CN103659903A - 用于制造燃料电池组的膜电极组件的系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种用于制造燃料电池组的膜电极组件的系统，其中将自动化的概念引入到用于制造膜电极组件的整个工艺，并且具体地，使膜电极组件和气体扩散层的结合和冲压工艺一体化。根据本发明，可以降低系统的安装面积并且降低制造循环时间，由此促进大规模制造。

Description

用于制造燃料电池组的膜电极组件的系统

技术领域

本发明涉及用于制造燃料电池组的膜电极组件（MEA）的系统。更具体地，本发明涉及用于制造燃料电池组的膜电极组件的系统，其中使制造膜电极组件的整个过程自动化，并且具体地，使膜电极组件和气体扩散层的结合和冲压工艺一体化。

背景技术

常规燃料电池系统包括：燃料电池组，用于通过电化学反应产生电；氢供应系统，用于向燃料电池组供应作为燃料的氢；氧（例如，空气）供应系统，用于供应含氧的空气作为燃料电池组中电化学反应所需的氧化剂；热管理系统（TMS），用于将反应热从燃料电池组中去除到燃料电池系统的外部，控制燃料电池组的运行温度，并且执行水管理功能；以及系统控制器，用于控制燃料电池系统的整体运行。

燃料电池组包括膜电池组件、气体扩散层（GDL）、垫片、密封部件和双极板隔板。MEA包括通过其运输氢离子的聚合物电解质膜。其中发生电化学反应的电极/催化剂层布置在聚合物电解质膜的两侧。GDL均匀地扩散反应气体并且传送所产生的电。垫片为反应气体和冷却剂提供气密密封。密封部件向垫片提供结合压力。双极板隔板支承MEA和GDL，收集并传送所产生的电，传送反应气体，传送并去除反应产物，并且传送冷却剂以去除反应热等等。通常，燃料电池车辆要求一个模块组，其包括多个MEA、GDL和隔板以及两个端板，并且各个MEA具有流道，氢、空气和冷却剂通过该流道流动。

已持续进行广泛研究，其旨在开发用于制造高质量MEA的系统，以促进大规模制造车辆用燃料电池，并且对用于自动结合MEA和GDL并且同时处理流场的系统的需要增加。

通常手动执行MEA的制造工艺，诸如工件供应、冲压、结合等等，这提高压制期间安全性事故的潜在风险，并且可能不适用于大规模制造下一代车辆。此外，冲压工艺和结合工艺单独执行，这降低制造效率。

此外，虽然已开发了一种用于自动执行工件供应、冲压工艺和结合工艺的系统，但是冲压工艺和结合工艺单独执行。

然而，大多数当前可用的制造系统具有复杂结构，在各工艺之间的连接运行方面效率低，需要较大的安装面积并且需要较长的制造循环时间，这对于大规模制造是不利的。

上述在该背景技术部分公开的信息仅用于增强对本发明背景的理解，因此其可能含有不构成在该国本领域普通技术人员已经知晓的现有技术的信息。

发明内容

本发明提供用于制造燃料电池组的膜电极组件的系统，其中使该系统自动化，以执行包括装载、夹紧、结合和冲压工件、以及在提取工件之后去除废料的整个工艺，并且具体地，整体执行结合和冲压工艺，由此降低安装系统所需的空间，降低制造循环时间，并且促进大规模制造。

在一个实施方式中，本发明提供用于制造燃料电池组的膜电极组件的系统，该系统包括：上冲模部，包括配置成加热工件的第一加热板和冲压工件的叶片，其中加热板上下移动；下冲模部，包括配置成加热工件的第二加热板以及配置成吸收和支承工件的流场；驱动部，配置成上下移动上冲模部，并且包括电动机和连接臂，该连接臂与电动机的输出轴连接，同时与上冲模部的导向轴连接；以及夹紧部，配置成结合经安装在电动机的输出轴上的凸轮盘的旋转而工作的杆、轴和夹具，通过从驱动部接收动力来夹紧工件。

在示例性实施方式中，下冲模部还可以包括：耐磨座，与叶片接触；以及移动板，其中耐磨座和移动板可与棘轮连接，该棘轮配置成水平地移动耐磨座和移动板，以防止重复地损伤耐磨座和移动板。

