KR20150019271A

KR20150019271A - 연료전지 스택 적층 장치 및 방법

Info

Publication number: KR20150019271A
Application number: KR20130095916A
Authority: KR
Inventors: 박주옥; 조상현; 손희동; 조인제
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2013-08-13
Filing date: 2013-08-13
Publication date: 2015-02-25
Also published as: KR101509908B1

Abstract

본 발명은 연료전지 스택 적층 장치 및 방법에 관한 것으로서, 특히 분리판과 막전극접합체(MEA, Membrane Electrode Assembly)로 구성되는 연료전지 스택이 공급되는 공급부(100)와; 상기 공급부(100)로부터 공급되는 스택을 적층시키는 적층부(200)와; 상기 적층부(200)에서 적층된 스택을 분할하여 기밀을 검사하는 기밀검사부(300)로 구성되며, 또한 분리판과 막전극접합체로 구성되는 연료전지 스택이 공급되는 스택공급단계(S10)와; 상기 스택공급단계(S10)로부터 공급되는 스택이 적층되는 스택적층단계(S20)와; 상기 스택적층단계(S20)를 통해 적층된 스택을 분할하여 기밀을 검사하는 스택기밀검사단계로 구성되어, 적층 중인 스택을 기밀 검사 공정으로 이동시켜 분할 검사함으로써 누수 발생 시 최적 적층량만을 재적층할 수 있어 분할 검사를 통한 기밀 검사 작업 효율성이 향상되며, 기밀 검사 작업 후에는 다시 적층 공정으로 투입되어 추가 적층이 가능하게 하고 추가 적층 후에도 기밀 검사 공정을 실시하여 누수 발생 시 추가 적층분에 한해 언로딩을 실시하도록 함으로써 적층 정도의 신뢰성을 높여 상품성을 증대시키는 동시에 완성 스택에 필요한 과정이 자동으로 진행됨으로 인해 작업 편의성을 증대시키는데 효과가 있도록 하는 것이다.

Description

연료전지 스택 적층 장치 및 방법{Stacking device of fuel cell stack and method there of}

본 발명은 연료전지 스택 적층 장치 및 방법에 관한 것으로서, 특히 연료전지 스택 제조 시 적층 정도 향상을 위한 자동 적층과 기밀 검사 효율성 향상을 위한 분할 검사를 모두 실행할 수 있게 하기 위한 연료전지 스택 적층 장치 및 방법에 관한 것이다.

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

연료전지는 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.

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 개스킷을 구비하며, 상기 MEA와 개스킷이 접착제에 의하여 연결된다.

한편, 연료전지 스택의 적층구조는 단일 분리판을 적층하는 구조와 애노드/캐소드 두 개로 분리되어 있는 분리판을 적층하는 구조로 나뉠 수 있다.

분리판이 애노드/캐소드 두 개로 분리되어 있는 경우, 두 개의 분리판은 개스킷을 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, 종래에는 도 1에 도시된 바와 같이 연료전지 스택의 각 층 소재(분리판, MEA)가 공급부(a)로부터 적층부(b)로 이동되어 적층부(b)에서 자동 적층이 완료되면 기밀검사부(c)로 작업자가 수동으로 공급하고 일괄적으로 기밀 검사를 실시하게 되는데, 이처럼 적층 완료 스택의 기밀 검사를 한 번에 모두 실시하게 되면 불량 발생 시 적층된 스택을 모두 언로딩해야 하기 때문에 작업 효율성과 상품의 신뢰성이 저하되는 문제점이 있었다.

문헌 1 : 대한민국 등록특허 10-0986484

본 발명은 상기의 문제점을 해소하기 위한 연료전지 스택 적층 장치 및 방법에 관한 것으로서, 특히 연료전지 스택 제조 시 적층 정도 향상을 위한 자동 적층과 기밀 검사 효율성 향상을 위한 분할 검사를 모두 실행할 수 있게 하기 위한 것을 목적으로 한다.

