KR102187460B1 - 연료전지 스택용 적층 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일 실시예는 연료전지 부품들을 적층할 때, 적층 정도를 향상시키고, 연료전지 부품들을 적층하여 가압 체결하여 반출할 때, 연료전지들에 소재 긁힘이 방지되는 연료전지 스택용 적층 장치를 제공하는 것이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 스택용 적층 장치는, 프레임 및 베이스에 고정되어 연료전지 부품의 정렬을 안내하는 외부 가이드, 상기 외부 가이드에 내장되고 상기 프레임 내에서 승강하면서 측방으로 이동되어 상기 연료전지 부품의 측면을 지지하는 내부 가이드, 및 상기 프레임의 하부에서 상기 베이스에 장착되어 상기 내부 가이드를 승강시키고 상기 내부 가이드를 상기 연료전지 부품으로부터 분리 또는 밀착시키는 가이드 조절장치를 포함한다.

Description

연료전지 스택용 적층 장치 {STACKING APPARATUS FOR FUEL CELL STACK}
본 발명은 연료전지 스택용 적층 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 연료전지 부품들을 적층하고 가압 체결하여 이송하는 데 사용되는 연료전지 스택용 적층 장치에 관한 것이다.
알려진 바와 같이, 연료전지 스택은 연료전지들에 의한 수소와 산소의 전기 화학적인 반응을 통해 전기 에너지를 발생시키는 일종의 발전 장치로서, 일례로 연료전지 차량에 적용되고 있다.
연료전지 스택은 수 백 단위의 연료전지(단위 셀)들이 연속적으로 배열된 전기 발생 집합체로 이루어진다. 연료전지는 막-전극 어셈블리(MEA, membrane electrode assembly)를 사이에 두고 이의 양측에 분리판이 배치된 구성으로 이루어진다. 연료전지들은 가압된 상태에서 엔드 플레이트 및 체결수단을 통해 체결될 수 있다.
이와 같은 연료전지 스택은 연료전지들을 하나씩 적층하고, 그 적층된 연료전지들을 상하 측의 엔드 플레이트 사이에 두고 프레스로 가압하며, 체결수단을 통해 엔드 플레이트를 체결하는 공정으로서 제작될 수 있다.
기존에는 연료전지들을 소정의 가이드 기구를 통해 수작업으로 일괄 적층하거나 소 모듈 단위로 분할 적층하고 그 소 모듈 단위의 연료전지들을 수작업으로 적층하여 연료전지 스택을 제작하고 있다.
따라서 기존에는 연료전지들을 적층, 가압 및 체결하는데 따른 전반적인 사이클 타임 측면에서 불리하고, 연료전지들의 적층 정도 면에서 신뢰성이 저하될 수 있다.
기존에는 스택을 가이드 기구에서 반출하기 위하여, 가이드를 분리해야 하고, 가이드의 반복적인 움직임으로 인하여 연료전지들의 적층 정도가 저하되고, 가이드 기구로부터 스택을 반출할 때, 연료전지들에 소재 긁힘이 발생될 수 있다.
이 배경기술 부분에 기재된 사항은 발명의 배경에 대한 이해를 증진하기 위하여 작성된 것으로서, 이 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이미 알려진 종래기술이 아닌 사항을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예는 연료전지 부품들을 적층할 때, 적층 정도를 향상시키고, 연료전지 부품들을 적층하여 가압 체결하여 반출할 때, 연료전지들에 소재 긁힘이 방지되는 연료전지 스택용 적층 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 스택용 적층 장치는, 프레임 및 베이스에 고정되어 연료전지 부품의 정렬을 안내하는 외부 가이드, 상기 외부 가이드에 내장되고 상기 프레임 내에서 승강하면서 측방으로 이동되어 상기 연료전지 부품의 측면을 지지하는 내부 가이드, 및 상기 프레임의 하부에서 상기 베이스에 장착되어 상기 내부 가이드를 승강시키고 상기 내부 가이드를 상기 연료전지 부품으로부터 분리 또는 밀착시키는 가이드 조절장치를 포함한다.
상기 프레임은 상기 베이스 상에 이격 배치될 수 있다.
상기 가이드 조절장치는, 상기 프레임의 하부에 중심 힌지로 장착되어 상기 내부 가이드에 제1단으로 연결되는 링크, 및 상기 베이스에 장착되고 상기 링크의 제2단에 연결되어 상기 링크를 통하여 상기 내부 가이드를 승강시키며 상기 연료전지 부품으로부터 분리 또는 밀착시키는 풀러를 포함할 수 있다.