在另一示例性实施方式中，下冲模部可以包括含有多个盘簧的弹簧板，其中该弹簧板布置在第二加热板的下表面上，以吸收通过上冲模部的上下移动而施加的冲击。

在又一示例性实施方式中，夹紧部可以包括：偏心轴和凸轮盘，安装在电动机的输出轴上；辊块，与凸轮盘的凸轮弯曲表面接触，杆从该辊块向上延伸；连接块，与杆的上端连接，配置成旋转，与连接块连接的轴沿下冲模部的侧面布置，并且通过连接条与轴连接的夹具配置成向前和向后移动，以夹紧和松开工件。

在又一示例性实施方式中，可通过夹具块两侧的销钉将夹紧部的夹具插入到夹具块中的槽孔中，并且将其沿槽孔引导以向前和向后移动。

在又一示例性实施方式中，本发明的系统还可以包括废料去除部，包括：柱体，沿下冲模部的侧面水平布置；柱体条，与柱体的杆连接；保持器块，具有在柱体条的前端与齿条部分啮合的小齿轮部分，其中可旋转地安装保持器块；以及用于废料去除的条体，其为长条的形式，其后端支承在保持器块的上端上，与保持器块一起旋转并进入工作区域以去除废料。

附图说明

现在将参考附图图示的本发明的示例性实施方式来详细地描述本发明的上述和其它特征和优势，下文给出的这些实施方式仅仅用于示例说明，因此不是对本发明的限制，其中：

图1是示出根据本发明的示例性实施方式的用于制造膜电极组件的系统的示例性视图；

图2是图1中的“A”的示例性放大视图；

图3是示出根据本发明的示例性实施方式的用于制造膜电极组件的系统中的上冲模部和下冲模部的示例性放大视图；

图4是示出根据本发明的示例性实施方式的用于制造膜电极组件的系统中的上冲模部的木模具的示例性放大视图；

图5是示出根据本发明的示例性实施方式的用于制造膜电极组件的系统中的加热板和盘簧的示例性放大视图；

图6是示出根据本发明的示例性实施方式的用于制造膜电极组件的系统中的加热板和盘簧的示例性放大视图；

图7是示出根据本发明的示例性实施方式的用于制造膜电极组件的系统中的夹紧部的夹具的示例性放大视图；

图8是示出根据本发明的示例性实施方式的用于制造膜电极组件的系统中的夹紧部的夹具块的示例性放大视图；

图9是示出根据本发明的示例性实施方式的用于制造膜电极组件的系统中的废料去除部的示例性放大视图；并且

图10A至10D是示出根据本发明的示例性实施方式的用于制造膜电极组件的系统的使用的示例性示意图。

应当理解到，所附的附图并非必然是按比例的，其说明了本发明基本原理的各种示例性特征的一定程度上简化的代表。本文公开的本发明的具体设计特征，包括，例如，具体大小、方向、位置和形状将部分取决于具体的既定用途和使用环境。

在附图中，附图标记在几张图中通篇指代本发明的相同或等同部件。

具体实施方式

应理解，本文使用的术语“车辆”或“车辆的”或其它类似术语包括通常的机动车，例如，包括多功能运动车（SUV）、公共汽车、卡车、各种商务车的客车，包括各种船只和船舶的水运工具，飞行器等等，并且包括混合动力车、电动车、插入式混合电动车、氢动力车和其它代用燃料车（例如，来源于石油以外的资源的燃料）。如本文所提到的，混合动力车是具有两种或多种动力源的车辆，例如，具有汽油动力和电动力的车辆。

本文使用的术语仅仅是为了说明具体实施方式的目的而不是意在限制本发明。如本文所使用的，单数形式“一个、一种（a、an）”和“该（the）”也意在包括复数形式，除非上下文中清楚指明。还可以理解的是，在说明书中使用的术语“包括（comprises和/或comprising）”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或部件，但是不排除存在或添加一个或多个其它特征、整数、步骤、操作、元件、部件和/或其群组。如本文所使用的，术语“和/或”包括一个或多个相关所列项目的任何和所有组合。

下面将详细地参照本发明的各个实施方式，其实施例图示在所附附图中，并在下文加以描述。尽管将结合示例性实施方式描述本发明，但应当理解，本说明书无意于将本发明局限于这些示例性实施方式。相反，本发明不仅要涵盖这些示例性实施方式，还要涵盖由权利要求所限定的本发明的精神和范围内的各种替代形式、修改、等效形式和其它实施方式。

