CN101342635A - 焊接燃料电池的金属分隔板的上部板和下部板的设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于焊接燃料电池的金属分隔板的上部板和下部板的设备，其可简化分隔板的上部板和下部板的焊接，可以改善焊接性能和水密性能，并可防止分隔板的热变形。该设备包括金属分隔板，其包括上部板和下部板；支撑单元，其设置在设备的主体下面，且金属分隔板安全地设置在支撑单元上；摩擦搅拌单元，其设置在该设备上，面对支撑单元，并在旋转的同时挤压在上部板上用摩擦搅拌焊接法焊接上部板和下部板；和温度控制单元，其设置在摩擦搅拌单元或支撑单元上，在焊接上部板和下部板的过程中测量金属分隔板的温度，并控制摩擦搅拌单元的操作，以便在焊接上部板和下部板的过程中金属分隔板的温度可保持在预定范围内。

Description

焊接燃料电池的金属分隔板的上部板和下部板的设备

相关申请交叉引用

【0001】本申请要求2007年7月13日在韩国知识产权局申请的韩国专利申请No.10-2007-0070744的优先权，其公开内容全部包括在此以供参考。

技术领域

【0002】本发明涉及焊接燃料电池的金属分隔板的上部板和下部板的设备，并且更具体讲，涉及焊接燃料电池金属分隔板的上部板和下部板的设备，其可简化分隔板的上部板和下部板的焊接，并可改善焊接性能和水密性能，还可防止分隔板的热变形。

背景技术

【0003】一般而言，燃料电池是将氢和氧的化学能转化为电能的电化学装置。通过给阴极和阳极供应氢和氧，燃料电池可连续产生电。按照燃料电池的工作温度和其所用的电解质类型，燃料电池被分成碱性燃料电池(AFC)，磷酸燃料电池(PAFC)，熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)，固体氧化物燃料电池(SOFC)和聚合物电解质膜燃料电池(PEMFC)。使用聚合物电解质和铂催化剂的PEMFC被广泛用作汽车制造中。

【0004】图1示出典型燃料电池的层叠模块的制造，图2示出图1中所示的燃料电池的层叠模块的结构，图3示出焊接分隔板的上部板和下部板的各种传统方法。

【0005】下面参考图1详细说明典型燃料电池的层叠模块的制造。参考图1(a)，多个分隔板2和多个膜4是独立制造的。分隔板2可由金属或石墨形成。因为金属分隔板的制造成本低于石墨分隔板的制造成本，且金属分隔板可通过压模(press molding)制造，所以金属分隔板被广泛使用。参考图2(b)，分隔板2与膜4交替层叠，从而完成层叠6的形成。参考图2(c)和2(d)，多个层叠6组合到一起，因而完成层叠模块8的制造。

【0006】参考图2，层叠6具有三明治结构，其包括插置在每对邻近的金属分隔板2之间的膜4。多个金属分隔板2通过氢(H)与氧(O)反应而产生电能，并用冷水(W)调节反应温度。每个金属分隔板2包括上部板2a和下部板2b以及在上部板2a和下部板2b之间形成并盛装冷水W的多个冷水容器3。膜4是聚合物电解质膜。膜4是绝缘体。然而，膜4容易传送氢离子通过它，并因此可用作良好的氢离子导体。简而言之，膜4通过仅传送氢离子通过它同时阻挡从氢获得的电子而产生能量，这些电子与氢离子一起供应到膜中。

【0007】参考图3，金属分隔板2的上部板2a和下部板2b可以多种方式粘接到一起。图3(a)示出用激光束10将上部板2a和下部板2b焊接到一起的方法，图3(b)示出用胶12粘接上部板2a和下部板2b的方法，图3(c)示出用衬垫(gasket)14连接上部板2a和下部板2b的方法。