상기 외부 가이드는 아래에서 위로 올라가면서 내측에서 외측으로 안내되는 슬롯 구멍을 구비하고, 상기 내부 가이드는 상기 슬롯 구멍에 핀으로 결합되어 상기 외부 가이드 내에서 승강하면서 외측과 내측으로 상호 이동될 수 있다.
상기 슬롯 구멍은 상기 외부 가이드를 따라 복수로 구비되고, 상기 핀은 상기 슬롯 구멍에 대응하여 복수로 구비될 수 있다.
상기 풀러는 상기 베이스에 장착되고, 상기 링크의 제2단에 결합홈으로 결합되는 에어 실린더로 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 스택용 적층 장치는, 상기 풀러에 구비되는 돌기와 상기 베이스 사이에 구비되어 상기 풀러를 탄성적으로 지지하는 탄성부재를 더 포함할 수 있다.
상기 링크의 상기 제1단과 중심 힌지 사이의 제1거리는, 상기 링크의 상기 제2단과 중심 힌지 사이의 제2거리보다 더 짧을 수 있다.
이와 같이 본 발명의 일 실시예는, 가이드 조절장치(풀러와 링크)로 내부 가이드를 하강시키면 연료전지 부품(분리판 부품과 MEA 시트 부품)의 측면에 밀착되므로 연료전지 부품을 가이드하여 정렬하고, 정렬된 연료전지 부품들을 가압하여 체결한 후 완성된 스택을 반출할 때, 내부 가이드를 스택으로부터 분리시키므로 스택(연료전지 부품들)의 소재 긁힘을 방지할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 스택용 적층 장치의 사시도이다.
도 2는 도 1에서 베이스와 프레임 내부에 구비된 링크와 풀러의 결합 상태도이다.
도 3은 도 1의 연료전지 스택용 적층 장치에 연료전지 부품이 적층된 상태의 정면도이다.
도 4는 도 3의 측면도이다.
도 5는 도 3의 상태에서 내부 가이드가 스택에 밀착된 상태의 평면도이다.
도 6은 슬롯 구멍에서 핀이 하강된 상세도이다.
도 7은 도 3의 상태에서 링크와 풀러의 작동 상태도이다.
도 8은 도 1의 연료전지 스택용 적층 장치에서 완성된 스택이 리프트 된 상태의 정면도이다.
도 9는 도 8의 측면도이다.
도 10은 슬롯 구멍에서 핀이 상승된 상세도이다.
도 11은 도 8의 상태에서 내부 가이드가 스택으로부터 분리된 상태의 평면도이다.
도 12는 도 8의 상태에서 링크와 풀러의 작동 상태도이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 붙였다.
본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 스택용 적층 장치는 다수 매의 연료전지 부품들을 순차적으로 적층하고, 그 적층된 연료전지 부품들을 가압하며, 상하 측의 엔드 플레이트와 함께 연료전지 부품들을 체결하는 공정을 통해 연료전지 스택(1, 도 11 참조)을 조립하고, 완성된 스택(1)을 리프트 하여 반출하는 공정에 사용될 수 있다.
연료전지 스택(1)은 연속적으로 적층된 연료전지 부품들(101, 도 6 참조)과, 연료전지 부품들(101)의 상하 측에 배치되는 엔드 플레이트(102, 도 6 참조, 103, 도 11 참조)와, 연료전지 부품들(101)을 사이에 두고 상하 측의 엔드 플레이트(102, 103)를 체결하는 체결바(미도시)를 포함한다.
연료전지 부품들(101)은 음극 금속 분리판 및 양극 금속 분리판이 상호 접합된 분리판 부품과, 막-전극 어셈블리(MEA)의 양측 면에 가스 확산층이 각각 접합된 MEA시트 부품을 포함한다. 연료전지 부품들(101)은 다수 매의 분리판 부품 및 MEA시트 부품이 순차적으로 연속하여 적층되어 연료전지 스택(1)을 구성할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 스택용 적층 장치의 사시도이고, 도 2는 도 1에서 베이스와 프레임 내부에 구비된 링크와 풀러의 결합 상태도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 일 실시예의 연료전지 스택용 적층 장치는 하부의 베이스(10), 상부의 프레임(20), 외부 가이드(30), 내부 가이드(40), 가이드 조절장치(예를 들면, 링크(50) 및 풀러(puller)(60))를 포함한다.
연료전지 스택용 적층 장치는 연료전지 부품들(101, 도 6 참조)을 적층하는 적층 공정에 사용되고, 적층된 연료전지 부품들(101)을 가압하여 체결한 후, 완성된 연료전지 스택(1)을 반출하는 가압 체결 공정에 사용된다.