图1是示出根据本发明的示例性实施方式的用于制造膜电极组件的系统的示例性视图，而图2示出图1中的“A”的示例性放大视图。

如图1和2所示，用于制造膜电极组件的系统自动执行整个工艺，其中在装载工件（MEA和GDL）之后，在单一工艺中执行结合和冲压工件，并且最后执行去除残留在系统中的废料。

在该系统中，上冲模部12和下冲模部14可平行地垂直布置在系统主体（未示出）的顶部，并且用于驱动上冲模部12的驱动部18可布置在系统主体的底部。此外，下冲模部14可布置并支承在系统主体的底座（未示出）上，并且上冲模部12可支承在底座上并配置成通过可滑动地插入到布置在底座中的四个导套43中的四个导向轴16而垂直移动。下文将更详细地描述上冲模部12和下冲模部14的构造。

驱动部18允许上冲模部12垂直移动并且可以包括电动机15和连接臂17。电动机15可以为一类伺服电动机，其中输出轴从电动机15的两侧延伸，并且连接臂17的下端与输出轴的各端连接。此外，连接臂17的上端可与上冲模部12的导向轴16的下端连接，并且可使用适配器44作为连接媒介。

此外，适配器44可通过销钉与连接臂17连接并且可与导向轴16直接连接。因此，在导向轴16处的连接臂17的连接部分可执行往复运动，在输出轴处的连接臂17的连接部分可执行旋转运动，并且连接臂17可执行钟摆运动。因此，当驱动该驱动部18的电动机15时，连接臂17可通过输出轴的旋转而作为连接杆移动，因此上冲模部12可相应于连接臂17垂直移动。

具体地，可设置夹紧部23，以在结合和冲压工件之前夹紧工件。夹紧部23不具有单独动力，并且可通过驱动部18提供的动力工作。当通过驱动部18提供动力时，夹紧部23可与其各部件一起夹紧或松开工件。

另外，偏心轴29和凸轮盘19可安装在驱动部18的电动机15的输出轴的端部上（例如，在连接臂外侧的位置），具有辊56的辊块30可布置在紧邻凸轮盘19的上方，并且辊块30可与凸轮盘19的凸轮弯曲表面接触，并且可使用辊56支承在其上。因此，当凸轮盘19旋转时，凸轮盘19可相对于辊56沿凸轮弯曲表面移动，并由此沿凸轮弯曲表面的形状垂直移动。

两个杆20的下端可通过多个销钉而与辊块30连接，并且各个连接的杆20的上端可通过销钉而与连接块31连接。此外，杆20的上端的连接部分可布置在连接块31的轴21的连接部分上方。因此，当杆20垂直移动以水平移动连接块31的上端时，（例如，当连接块31关于轴21旋转时）与连接块31整体连接的轴21可以旋转。

两个杆20可具有“V”形，并且朝向布置在下冲模部14两侧的轴21延伸。轴21可平行地布置在下冲模部14的两侧并可支承在布置在底座上的支架45上，并且用于基本上夹紧工件的多个夹具22可以以固定间隔布置在轴21上。

换句话说，如图7所示，连接条32可从轴21延伸，并且在连接条32的上端的球46可与夹具22的底面连接。因此，夹具22可通过经轴21的旋转倾斜的连接条32而向前和向后移动。通过夹具22的向前和向后移动，可夹紧（例如，向前运动）和松开（例如，向后运动）工件。

此外，如图8所示，可设置夹具块34，用于向前和向后线性移动夹具22。夹具块34可固定在底座上，并且可包括在夹具块的壁上垂直形成的两个槽孔35。因此，位于夹具块34内的夹具22可通过夹具块34两侧的多个销钉33而插入到夹具块34中的槽孔35中，因此当连接条32倾斜时，夹具22可通过沿槽孔35引导的销钉33而执行向前和向后的线性移动。

图3是示出根据本发明的示例性实施方式的用于制造膜电极组件的系统中的上冲模部和下冲模部的示例性放大视图。

如图3所示，上冲模部12和下冲模部14配置成基本上结合和冲压工件。上冲模部12可包括配置成加热工件的第一加热板10a以及用于冲压工件的叶片11，并且可垂直移动以压制工件。下冲模部14可包括第二加热板10b以及配置成吸收和支承工件的多个流场13。