【0008】然而，图3(a)的方法要求生成激光束10的设备并因此导致设施投资的增加。此外，图3(a)的方法极可能引起金属分隔板2由于焊接操作产生的热而热变形。而且，图3(a)的方法极可能在金属分隔板2的过热部分中引起焊接缺陷。

【0009】图3(b)的方法包括复杂的过程，如涂抹，压缩和热塑胶12。此外，如果所用胶太多，胶12可从金属分隔板2漏出。另一方面，如果所用的胶太少，上部板2a和下部板2b可能无法适当的粘接到一起。而且，图3(b)的方法难于实现自动化。而且，如果胶12在高温时快速塑化，金属分隔板极可能热变形。另一方面，如果胶12在室温缓慢塑化，则胶12的形状可能需要维持直到胶12的塑化完成为止。

【0010】图3(c)的方法是用连接件，即用衬垫14机械地连接上部板2a和下部板2b的方法。因此，由于机械连接技术的限制，图3(c)的方法要求手动操作，并可能引起水密性能的恶化。

发明内容

【0011】本发明提供焊接燃料电池的金属分隔板的上部板和下部板的设备。该设备具有简单的结构并可简化金属分隔板的上部板和下部板的焊接，改进焊接性能和水密性能并防止分隔板的热变形。

【0012】按照本发明的一个方面，提供了用于焊接燃料电池的金属分隔板的上部板和下部板的设备，该设备包括金属分隔板，支撑单元，摩擦搅拌单元和温度控制单元。金属分隔板包括上部板和下部板；支撑单元设置在设备主体下面，且金属分隔板安全地装在支撑单元的上面；摩擦搅拌单元设置在设备的上面，面对支撑单元，并在旋转的同时挤压在上部板上，用摩擦搅拌焊接方法焊接上部板和下部板；温度控制单元设置在摩擦搅拌单元或支撑单元上，在上部板和下部板的焊接过程中测量金属分隔板的温度，并控制摩擦搅拌单元的操作，因此在上部板和下部板的焊接过程中金属分隔板的温度可保持在预定的范围内。

【0013】金属分隔板也可以包括凹口，该凹口形成在金属分隔板的焊接部分，上部板和下部板在此焊接在一起，凹口包括一对侧表面，它们是倾斜的以使侧表面之间的距离从凹口的底部到顶部变大。摩擦搅拌单元可以包括直立的、具有预定的直径并接触凹口的侧表面的摩擦杆，连接到摩擦杆上部并旋转摩擦杆的转子和设置在转子和设备主体之间并垂直地移动摩擦杆和转子的摩擦杆输送器(transporter)。

【0014】摩擦杆可包括连杆和摩擦单元。连杆连接到转子并通过转子旋转，摩擦单元设置在连杆的下部并接触凹口的侧表面。

【0015】摩擦单元的直径可以小于凹口侧表面的顶部之间的距离并大于凹口的侧表面的底部之间的距离。

【0016】摩擦单元的材料可比金属分隔板的材料更硬并更耐热。

【0017】支撑单元可包括支架，其和金属分隔板焊接部分的形状相符。

【0018】支架可包括辊子，其移动金属分隔板并设置在支架的安置表面(seating surface)上，金属分隔板安装在该支架上，辊子使得金属分隔板能够工作。

【0019】支撑单元进一步可包括支架输送器，其设置在支架和设备的主体之间并垂直移动支架。

【0020】温度控制单元可包括第一温度传感器、第二温度传感器和控制器。第一温度传感器感测金属分隔板的第一部分的温度，金属分隔板在焊接上部板和下部板时严重热变形，第二温度传感器感测金属分隔板的第二部分的温度，金属分隔板稳定地传输焊接上部板和下部板产生的热，控制器按照第一温度传感器执行的感测结果和第二温度感测器执行的感测结果控制转子的运转。