또한, 연료전지 스택용 적층 장치는 적층 공정에서 적층된 연료전지 부품들(101)을 가압 체결 공정으로 이동하는데 사용된다. 따라서 베이스(10)는 연료전지 스택용 적층 장치의 하부를 구비하여, 적층 장치의 구성 부품들의 설치 공간을 제공하고, 연속하는 공정들 사이를 이동하는 이동 수단들을 구비한다.
프레임(20)은 베이스(10) 상에 높이 방향으로 이격 배치되어, 하부에 링크(50) 및 풀러(60)의 설치 공간을 제공하고, 상부에 연료전지 부품들(101)의 적층 및 가압 체결 공정을 수행할 공간을 제공한다.
도 3은 도 1의 연료전지 스택용 적층 장치에 연료전지 부품이 적층된 상태의 정면도이고, 도 4는 도 3의 측면도이다. 도 1 내지 도 4를 참조하면, 외부 가이드(30)는 프레임(20)의 측면과 베이스(10) 상에 고정 설치되어 연료전지 부품(101)의 정렬 및 가압 및 체결을 가능하게 한다.
외부 가이드(30)는 4개의 기둥으로 형성되어 베이스(10) 상에 설치되고, 베이스(10)의 반대측인 상부에서 연결 부재(11)에 의하여 일체로 연결된다. 즉 외부 가이드(30)는 사각형 구조의 연료전지 부품(101)의 외곽에 대응하는 안정된 구조를 형성한다.
4개 기둥인 외부 가이드(30)는 연료전지 부품(101)의 장변 4곳에 대응하여 배치되며, 연료전지 부품(101)의 측면과 갭(G, 도 6 참조)으로 이격된다. 따라서 외부 가이드(30)는 프레임(20)에 적층되는 연료전지 부품들(101)에 접촉되지 않는다. 외부 가이드(30)는 고정된 상태를 유지하므로 연료전지 부품(10) 적층시 정도를 향상시킬 수 있다.
도 5는 도 3의 상태에서 내부 가이드가 스택에 밀착된 상태의 평면도이다. 도 1 및 도 5를 참조하면, 외부 가이드(30)는 상하 방향으로 홈(31)을 형성하고, 적층되는 연료전지 부품(101)을 향하여 개방되는 개구(32)를 구비한다. 즉 외부 가이드(30)는 연료전지 부품들(101)를 사이에 두고 서로 마주하는 방향으로 개방되어 있다.
내부 가이드(40)는 외부 가이드(30)에 내장되고 프레임(20) 내에서 승강하면서 측방으로 갭(G)만큼 이동되어 연료전지 부품(101)의 측면을 접촉 지지할 수 있다.
즉 내부 가이드(40)는 외부 가이드(30)의 홈(31)에 결합되어 승강하고, 동시에 개구(32)를 통하여 연료전지 부품(101)을 향하여 갭(G)만큼 전진 또는 후진하면서 연료전지 부품(101)에 밀착 또는 분리될 수 있다.
도 6은 슬롯 구멍에서 핀이 하강된 상세도이다. 도 4 및 도 6을 참조하면, 외부 가이드(30)는 아래에서 위로 올라가면서 내측에서 외측으로 안내되도록 곡선으로 형성되는 슬롯 구멍(33)을 구비한다.
내부 가이드(40)는 슬롯 구멍(33)의 대향 측에 핀(41)을 구비하고, 핀(41)이 슬롯 구멍(33)에 결합되므로 외부 가이드(40)에 결합된다. 따라서 내부 가이드(40)는 외부 가이드(30) 내에서 승강하면서 핀(41)을 통하여 슬롯 구멍(33)의 안내를 받으면서 갭(G)만큼 외측과 내측으로 상호 이동될 수 있다.
슬롯 구멍(33)은 외부 가이드(30)를 따라 복수로 구비되고, 핀(41)은 슬롯 구멍(33)에 대응하여 내부 가이드(40)에 복수로 구비된다. 따라서 승강하는 내부 가이드(40)는 슬롯 구멍(33)에 의하여 설정되는 갭(G) 범위 내에서 내 외측으로 안정되게 이동되고, 외부 가이드(30)의 개구(32)로 이탈되지 않는다.
다시 도 5를 참조하면, 내부 가이드(40)가 외부 가이드(30)에서 하강하면, 내부 가이드(40)는 핀(41)을 통하여 슬롯 구멍(33)을 타고 안내되면서 내측으로 이동되어 연료전지 부품(101)에 밀착된다(연료전지 부품을 적층할 때).