具体地，上冲模部12可具有如下结构，其中可顺序堆叠上冲模47、包括安装在其下表面的叶片11的木模具48、以及包括橡胶加热板与硅酮加热板49和上加热板50的加热板10a。如图4所示，可在木模具48中构建叶片11，以冲压模电极组件（MEA）。橡胶加热板与硅酮加热板49可以包括用于在结合工艺期间加热的加热丝以及在70~200℃的温度范围内使用的温度传感器。

此外，下冲模部14可具有如下结构，其中可顺序堆叠耐磨座24、移动板25、加热板10b、具有盘簧27的弹簧板28、绝缘体板51、和下板52。多个盘簧27可安装在下冲模部14的弹簧板28的整个区域上，以吸收在上冲模部12垂直移动期间施加的冲击。耐磨座24可与叶片11直接接触，并且当叶片11重复地接触耐磨座24的相同点时，耐磨座24可能损坏。

此外，如图6所示，轴53可垂直布置在耐磨座24和移动板25下方，棘轮26可安装在轴53的底部，并且轴53的上端可以以偏心方式与移动板25的下表面进行面接触。因此，当轴53通过来自棘轮26的动力旋转时，包括支承在轴53的上端上的耐磨座24的移动板25可稍微水平移动，由此防止在耐磨座24的相同点造成重复损伤。

此外，用于旋转棘轮26的动力可使用下文将描述的柱体36的动力。例如，具有钩件（未示出）和弹簧（未示出）的块体54可安装在废料去除部42的柱体条37上，并且在柱体36的操作期间，块体54可向前和向后移动，以通过钩件旋转棘轮26，由此通过棘轮26的旋转允许耐磨座24和移动板25的移动。

具体地，多个吸气孔55可形成在下冲模部14的下板52中。因此，当经由吸气孔55吸入空气时，可通过在耐磨座24和移动板25中形成的多个流场13来将吸力施加至工件，并且由此可将工件吸附到耐磨座24的上表面上并将其稳定地固定。

图9是示出根据本发明的示例性实施方式的用于制造膜电极组件的系统中的废料去除部的示例性放大视图。

如图9所示，废料去除部42可配置成在完成工艺时将MEA的残余物去除到系统外部，并且使用柱体36的动力去除废料。此外，柱体36可沿下冲模部14的侧面布置，并且通过底座后端支承在底座上。长条形式的柱体条37可与柱体36的杆连接，并且齿条部分38可布置在柱体条37的端部。

此外，保持器块40可以可旋转地布置在底座上的邻近齿条部分38的位置，并且与柱体条37的齿条部分38啮合的小齿轮部分39可布置在保持器块40上。

此外，长条形式的用于废料去除的条体41可水平地安装在保持器块40的上端，并且由保持器块的后端支承。用于废料去除的条体41可与保持器块40一起旋转，并且进入工作区域。进入工作区域的用于废料去除的条体41可刷拂耐磨座24的上表面，以去除其上放置的MEA的残余物。

另外，系统可以包括多个用于废料去除的条体41，并且用于废料去除的各个条体41可通过各个柱体的工作而工作，或者可通过连接机构连接至一个柱体并且与其一起工作。

将描述用于制造以上述方式构造的膜电极组件的系统的使用（例如，运行状态）。图10A至10D是示出根据本发明的示例性实施方式的用于制造膜电极组件的系统的使用的示例性示意图。

如图10A至10D所示，可通过电动机来旋转偏心轴和凸轮盘，并且可基于凸轮盘的相位变化，通过杆、轴和夹具的机械移动来固定工件（GDL和MEA）。同时，上冲模部可向下移动，以执行结合和冲压工艺，并且当上冲模部向上移动时，可卸下MEA。此外，可通过废料去除部来重复在冲压工艺期间产生的残余物的去除工艺。自动执行上述用于制造MEA的工艺。

下文将更详细描述该自动化工艺。

首先，例如可通过机器人将包括两个GDL100a和一个MEA100b的工件装载到下冲模部14的耐磨座24上。此外，如图10A所示，可通过流场13和穿过耐磨座24、移动板25和下板52的吸气孔55吸入空气，并且由此可将工件100吸附到耐磨座24的上表面上。