【0021】第一温度传感器和第二温度传感器可包括不接触的红外热检测传感器。

【0022】第一温度传感器可感测凹口一侧上的部分金属分隔板的温度。

【0023】第二温度传感器可感测凹口底部的温度。

【0024】如果第一温度传感器执行的感测的结果表明金属分隔板的第一部分的温度高于第一参考温度，则控制器可控制转子的运转，从而减小摩擦杆的旋转速度。

【0025】如果第二温度传感器执行的感测的结果表明金属分隔板的第二部分的温度低于第二参考温度，则控制器可控制转子的运转，因此可增加摩擦杆的旋转速度，第二参考温度低于第一参考温度。

附图说明

【0026】通过参考附图对本发明的优选实施例进行详细说明，本发明的上述和其他的特征及优点将变得更明显，其中：

【0027】图1示出典型的燃料电池的层叠模块的制造；

【0028】图2示出一叠图1中所示的燃料电池的结构；

【0029】图3示出焊接金属分隔板的上部板和下部板的多种传统方法；

【0030】图4说明按照本发明的一个实施例的摩擦搅拌焊接方法，其应用于焊接燃料电池的金属分隔板的上部板和下部板的设备；

【0031】图5示出按照本发明的一个实施例的焊接燃料电池的金属分隔板的上部板和下部板的设备的透视图；

【0032】图6示出图5中所示的设备的前视图；

【0033】图7示出图5中所示的设备的细节透视图；

【0034】图8示出图5中所示的设备的细节前视图；

【0035】图9示出图5中所示设备的摩擦杆的透视图；

【0036】图10示出控制图5中所示设备的系统的方框图；

【0037】图11示出控制图5中所示设备的方法的流程图；和

【0038】图12示出图5中所示设备操作的过程中焊接温度变化的曲线图。

具体实施方式

【0039】下面将参考附图详细说明本发明，附图中示出本发明的示例性实施例。在附图中，相似的标识号表示相似的元件。

【0040】图4示出按照本发明的一个实施例的摩擦搅拌焊接方法，其被应用到焊接燃料电池的金属分隔板的上部板和下部板的设备。参考图4，金属分隔板2的上部板2a和下部板2b是用摩擦搅拌焊接方法焊接的。换句话说，上部板2a通过旋转末端具有凸起16的工具18而被挤压。然后，热是由于摩擦力以及工具18和金属分隔板2之间的塑性流动产生的。结果，上部板2a和下部板2b被软化并被搅动以便能够以固态焊接到一起。简而言之，通过使用摩擦搅拌焊接方法，可以显著减少热和污染物的产生，简化焊接燃料电池的金属分隔板的上部板和下部板的设备的结构，并减小电消耗。

【0041】图5示出按照本发明的一个实施例，用于焊接燃料电池的金属分隔板的上部板和下部板的设备(以下称为金属分隔板焊接设备)100的透视图，图6示出金属分隔板焊接设备100的前视图，图7和8分别示出金属分隔板焊接设备100的细节透视图和细节前视图，图9示出金属分隔板焊接设备100的摩擦杆132的透视图。

【0042】参考图5和6，金属分隔板焊接设备100包括主体110；设置在主体110下部并安全地将金属分隔板2安置于其上的支撑单元120；用摩擦搅拌焊接方法焊接金属分隔板2的上部板2a和下部板2b的摩擦搅拌单元130；和设置在摩擦搅拌单元130内或支撑单元120内并按照焊接上部板2a和下部板2b的温度控制摩擦搅拌单元130操作的温度控制单元140。该主体110限定金属分隔板焊接设备100的总框架，并容纳支撑单元120，摩擦搅拌单元130和温度控制单元140。

【0043】参考图5和8，金属分隔板2包括焊接在一起的上部板2a和下部板2b。冷水容器3形成在金属分隔板2的预定部分。更具体的，冷水容器3是形成在上部板2a的凸出部分和下部板2b的凹入部分之间的空间。金属分隔板2也包括凹口102，其设置在金属分隔板上上部板2a和下部板2b焊接在一起的部分。凹口102具有一对侧表面102a和102b。侧表面102a和102b之间的距离D从凹口102的底部到顶部变宽。换句话说，侧表面102a和102b是倾斜的凹口102，它们都倾斜以便凹口102成为V形。

