CN104835978B - 质子交换膜燃料电池电堆自动化装配系统 - Google Patents

Abstract

一种质子交换膜燃料电池电堆自动化装配系统，主要包括机架、组件传送机构、组件拾取机构、电堆装配机构、在线密封检测器、位移控制机构、横向限位机构、电堆推出机构、电堆转移机构及相应控制系统。采用本发明的自动化装配系统，可实现燃料电池电堆的连续性、自动化装配和在线密封检测，同时在装配过程中实现了无定位销装配和可控位移装配模式，避免了定位销拉拔对电堆装配质量造成的损害，以及装配位移偏差造成的电堆整体性能较低等问题。通过这种电堆自动化装配系统，可实现不同型号电堆的自动化装配，保证了电堆装配的可靠性、一致性，提高了电堆装配效率。

Description

质子交换膜燃料电池电堆自动化装配系统

技术领域

本发明涉及自动化系统，特别涉及一种质子交换膜燃料电池电堆自动化装配系统。

技术背景

燃料电池在原理和结构上不同于常规意义上的电池，它是一种按电化学方式直接将贮存在燃料和氧化剂的化学能转化为电能的装置。在环境污染越来越严重以及化石能源越来越紧张的今天，人类急需一种新的可持续无污染的能源来替代现有能源结构。燃料电池由于其环境友好、转化效率高的特点，有望作为化石燃料的替代能源而越来越受到世界各国政府以及能源动力厂商的重视。燃料电池的分类很多，通常按照电池所采用的电解质分类，燃料电池可分为碱性燃料电池、磷酸型燃料电池、质子交换膜燃料电池、固体氧化物燃料电池、熔融碳酸盐型燃料电池等。其中，质子交换膜燃料电池由于其采用固态电解质高分子膜作为电解质，工作中无电解质泄漏、安全、能量密度高、可靠性高，且可在低温(80℃左右)的环境中工作，凭借着这些特点质子交换膜燃料电池有望成为未来移动电源和固定电源的首选，故目前质子交换膜燃料电池成为了燃料电池领域的研究热点。

质子交换膜燃料电池电堆主要有膜电极组件(即membrance electrodeassembly，MEA)、双极板、密封元件、两侧端板和紧固螺栓等组成。其中双极板广泛采用石墨双极板或金属双极板，双极板两侧的流场分别是氧化剂(如氧气)与燃料(如氢气)的通道，以确保氧化剂和燃料能够均匀分配到MEA各个部分，然后与MEA上催化层接触发生氧化还原反应进而产生电流。

在实际应用中，通常需要将多个单电池通过串联的方式组装到一起形成燃料电池电堆来使用。燃料电池电堆在组装过程中，燃料电池装配技术直接影响到电堆密封性能、接触性能以及传质性能，最终影响到电池的输出性能。同时，燃料电池电堆在工作过程中还需保证燃料电池内部氧化剂和燃料要严格隔离，不能互窜，以免发生危险。同时，随着对燃料电池电堆功率的要求逐渐提高，大型电堆越来越受到人们的关注。

图1所示为现有的质子交换膜电池电堆的结构示意图，由多个单电池201串联，被两侧的端板202夹在中间。根据燃料电池电堆的结构特点和工作特性要求，在燃料电池装配过程中需要保证燃料电池电堆每个单电池对齐装配，电堆能够正常高效地工作的前提是电堆密封性以及MEA压缩量得到有效的保证，故需准确地将电堆纵向尺寸压缩到合适的大小，同时电堆所需的纵向尺寸随着电堆单电池数量以及MEA型号的变化也随之发生相应的变化。在目前的电堆装配设备中，重点强调的是将燃料电池电堆各组件通过压力结合在一起，并不能保证电堆各组件具有合适的压缩量。同时，需要利用定位销保证电堆装配过程中电堆各组件的对齐，在电堆装配结束后需将定位销拔出以免影响燃料电池电堆的正常工作，但是随着电堆纵向尺寸的越来越大，强行将定位销拔出将会损坏电堆组件如极板、MEA等；其次，对于大型电堆装配，定位销已经不能有效起到定位的作用，装配压紧时容易因为密封圈滑移进而造成电堆歪斜失稳。此外，在现有的电堆装配工作中，基本都是通过人工将电堆组件组合在一起，装配一个大型电堆则需花费较长时间，且人工操作难以保证电堆装配质量的稳定性。再者，在目前的装配中，需要将电堆完全装配好后再进行电堆的密封性检测，这样不仅降低了电堆装配效率，同时往往因为电堆某一节单电池出现密封问题将导致整个电堆的重新装配，极大地较低了电堆装配效率。