이러한 본 발명은 분리판과 막전극접합체(MEA, Membrane Electrode Assembly)로 구성되는 연료전지 스택이 공급되는 공급부와; 상기 공급부로부터 공급되는 스택을 적층시키는 적층부와; 상기 적층부에서 적층된 스택을 분할하여 기밀을 검사하는 기밀검사부;를 포함함으로써 달성된다.

상기 적층부는 상기 스택을 승강시키는 엘리베이터와; 상기 스택을 회전시키는 인덱스테이블과; 상기 인덱스테이블의 스택 중 일부를 상기 기밀검사부로 이동시키는 테스터;를 포함하도록 하는 것이 바람직하다.

상기 기밀검사부 일단에는 불량 스택 및 완료 스택을 상방으로 이동시키는 업로더가 추가로 구비되도록 하는 것이 바람직하다.

상기 인덱스테이블의 회전 각도는 180°가 되도록 하는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명은 분리판과 막전극접합체로 구성되는 연료전지 스택이 공급되는 스택공급단계와; 상기 스택공급단계로부터 공급되는 스택이 적층되는 스택적층단계와; 상기 스택적층단계를 통해 적층된 스택을 분할하여 기밀을 검사하는 스택기밀검사단계;를 포함함으로써 달성된다.

상기 스택적층단계는 엘리베이터를 통해 상기 스택을 승강시키는 제1단계와; 인덱스테이블을 통해 상기 제1단계에서 승강된 스택을 회전시키는 제2단계와; 기밀검사부를 통해 상기 제2단계에서 회전된 스택 중 일부를 상기 스택기밀검사단계로 이동시키는 제3단계;를 포함하도록 하는 것이 바람직하다.

상기 스택기밀검사단계 후 선별된 불량 스택 및 완료 스택을 상방으로 이동시키는 업로딩단계를 포함하도록 하는 것이 바람직하다.

이상과 같은 본 발명은 적층 중인 스택을 기밀 검사 공정으로 이동시켜 분할 검사함으로써 누수 발생 시 최적 적층량만을 재적층할 수 있어 분할 검사를 통한 기밀 검사 작업 효율성이 향상되며, 기밀 검사 작업 후에는 다시 적층 공정으로 투입되어 추가 적층이 가능하게 하고 추가 적층 후에도 기밀 검사 공정을 실시하여 누수 발생 시 추가 적층분에 한해 언로딩을 실시하도록 함으로써 적층 정도의 신뢰성을 높여 상품성을 증대시키는 동시에 완성 스택에 필요한 과정이 자동으로 진행됨으로 인해 작업 편의성을 증대시키는데 효과가 있는 발명인 것이다.

도 1은 종래의 연료전지 스택 적층 구조를 도시하는 구조도,
도 2는 본 발명의 연료전지 스택 적층 장치를 도시하는 도면,
도 3은 본 발명의 연료전지 스택 적층 장치를 도시하는 구조도,
도 4는 본 발명의 연료전지 스택 적층 장치에서 스택이 적층된 상태를 도시하는 도면,
도 5는 본 발명의 연료전지 스택 적층 방법을 도시하는 흐름도,
도 6은 본 발명의 연료전지 스택 적층 방법에서 스택 적층 및 기밀 검사 단계를 도시하는 흐름도.

본 발명의 실시예를 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명의 연료전지 스택 적층 장치는 도 2 내지 도 4에 도시된 바와 같이, 연료전지 스택이 공급되는 공급부(100)와, 스택을 적층시키는 적층부(200)와, 적층된 스택을 분할하여 기밀을 검사하는 기밀검사부(300)를 포함한다.

우선 연료전지 스택은 분리판과 막전극접합체(MEA)로 이루어지는 것을 기본으로 한다.

도 2에 도시된 바와 같이, 공급부(100)는 연료전지 스택을 후술하게 될 적층부(200)로 공급할 수 있게 한다.

이때, 공급부(100)는 직교 교봇으로 이루어져 스택을 플레이트 상부에 위치하게 하여 적층부(200)로 공급하는 것이 가능하게 한다.

적층부(200)는 공급부(100)로부터 공급되는 스택을 적층시킨다.