반대로, 내부 가이드(40)가 외부 가이드(30)에서 상승하면 내부 가이드(40)는 핀(41)을 통하여 슬롯 구멍(33)을 타고 안내되면서 외측으로 이동되어 연료전지 부품(101) 및 완성된 스택(1)으로부터 분리된다(도 11 참조)(연료전지 부품을 가압 체결 및 반출할 때).
도 7은 도 3의 상태에서 링크와 풀러의 작동 상태도이다. 도 2 및 도 7을 참조하면, 링크(50)는 프레임(20)의 하부에 중심 힌지(55)로 장착되어 내부 가이드(40)에 제1단(51)으로 연결된다. 즉 제1단(51)은 힌지(56)로 내부 가이드(40)의 하단에 연결된다.
이때, 링크(50)의 제1단(51)과 중심 힌지(55) 사이의 제1거리(L1)는 링크(50)의 제2단(52)과 중심 힌지(55) 사이의 제2거리(L2)보다 더 짧게 형성된다. 따라서 링크(50)는 지렛대 효과로 풀러(60)의 작은 구동력으로 내부 가이드(40)를 승강 및 이동시킬 수 있다.
풀러(60)는 베이스(10)에 장착되고 링크(50)의 제2단(52)에 연결되어 링크(50)를 통하여 내부 가이드(40)를 승강시킨다. 일례를 들면, 풀러(60)는 베이스(10)에 장착되는 에어 실린더로 형성된다. 링크(50)의 제2단(52)은 풀러(60)에 구비되는 결합홈(61)에 결합된다.
풀러(60)는 링크(50)를 통하여 내부 가이드(40)를 승강 및 이동시킬 수도 있으나 본 실시예에서는 링크(50)를 통하여 내부 가이드(40)를 상승시켜 외부로 이동되게 한다. 따라서 연료전지 스택용 적층 장치는 풀러(60)의 반대 작용을 위하여 탄성부재(70)를 더 포함한다.
즉 탄성부재(70)는 풀러(60)에 구비되는 돌기(62)와 베이스(10) 사이에 구비되어 풀러(60)를 탄성적으로 지지한다. 따라서 풀러(60)는 탄성부재(70)의 탄성력을 극복하여 링크(50)를 중심 힌지(55)에서 반시계 방향으로 작동시키고, 탄성부재(70)는 풀러(60)의 작동력이 제거될 때, 풀러(60)와 링크(50)를 중심 힌지(55)에서 시계 방향으로 작동시킬 수 있다.
연료전지 부품(101)을 적층할 때, 풀러(60)의 작동력이 제거되어 탄성부재(70)가 상승하면, 링크(50)가 중심 힌지(55)에서 지지되어 시계 방향으로 회전하면서 제1단(51)에 힌지(56)로 연결된 내부 가이드(40)를 하강시킨다(도 7 참조).
이때, 내부 가이드(40)는 핀(41)이 외부 가이드(30)의 슬롯 구멍(33)에 의하여 안내됨에 따라 내측으로 갭(G)만큼 이동되어(도 6 참조) 연료전지 부품(101)에 밀착되면서 연료전지 부품들(101)을 정렬시킨다(도 5 참조). 외부 가이드(30)가 고정되고 내부 가이드(40)가 최소로 작동되어 연료전지 부품들(101)을 정렬하므로 적층 정도가 향상될 수 있다.
이와 같이, 도 3 내지 도 7의 상태로 연료전지 부품(101)의 적층 및 정렬이 완료된다. 이 상태에서 연료전지 스택용 적층 장치는 가압 및 체결 공정으로 이송되어, 정렬된 연료전지 부품(101)을 가압 체결을 가능하게 한다. 그리고 완성된 스택(1)은 연료전지 스택용 적층 장치로부터 리프트 되어 반출된다.
도 8은 도 1의 연료전지 스택용 적층 장치에서 완성된 스택이 리프트 된 상태의 정면도이고, 도 9는 도 8의 측면도이며, 도 10은 슬롯 구멍에서 핀이 상승된 상세도이고, 도 11은 도 8의 상태에서 내부 가이드가 스택으로부터 분리된 상태의 평면도이며, 도 12는 도 8의 상태에서 링크와 풀러의 작동 상태도이다.
도 8 내지 도 12는 완성된 스택(1)을 연료전지 스택용 적층 장치로부터 리프트 하여 반출하는 상태를 보여준다.