中国专利CN200969374Y记载了“一种用于装配燃料电池堆的压紧设备”。该设备的技术特点在于：设备工作时，压力可调压紧装置推动第二模板以及垫块和燃料电池堆一起向第一模板方向运动，将燃料电池电堆的两端板压紧。该压紧设备虽然适用于装配多种尺寸规格的燃料电池电堆，能够保证装配过程中燃料电池堆端板上每个区域的受力均匀性。但是，该机构依然采用定位销进行电堆电池间的横向定位，在电堆电池数量较多时，难以有效地限制电堆横向因为密封圈的滑动造成的电堆歪斜现象；其次，电堆压紧后拔出定位销时容易损坏电堆内部结构。

中国专利CN201110065618，名称为燃料电池电堆的自动化装配装置，提出了一种能够对燃料电池电堆进行半自动装配的设备。该设备通过压力可调压装置对电堆进行预压紧，然后通过自动拧螺栓装置对电堆上的装配螺栓进行自动拧紧操作。该发明解决了因为手动拧紧螺栓造成的电堆不同位置螺栓扭矩大小不一致，从而导致电堆组件受力不对称等问题。但是，实际装配中，装配力不能有效地确定，需多次调节所需要的压缩量，装配效率低。

中国专利CN201134470Y，名称为一种燃料电池电堆装配机，提出了一种可调式燃料电池电堆装配机。该装置的技术特点在于：该装置采用横向压机放置的装配模式，并利用可升降工作台调整使电堆中心和压力调节装置的轴心一致。该发明具有使电堆受力均匀、适用于不同规格电堆的装配等优点。但是，该装置利用升降平台难以准确保证电堆中心和压力可调节装置轴心的一致性，易发生电堆歪斜，损坏电堆组件。

由以上专利可知，现有的燃料电池电堆装配机构普遍存在装配效率低、人工操作误差大、可重复性较低、较难有效控制电堆压缩位移等不足。

发明内容

本发明的目的，就是为了克服上述现有技术存在的问题，提供一种新的质子交换膜燃料电池电堆自动化装配系统。

为了实现本发明的目的，本发明采用了以下技术方案：一种质子交换膜燃料电池电堆自动化装配系统，包括机架、组件传送机构、组件拾取机构、电堆装配机构、在线密封检测器、位移控制机构、横向限位机构、电堆推出机构、电堆转移机构及相应控制系统；其中：组件拾取机构、电堆装配机构、在线密封检测器、位移控制机构和横向限位机构分别安装在机架的不同位置，电堆推出机构安装在机架底部的一侧，组件传送机构设置在机架的组件入口处，电堆转移机构设置在机架的电堆出口处。

所述机架包括机架上平台、机架底座、导轨和支撑型材，导轨和支撑型材分别垂直连接在机架上平台和机架底座之间。

所述的组件传送机构包括组件传送支架和架设在组件传送支架上的组件传送平台，组件传送机构将装配电堆所需组件精确传送到组件拾取装置的拾取位置，实现组件自动、连续输送。

所述的组件拾取机构包括水平直线电机组件、竖直直线电机组件和组件拾取器，竖直直线电机组件安装在机架上平台上，水平直线电机组件安装在竖直直线电机组件上，组件拾取器安装在水平直线电机组件上；组件拾取机构拾取组件传送平台传送过来的电堆组件并精确旋转到装配位置。

所述电堆装配机构包括动力缸、顶杆、推动平台和电堆装配平台，动力缸固定在机架上平台上并依次与顶杆和推动平台相连，电堆装配平台设置在推动平台的下方，推动平台和电堆装配平台分别通过直线轴承与机架导轨连接，推动平台上设置有与电池电堆的阴极、阳极的进气口和出气口相对应的气路及对应的密封结构，配合在线密封检测器实现对电堆的密封性检测。

所述在线密封检测器安装在机架上平台上并通过气管与电堆装配机构中的推动平台上的气路相连，实现电堆的在线密封检测。

所述位移控制机构包括位移调节器、位移标尺、压力传感器以及相应的控制系统，其中，位移标尺连接在机架上平台的下方，位移调节器与推动平台相连，压力传感器设置在位移调节器内侧与推动平台底面相对的面上。