한편, 적층부(200)는 엘리베이터(210)와, 인덱스테이블(220)과, 테스트(230)로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

엘리베이터(210)는 공급부(100)로부터 공급된 스택을 승강시키며, 인덱스테이블(220)은 스택을 회전시킬 수 있게 하고, 테스트(230)는 인덱스테이블(220)의 스택 중 일부를 후술하게 될 기밀검사부(300)로 이동시킬 수 있게 한다.

이때, 엘리베이터(210)는 좌측과 우측에 형성된 암(미도시)이 스택을 지지할 수 있게 하며, 소재 공급량에 따라 팔레트(pallet)로 스택을 하강시키고, 스택 하강이 완료되면 인덱스테이블(220)을 통해 스택을 회전하게 된다.

이때, 인덱스테이블(220)의 회전 각도는 180°가 되게 하여 스택의 위치를 변경하는 것이 가능하게 하며, 인덱스테이블(220) 회전 후에는 더미(dummy)가 하강할 수 있게 한다.

여기서, 더미는 후술하게 될 기밀검사부(300)에 추가로 구비되는 더미공급부(320)를 통해 공급되도록 하는 것이 바람직하다.

도 2 및 도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명에서 스택 적층은 4단을 기준으로 하되, 첫 번째 사이클에서는 하나의 완성 스택에 필요한 스택의 1/4만 적층된 후 기밀 검사를 실시하게 되며, 이때 팔레트에 3/4 만큼의 더미가 공급되어 프레스의 가압 스트로크를 유지시켜 주도록 한다.

기밀검사부(300)는 적층부(200)에서 적층된 스택을 분할하여 기밀을 검사하는 구성으로, 기밀검사부(300)를 통해 스택의 기밀을 검사한 후 스택에 이상이 없으면 스택을 적층부(200)의 인덱스테이블(220)로 이동시킨 다음 추가 적층을 위해 인덱스테이블(220)을 회전시킨다.

이때, 기밀검사부(300) 일단에는 불량 스택 및 완료 스택을 상방으로 이동시키는 업로더(310)가 추가로 구비되도록 하여, 기밀검사부(300)를 통해 스택의 기밀 검사 시 스택에 이상이 있는 경우 스택을 업로더(310)로 이동시켜 불량 스택을 선별할 수 있게 하며, 적층이 완료된 스택의 경우에도 업로더(310)로 이동시켜 스택 적층을 종료하게 된다.

한편, 본 발명의 연료전지 스택 적층 방법은 도 5 및 도 6에 도시된 바와 같이, 스택이 공급되는 스택공급단계(S10)와, 스택이 적층되는 스택적층단계(S20)와, 스택을 분할하여 기밀을 검사하는 스택기밀검사단계(S30)를 포함한다.

도 5의 (a)에 도시된 바와 같이, 스택공급단계(S10)는 공급부(100)를 통해 연료전지 스택을 스택적층단계(S20)로 공급하도록 한다.

스택적층단계(S20)는 스택공급단계(S10)로부터 공급되는 스택을 적층시키는 단계로, 도 5의 (b)에 도시된 바와 같이, 스택을 승강시키는 제1단계(S21)와, 승강된 스택을 회전시키는 제2단계(S22)와, 회전된 스택 중 일부를 스택기밀검사단계(S30)로 이동시키는 제3단계(S23)를 포함하도록 한다.

이때, 제2단계(S22)는 스택을 회전시켜 스택의 위치를 변경하는 것이 가능하게 하며, 회전 후에는 더미(dummy)가 하강할 수 있게 한다.

스택기밀검사단계(S30)는 스택적층단계(S20)에서 적층된 스택을 분할하여 기밀을 검사하는 단계로, 스택기밀검사단계(S30)를 통해 스택의 기밀을 검사한 후 스택에 이상이 없으면 스택을 스택적층단계(S20)의 제2단계(S22)로 이동시킨 다음 추가 적층을 위해 인덱스테이블(220)을 회전시킨다.