연료전지 부품(101)을 가압 체결한 후 완성된 스택(1)을 반출할 때, 풀러(60가 탄성부재(70)의 탄성력을 극복하고 하강한다. 따라서 풀러(60)가 하강하면, 링크(50)가 중심 힌지(55)에서 지지되어 반시계 방향으로 회전하면서 제1단(51)에 힌지(56)로 연결된 내부 가이드(40)를 상승시킨다(도 12 참조).
이때, 내부 가이드(40)는 핀(41)이 외부 가이드(30)의 슬롯 구멍(33)에 의하여 안내됨에 따라 외측으로 갭(G)만큼 이동되어(도 10 참조) 완성된 스택(1)으로부터 이격된다(도 11 참조).
그리고 완성된 스택(1)은 도 8 및 도 9에 도시된 바와 같이 스택 리프트(미도시)에 의하여 내부 가이드(40) 및 연료전지 스택용 적층 장치로부터 반출된다. 이때, 내부 가이드(40)는 스택(1)과 갭(G)으로 이격되어 있으므로 반출되는 스택(1)에 소재 긁힘을 발생시키지 않는다.
이와 같이, 외부 가이드(30)가 항상 고정된 상태를 유지하고 내부 가이드(40)가 갭(G) 범위 내에서 이동하므로 연료전지 부품(10) 적층시 정도가 향상될 수 있다.
또한 2가지 공정 사이에서 하나의 연료전지 스택용 적층 장치가 사용되므로 스택(1)을 장치 외부로 반출할 필요가 없으므로 생산성이 향상될 수 있다. 풀러(60)와 탄성부재(70)는 간단한 구조로 연료전지 부품(101)의 정렬과 가압 체결 및 반출 시 자동화를 구현한다.
이상을 통해 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.
1: 스택 10: 베이스
11: 연결 부재 20: 프레임
30: 외부 가이드 31: 홈
32: 개구 33: 슬롯 구멍
40: 내부 가이드 41: 핀
50: 링크 51: 제1단
55: 중심 힌지 56: 힌지
60: 풀러(puller) 61: 결합홈
62: 돌기 70: 탄성부재
101: 연료전지 부품 102, 103: 엔드 플레이트
G: 갭 L1, L2: 제1, 제2거리

Claims (8)

  1. 프레임 및 베이스에 고정되어 연료전지 부품의 정렬을 안내하는 외부 가이드;
    상기 외부 가이드에 내장되고 상기 프레임 내에서 승강하면서 측방으로 이동되어 상기 연료전지 부품의 측면을 지지하는 내부 가이드; 및
    상기 프레임의 하부에서 상기 베이스에 장착되어 상기 내부 가이드를 승강시키고 상기 내부 가이드를 상기 연료전지 부품으로부터 분리 또는 밀착시키는 가이드 조절장치
    를 포함하는 연료전지 스택용 적층 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 프레임은
    상기 베이스 상에 이격 배치되는 연료전지 스택용 적층 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 가이드 조절장치는,
    상기 프레임의 하부에 중심 힌지로 장착되어 상기 내부 가이드에 제1단으로 연결되는 링크; 및
    상기 베이스에 장착되고 상기 링크의 제2단에 연결되어 상기 링크를 통하여 상기 내부 가이드를 승강시키며 상기 연료전지 부품으로부터 분리 또는 밀착시키는 풀러를 포함하는 연료전지 스택용 적층 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 외부 가이드는
    아래에서 위로 올라가면서 내측에서 외측으로 안내되는 슬롯 구멍을 구비하고,
    상기 내부 가이드는
    상기 슬롯 구멍에 핀으로 결합되어 상기 외부 가이드 내에서 승강하면서 외측과 내측으로 상호 이동되는 연료전지 스택용 적층 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 슬롯 구멍은 상기 외부 가이드를 따라 복수로 구비되고,
    상기 핀은 상기 슬롯 구멍에 대응하여 복수로 구비되는 연료전지 스택용 적층 장치.
  6. 제3항에 있어서,
    상기 풀러는
    상기 베이스에 장착되고, 상기 링크의 제2단에 결합홈으로 결합되는 에어 실린더로 형성되는 연료전지 스택용 적층 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 풀러에 구비되는 돌기와 상기 베이스 사이에 구비되어 상기 풀러를 탄성적으로 지지하는 탄성부재를 더 포함하는 연료전지 스택용 적층 장치.
  8. 제3항에 있어서,
    상기 링크의 상기 제1단과 중심 힌지 사이의 제1거리는
    상기 링크의 상기 제2단과 중심 힌지 사이의 제2거리보다 더 짧은 연료전지 스택용 적층 장치.
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