所述的横向限位机构包括横向限位直线电机和横向限位推杆，横向限位直线电机安装在机架的支撑型材上，横向限位推杆固定安装在横向限位直线电机轴的末端，通过调节横向限位推杆的位置防止电堆歪斜失稳并实现无定位销装配。

所述的电堆推出机构包括电堆推出直线电机和电堆推出推杆，电堆推出直线电机安装在机架的机架底座上，电堆推出推杆固定安装在电堆推出直线电机轴的末端，通过电堆推出推杆将装配好的电堆从电堆装配平台上推到电堆转移机构上。

所述电堆转移机构包括电堆转移支架和安装在电堆转移支架上的电堆转移传送平台，电堆转移传送平台将装配完成的电堆移出，实现电堆连续、自动输出。

所述推动平台上设有与横向限位机构的横向限位推杆行程对应的开槽结构，实现适应不同型号电堆的装配。

所述电堆装配平台下方连接有升降架，通过升降架的上下移动调节电堆装配平台的上下位置。

所述动力缸为液压式气缸或油缸。

所述横向限位机构共三组，分别安装在机架的三个侧向的支撑型材上。

所述在线密封检测器上设置了用于连接检测气体气源的快速接头和气压表。

所述的组件传送平台为组件传送带或其他传送装置。

所述的电堆转移平台为电堆移出传送带或其他传送装置。

本发明通过以下方式进行工作：通过位移调节器设定电堆预定压缩位移值；通过组件传送机构将所需要的电堆组件传送到组件传送平台末端；通过程序控制组件拾取机构拾取传送的组件精确移动到电堆装配平台上相应的位置；每放置一个电堆组件在电堆装配平台上后，电堆装配平台通过升降架的控制向下移动与组件厚度一样的位移；控制横向限位机构使横向限位推杆与电堆侧面接触，防止电堆歪斜失稳；逐渐增大动力缸压力进而通过顶杆压头推动推动平台下移并推动电堆端板压紧电堆；当电堆位移压缩到预先通过位移调节器设定的压缩位移值时，停止增加动力缸压力；通过在线密封检测器检测电堆的气密性；通过螺栓或绑带的形式将电堆固定；调节动力缸压力带动推动平台上移；调节电堆装配平台使电堆下移至机架底部；通过电堆推出机构将完成装配的电堆推送到电堆转移平台上，完成燃料电池电堆的装配。

与现有技术相比，本发明的特点在于：可以通过程序控制实现燃料电池电堆自动化装配，提高了装配效率，减少了人工装配造成的不必要的失误；通过设置在线密封检测器实现在电堆装配的同时对电堆进行密封检测；通过设置位移控制机构实现对电堆可控位移的装配；通过在侧面设置横向限位机构，在压紧电堆时起到对电堆横向位移的约束，防止大型电堆在装配时因为密封圈滑移造成的电堆侧向歪斜失稳，实现并增强了传统定位销的功能，同时避免了拉拔定位销对电堆造成的破坏；通过采用全自动、连续性装配以及对电堆的装配和检测相结合的方式，大大提高了电堆的装配效率，排除了人工装配中造成不均一性；同时能够针对不同型号电堆进行快速装配，应用广泛。

附图说明

图1为质子交换膜燃料电池电堆的结构示意图；

图2为质子交换膜燃料电池电堆自动化装配系统的整体结构示意图；

图3为横向限位机构的局部示意图；

图4为在线密封检测器和位移控制机构的局部结构示意图；

图5为位移控制机构的局部结构示意图；

图6为横向限位机构对电堆约束示意图。

具体实施方法

参见图2至图5，本发明的质子交换膜燃料电池电堆自动化装配系统，包括机架28、组件传送机构23、组件拾取机构24、电堆装配机构25、在线密封检测器9、位移控制机构38、横向限位机构30、电堆推出机构29、电堆转移机构33及相应控制系统；其中：组件拾取机构、电堆装配机构、在线密封检测器、位移控制机构和横向限位机构分别安装在机架的不同位置，电堆推出机构安装在机架底部的一侧，组件传送机构设置在机架的组件入口处，电堆转移机构设置在机架的电堆出口处。本发明中的机架28包括机架上平台26、机架底座16、导轨18和支撑型材13，导轨和支撑型材分别垂直连接在机架上平台和机架底座之间。

本发明中的组件传送机构23包括组件传送支架22和架设在组件传送支架上的组件传送平台1，组件传送机构将装配电堆所需组件精确传送到组件拾取装置的拾取位置，实现组件自动、连续输送。