이때, 스택기밀검사단계(S30) 다음에는 불량 스택 및 완료 스택을 상방으로 이동시키는 업로딩단계(S40)가 추가로 구비되도록 하여, 스택기밀검사단계(S30)를 통해 스택의 기밀 검사 시 스택에 이상이 있는 경우 스택을 업로딩단계(S40)로 이동시켜 불량 스택을 선별할 수 있게 하며, 적층이 완료된 스택의 경우에도 업로딩단계(S40)로 이동시켜 스택 적층을 종료하게 된다.

즉, 본 발명은 도 6에 도시된 바와 같이, 스택 적층 첫 번째 사이클에서는 스택과 더미를 공급하고, 그 상태에서 기밀 검사를 통해 압력이 유지되면 더미를 제거하여 스택적층단계(S20)로 진행하게 되어 두 번째 사이클에서 스택과 더미를 공급받고, 그 상태에서 기밀 검사를 통해 압력이 유지되면 더미를 제거하여 스택적층단계(S20)로 진행하게 되어 세 번째 사이클에서 스택과 더미를 공급받고, 그 상태에서 기밀 검사를 통해 압력이 유지되면 더미를 제거하여 스택 적층 종료 후 업로딩단계(S40)로 진행하게 된다. 이때, 첫 번째 내지 세 번째 사이클에서 기밀 검사 시 압력 유지가 되지 않으면 업로딩단계(S40)로 진행하게 되어 불량 스택을 선별할 수 있게 한다.

이처럼, 본 발명은 스택의 기밀 검사를 소모듈 단위로 분할하여 실시함으로써 스택에 불량 발생 시 재적층할 수 있게 하고, 스택의 적층, 기밀 검사 및 공급까지 자동으로 진행될 수 있게 함으로써 기밀 검사 시에는 분할 검사가 가능하게 하며 스택 적층 시에는 자동 적층이 가능하게 하여 스택의 신뢰성과 작업 편의성을 향상시킬 수 있게 한다.

이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.

100 : 공급부 200 : 적층부
210 : 엘리베이터 220 : 인덱스테이블
230 : 테스터 300 : 기밀검사부
310 : 업로더 S10 : 스택공급단계
S20 : 스택적층단계 S21 : 제1단계
S22 : 제2단계 S23 : 제3단계
S30 : 스택기밀검사단계 S40 : 업로딩단계

Claims

분리판과 막전극접합체(MEA, Membrane Electrode Assembly)로 구성되는 연료전지 스택이 공급되는 공급부와;
상기 공급부로부터 공급되는 스택을 적층시키는 적층부와;
상기 적층부에서 적층된 스택을 분할하여 기밀을 검사하는 기밀검사부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택 적층 장치.
청구항 1에 있어서,
상기 적층부는
상기 스택을 승강시키는 엘리베이터와;
상기 스택을 회전시키는 인덱스테이블과;
상기 인덱스테이블의 스택 중 일부를 상기 기밀검사부로 이동시키는 테스터;를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택 적층 장치.
청구항 1에 있어서,
상기 기밀검사부 일단에는 불량 스택 및 완료 스택을 상방으로 이동시키는 업로더가 추가로 구비되는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택 적층 장치.
청구항 2에 있어서,
상기 인덱스테이블의 회전 각도는 180°인 것을 특징으로 하는 연료전지 스택 적층 장치.
분리판과 막전극접합체로 구성되는 연료전지 스택이 공급되는 스택공급단계와;
상기 스택공급단계로부터 공급되는 스택이 적층되는 스택적층단계와;
상기 스택적층단계를 통해 적층된 스택을 분할하여 기밀을 검사하는 스택기밀검사단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택 적층 방법.
청구항 5에 있어서,
상기 스택적층단계는
엘리베이터를 통해 상기 스택을 승강시키는 제1단계와;
인덱스테이블을 통해 상기 제1단계에서 승강된 스택을 회전시키는 제2단계와;
기밀검사부를 통해 상기 제2단계에서 회전된 스택 중 일부를 상기 스택기밀검사단계로 이동시키는 제3단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택 적층 방법.
청구항 1에 있어서,
상기 스택기밀검사단계 후 선별된 불량 스택 및 완료 스택을 상방으로 이동시키는 업로딩단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택 적층 방법.