【0044】参考图6，图7和图8，支撑单元120包括支架122，其和金属分隔板2的凹口102的形状相符并因此可安全地将凹口102安置在其上；支撑单元120还包括设置在支架122和主体110之间并垂直移动支架122的支架输送器124。支架122具有多个安置表面，如左安装表面122a和右安装表面122b，它们可安全地在支架122上安装凹口102。多个辊子126分别设置在左安装表面122a和右安装表面122b上。左安装表面122a和右安装表面122b，类似于凹口102的侧表面102a和102b，是倾斜的以便一起形成V形。为了在垂直方向上线性移动支架122，支架输送器124可包括设置在支架122和主体110之间的直线马达。

【0045】参考图5和6，摩擦搅拌单元130包括摩擦杆132、转子134和摩擦杆输送器136。摩擦杆132具有预定直径，直立并接触凹口102的侧表面102a和102b；转子134连接到摩擦杆132的上部分并旋转摩擦杆132；摩擦杆输送器136设置在转子134和主体110之间并垂直移动转子134。为了以不同的旋转速度旋转摩擦杆132，转子134可包括旋转轴元件连接到摩擦杆132的上部分的马达。为了在垂直方向上线性移动摩擦杆132，摩擦杆输送器136可包括设置在转子134和主体110之间的线性马达。

【0046】参考图6，图8和图9，摩擦杆132包括具有连接到转子134的上部分并因此被转子134转动的连杆138以及设置在连杆138的下部分并接触凹口102的侧表面102a和102b的摩擦单元139。摩擦单元139的直径小于侧表面102a和102b之间的最大间距D1并大于侧表面102a和102b之间的最小间距D2。摩擦单元139由比金属分隔板2的材料更耐用并更耐热的材料形成。参考图9，摩擦单元139包括锥形凹口，其在摩擦单元139的底部形成。摩擦单元139具有圆形底边缘。

【0047】摩擦杆132的摩擦单元139被摩擦杆输送器136及支架输送器124挤压在凹口102的侧表面102a和102b上。然后，摩擦杆132的摩擦单元139通过转子134以高速旋转，因此上部板2a和下部板2b可以是摩擦搅拌焊接的。

【0048】参考图6，图7和图8，温度控制单元140包括感测金属分隔板2的部分A的温度的第一温度传感器142；感测金属分隔板2的部分B的温度的第二温度传感器144；按照第一温度传感器142感测的结果和第二温度传感器144感测的结果控制转子134运转的控制器146。部分A由于摩擦搅拌焊接操作而严重热变形，而部分B稳定地传输摩擦搅拌焊接操作产生的热。部分A连接到凹口102的侧表面102a和102b的顶部，而部分B连接到凹口102的侧表面102a和102b的底部。

【0049】第一温度传感器142分别设置在摩擦搅拌单元130的左托架(bracket)150和右托架152的端部。第一温度传感器142是不接触的红外热检测传感器，其感测金属分隔板2的部分A的温度。左托架150和右托架152连接到转子134，但不由转子134转动。左托架150和右托架152分别设置在金属分隔板2的部分A的上面，而第一温度传感器142分别固定到左托架150和右托架152上。

【0050】第二温度传感器144设置在支架122上。第二温度传感器144也是不接触的红外热检测传感器，其感测金属分隔板2的部分B的温度。支架122包括左安装表面122a，右安装表面122b和传感器安装凹槽128，该凹槽面对金属分隔板2的部分B，且其中设置了第二温度传感器144。传感器安装凹槽128形成的深度使得可防止第二温度传感器144和金属分隔板2的部分B彼此干扰。