另外，如图10B所示，在凸轮盘19旋转时，与杆20连接的轴21可在预定范围内旋转，因此夹具22可通过轴21的旋转而向前移动，以夹紧被吸附到耐磨座24上的工件100的上表面。此外，可在稳定固定的工件100上执行结合和冲压工艺。

换句话说，当上冲模部12朝向下冲模部14向下移动时，可通过第一和第二加热板10a和10b加热和结合工件100，并且同时，可通过木模具48中的叶片11将工件加工为最终形状。

在完成该工艺时，在四个夹具22向后移动的同时，当例如通过机器人提取工件（由图10C中的附图标记200表示）时，可能残留冲压MEA的残余物。当柱体36向后移动时，在两侧用于废料去除的条体41可旋转90度以去除废料，并且当柱体36向前移动时，用于废料去除的条体41可返回至初始位置。

如上所述，根据本发明提供的用于制造燃料电池组的膜电极组件的系统提供下列优点。

第一，通过使MEA和GDL的结合和冲压工艺一体化，可以降低系统所需的安装面积。换句话说，与使用单独工艺的现有系统相比，其可以显著减少安装面积。第二，可以简化系统，从而促进系统的制造并且降低系统的制造成本。第三，通过使这些工艺一体化，可以降低燃料电池组的制造循环时间，由此促进大规模制造。第四，通过一体化的工艺，可以提高膜电极组件的质量。

本发明参考其示例性实施方式进行了详细描述。然而，本领域技术人员能够理解，可以在不偏离本发明的原理和精神的情况下对这些实施方式进行各种改变，本发明的范围由权利要求及其等同方式限定。

Claims (6)

1.一种用于制造燃料电池组的膜电极组件的系统，所述系统包括：

上冲模部，包括配置成加热工件的第一加热板和配置成冲压所述工件的叶片，其中所述上冲模部垂直移动；

下冲模部，包括配置成加热所述工件的第二加热板和配置成吸收和支承所述工件的流场；

驱动部，配置成垂直地移动所述上冲模部，其中所述驱动部包括电动机和连接臂，所述连接臂与所述电动机的输出轴连接并且同时与所述上冲模部的导向轴连接；以及

夹紧部，配置成与经安装在所述电动机的输出轴上的凸轮盘的旋转而工作的杆、轴和夹具一起，通过从所述驱动部接收动力来夹紧所述工件。

2.根据权利要求1所述的系统，其中所述下冲模部还包括：

耐磨座，与所述叶片接触；以及，

移动板，其中所述耐磨座和所述移动板与棘轮连接，所述棘轮配置成水平地移动所述耐磨座和所述移动板，以防止重复地损伤所述耐磨座和所述移动板。

3.根据权利要求1所述的系统，其中所述下冲模部包括弹簧板，所述弹簧板包括多个盘簧，其中所述弹簧板布置在所述第二加热板的下表面上，以吸收通过所述上冲模部的垂直移动而施加的冲击。

4.根据权利要求1所述的系统，其中所述夹紧部包括：

偏心轴和凸轮盘，安装在所述电动机的输出轴上；

辊块，与所述凸轮盘的凸轮弯曲表面接触，其中所述杆从所述辊块向上延伸；以及，

连接块，与所述杆的上端连接，其中所述轴与所述连接块连接并沿所述下冲模部的侧面布置，并且通过连接条与所述轴连接的所述夹具配置成向前和向后移动，以夹紧和松开所述工件。

5.根据权利要求1所述的系统，其中通过两侧的销钉将所述夹紧部的夹具插入到夹具块中的槽孔中，并且将其沿所述槽孔引导以向前和向后移动。

6.根据权利要求1所述的系统，还包括：

废料去除部，包括沿所述下冲模部的侧面水平布置的柱体；

柱体条，与所述柱体的杆连接；

保持器块，包括在所述柱体条的前端与齿条部分啮合的小齿轮部分，其中所述保持器块可旋转地安装在所述柱体条上；以及，

用于废料去除的条体，其为长条的形式，其中所述条体的后端支承在所述保持器块的上端上，并且配置成与所述保持器块一起旋转并进入工作区域以去除废料。

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