대해 회전 가능하게 연결되며, 이동동작에 따라 상기 카트리지 타단부의 높낮이가 조절되도록 구성된 높이조절기구;
    상기 중량센서에서 측정된 소재의 중량이 입력되며, 입력된 소재의 중량에 상응하는 동작신호를 상기 높이조절기구에 인가하여, 수평면에 대한 카트리지의 기울기각도가 가변되도록 제어하는 제어부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 스택 조립장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 높이조절기구는,
    일단부가 상기 카트리지의 타단부에 회전 가능하게 연결된 로드;
    상기 로드의 타단부가 회전 가능하게 연결되며, 상기 카트리지의 일단부를 중심으로 하여 반경을 이루는 수평면 길이방향으로 직선 이동되도록 구성된 이동플레이트;를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 스택 조립장치.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 이동플레이트의 저면에 롤러가 구비되어, 상기 롤러가 이동플레이트 하부에 마련된 레일을 따라 이동되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 스택 조립장치.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 제어부에서는,
    상기 소재의 중량에 대한 기울기각도의 관계를 구함으로써, 소재의 중량이 증가할수록 기울기각도가 작아지도록 제어하고, 소재의 중량이 감소할수록 기울기각도가 커지도록 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 스택 조립장치.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 소재의 중량에 대한 기울기각도가 소정각도범위 내에서 제어되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 스택 조립장치.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 카트리지에 적층 가능한 소재의 총 허용중량이 설정되며, 총 허용중량 내의 중량별로 소정각도범위를 이루는 기울기각도가 배분되어 기울기각도가 가변 제어되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 스택 조립장치.
  9. 청구항 7에 있어서,
    상기 소정각도범위는 30~60°인 것을 특징으로 하는 연료전지용 스택 조립장치.
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