【0051】参考图10，如果第一温度传感器142感测的结果表明金属分隔板2的部分A的温度高于第一参考温度，则控制器146通过控制转子134的运转降低摩擦杆132的旋转速度。如果第二温度传感器144感测的结果表明金属分隔板2的部分B的温度低于第二参考温度，则控制器146通过控制转子134的运转提高摩擦杆132的旋转速度，其中第二参考温度低于第一参考温度。第一参考温度是金属分隔板2的部分A由于焊接操作产生的热而开始导致热变形的温度，而第二参考温度是当焊接操作以摩擦搅拌焊接所要求的最低温度执行时金属分隔板2的部分B的温度。

【0052】图5所示设备的操作和优点将在下面参考图10到图13详细说明。图10示出控制图5所示设备的系统的方框图，图11示出控制图5所示设备的方法的流程图，图12示出在图5所示设备运转过程中焊接温度变化的曲线。

【0053】参考图10到图12，金属分隔板2的凹口102安置在支撑单元120的支架122上。然后支架输送器124被垂直提升，且摩擦杆输送器136被垂直降低。由于支架输送器124和摩擦杆输送器136，摩擦杆132的摩擦单元139被挤压在凹口102的侧表面102a和102b上(S1)。

【0054】转子134以预定的速度旋转摩擦杆132。结果，摩擦单元139和侧表面102a和102b之间的接触点由于摩擦热或塑性流动产生的热而软化并熔化。金属分隔板2的软化并熔化的部分由于摩擦单元139而被搅拌。然后，金属分隔板2向前或向后移动，使得在凹口102的侧表面102a和102b上沿凹口102的纵向方向形成焊接线(S2)。

【0055】然后，第一温度传感器142感测金属分隔板2的部分A的温度，而第二温度传感器144感测金属分隔板2的部分B的温度(S3)。

【0056】如果第一温度传感器142感测的结果表明金属分隔板2的部分A的温度高于第一参考温度(S4)，则控制器146通过控制转子134的运转而将摩擦杆132的旋转速度降低一预定量(S5)。如果第二温度传感器144感测的结果表明金属分隔板2的部分B的温度低于第二参考温度(S6)，则控制器146通过控制转子134的运转而将摩擦杆132的旋转速度提高一预定量(S7)。控制器146对摩擦杆132的旋转速度降低和提高的量可事先确定为缺省值或可以由用户决定。以该方式，可以将焊接金属分隔板2的上部板2a和下部板2b过程中的实际焊接温度保持在第一参考温度和第二参考温度之间。

【0057】如果金属分隔板2的上部板2a和下部板2b的焊接完成(S8)，则摩擦杆输送器136和支架输送器124返回到它们的初始位置(S9和S10)。

【0058】按照本发明，可以在制造燃料电池的过程中简化金属分隔板的上部板和下部板的焊接，通过单个工艺改进焊接性能和水密性能，并防止分隔板的热变形。

【0059】此外，按照本发明，因为金属分隔板的上部板和下部板是被摩擦搅拌焊接到一起的，所以可以容易地改善焊接性能和水密性能。同样，可以通过简化焊接工艺和焊接设备的结构而自动化焊接工艺并降低焊接成本。

【0060】而且，按照本发明，可以通过感测由于摩擦搅拌焊接操作而发生热变形的金属分隔板各部分的温度和实际被焊接的一部分金属分隔板的温度，并按照感测结果控制摩擦搅拌单元的操作，来防止金属分隔板的热变形并优化摩擦搅拌焊接操作。

【0061】而且，按照本发明，可以通过执行摩擦搅拌焊接操作同时在金属分隔板凹口的一对侧表面上挤压摩擦搅拌单元的摩擦杆，在单次焊接操作形成两条焊接线。

【0062】虽然本发明已经具体示出并参考示例性实施例说明，本领域技术人员可以理解能够在不偏离所附权利要求限定的本发明的精神和范畴下在形式和细节上进行多种变化。

Claims (14)

1.一种用于焊接燃料电池的金属分隔板的上部板和下部板的设备，所述设备包括：

金属分隔板，其包括上部板和下部板；

支撑单元，其设置在所述设备的主体下面，且所述金属分隔板安全地安置在所述支撑单元上面；

摩擦搅拌单元，其设置在所述设备上面，面对所述支撑单元，并在旋转的同时挤压在所述上部板上，用摩擦搅拌焊接方法焊接所述上部板和所述下部板；以及

温度控制单元，其设置在所述上摩擦搅拌单元或设置在所述支撑单元上，测量焊接所述上部板和所述下部板的过程中所述金属分隔板的温度，并控制所述摩擦搅拌单元的操作，以便在焊接所述上部板和所述下部板的过程中所述金属分隔板的温度可保持在预定范围内。

2.如权利要求1所述的设备，其中：

所述金属分隔板进一步包括凹口，其形成在所述金属分隔板的焊接的部分，所述上部板和所述下部板在该焊接的部分处焊接到一起，所述凹口包括一对侧表面，该对侧表面是倾斜的以便这对侧表面之间的距离从所述凹口的底部到顶部变大；以及

所述摩擦搅拌单元包括摩擦杆，其直立并具有预定的直径，且接触所述凹口的所述侧表面，所述摩擦搅拌单元还包括连接到所述摩擦杆的上部分并旋转所述摩擦杆的转子，以及摩擦杆输送器，其设置在所述转子和所述设备的所述主体之间并垂直移动所述摩擦杆和所述转子。

3.如权利要求2所述的设备，其中所述摩擦杆包括连接到所述转子并被所述转子旋转的连杆和设置在所述连杆的下部分并接触所述凹口的所述侧表面的摩擦单元。

4.如权利要求3所述的设备，其中所述摩擦单元的直径小于所述凹口的所述侧表面的顶部之间的距离并大于所述凹口的所述侧表面的底部之间的距离。

5.如权利要求3所述的设备，其中所述摩擦单元的材料比所述金属分隔板的材料更硬且更耐热。

6.如权利要求2所述的设备，其中所述支撑单元包括支架，其和所述金属分隔板的焊接的部分的形状相符。

7.如权利要求6所述的设备，其中所述支架包括辊子，其移动所述金属分隔板并设置在所述支架的安装表面上，所述金属分隔板安置在该支架上，所述辊子使得所述金属分隔板能够工作。

8.如权利要求6所述的设备，其中所述支撑单元进一步包括支架输送器，其设置在所述支架和所述设备的所述主体之间并垂直移动所述支架。

9.如权利要求2到8中任一条权利要求所述的设备，其中所述温度控制单元包括第一温度传感器，其感测所述金属分隔板的第一部分的温度，该金属分隔板由于所述上部板和所述下部板的焊接而严重热变形；第二温度传感器，其感测所述金属分隔板的第二部分的温度，该金属分隔板稳定地传输由于所述上部板和所述下部板的焊接产生的热；还包括控制器，其按照所述第一温度传感器感测的结果和所述第二温度传感器感测的结果控制所述转子的运转。

10.如权利要求9所述的设备，其中所述第一温度传感器和第二温度传感器包括不接触的红外热检测传感器。

11.如权利要求9所述的设备，其中所述第一温度传感器感测所述凹口一侧上的部分金属分隔板的温度。

12.如权利要求9所述的设备，其中所述第二温度传感器感测所述凹口底部的温度。

13.如权利要求9所述的设备，其中如果由所述第一温度传感器执行的感测的结果表明所述金属分隔板的所述第一部分的温度高于第一参考温度，则所述控制器控制所述转子的运转，以便降低所述摩擦杆的旋转速度。

14.如权利要求13所述的设备，其中如果由所述第二温度传感器执行的感测的结果表明所述金属分隔板的所述第二部分的温度低于第二参考温度，则所述控制器控制所述转子的运转，以便提高所述摩擦杆的旋转速度，所述第二参考温度低于所述第一参考温度。

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