本发明中的组件拾取机构24包括水平直线电机组件3、竖直直线电机组件4和组件拾取器5，竖直直线电机组件安装在机架上平台26上，水平直线电机组件安装在竖直直线电机组件上，组件拾取器安装在水平直线电机组件上；组件拾取机构拾取组件传送平台传送过来的电堆组件并精确旋转到装配位置。图1中所示，2为水平移动机构，用于安装水平直线电机组件和组件拾取器。

本发明中的电堆装配机构25包括动力缸7、顶杆34(配合参见图4)、推动平台6和电堆装配平台19，动力缸固定在机架上平台26上并依次与顶杆和推动平台相连，电堆装配平台设置在推动平台的下方，推动平台和电堆装配平台分别通过直线轴承与机架导轨连接，推动平台上设置有与电池电堆的阴极、阳极的进气口和出气口相对应的气路及对应的密封结构，配合在线密封检测器实现对电堆的密封性检测。在推动平台6上设有与横向限位机构的横向限位推杆行程对应的开槽结构(配合参见图3)，实现适应不同型号电堆的装配。在电堆装配平台19下方连接有升降架17，通过升降架的上下移动调节电堆装配平台的上下位置。上述动力缸为液压式气缸或油缸。

本发明中的在线密封检测器9安装在机架上平台上并通过气管10与电堆装配机构中的推动平台6上的气路相连，实现电堆的在线密封检测。在在线密封检测器上设置了用于连接检测气体气源的快速接头8和气压表。

配合参见图4、图5，本发明中的位移控制机构38包括位移调节器35、位移标尺36、压力传感器(未图示出来)以及相应的控制系统，其中，位移标尺连接在机架上平台的下方，位移调节器与推动平台相连，压力传感器设置在位移调节器内侧与推动平台底面相对的面上。

配合参见图3，本发明中的横向限位机构30包括横向限位直线电机12和横向限位推杆11，横向限位直线电机安装在机架的支撑型材13上，横向限位推杆固定安装在横向限位直线电机轴的末端，通过调节横向限位推杆的位置防止电堆歪斜失稳并实现无定位销装配。配合参见图6，本发明中的横向限位机构共三组，分别安装在机架的三个侧向的支撑型材上。从三个方向对电堆20进行限位。

本发明中的电堆推出机构29包括电堆推出直线电机14和电堆推出推杆15，电堆推出直线电机安装在机架的机架底座16上，电堆推出推杆固定安装在电堆推出直线电机轴的末端，通过电堆推出推杆将装配好的电堆从电堆装配平台上推到电堆转移机构上。

本发明中的电堆转移机构33包括电堆转移支架和安装在电堆转移支架上的电堆转移传送平台21，电堆转移传送平台将装配完成的电堆移出，实现电堆连续、自动输出。

本发明中的组件传送平台1为组件传送带或其他传送装置。

本发明中的电堆转移平台21为电堆移出传送带或其他传送装置。

本发明质子交换膜燃料电池电堆自动化装配系统工作过程如下：调整位移调节器35在位移标尺36上的位置及设定电堆预定压缩位移值；通过程序控制将燃料电池电堆所需组件按照一定的顺序通过组件传平台1精确运送到组件传送平台1末端及组件拾取器5拾取组件的位置；通过程序控制组件拾取器5将电堆组件准确移动到电堆装配平台19上相应的位置；每放置一个组件到电堆装配平台19上后，通过程序控制升降架17带动电堆装配平台19下移与对应组件厚度一致的位移；如图3和图6所示，当所有组件都放置到电堆装配平台19上后，通过程序控制将各横向限位推杆11移动到与电堆20侧面接触的位置；向动力缸7的一侧逐渐通入气体，让动力缸7内的气体压力逐渐上升，推动推动平台6向下移动，实现对电堆20的压紧工作；如图5所示，当推动平台6到达一定的位置与位移调节器35内侧接触时，停止向动力缸7增加压力；通过连接外部气源(未标示)的气体快速接头8提供一定气体压力的检测气体并通过气管10和推动平台6上的接口将检测气体通入到电推20内部并关闭气源，通过观察在线密封检测器9上的压力表观察电堆20内部气体压力变化，完成电堆20密封检测工作；利用绑带装配或螺栓装配等形式将电堆20固定；排出动力缸7中最初充入的气体，同时向动力缸7活塞另一侧通入气体，让推动平台6上移；调节升降架17将电堆20移动到机架底座16上，通过程序控制电堆推出机构29中的电堆推出直线电机14进而控制电堆推出推杆15将电堆装配平台19上完成装配的电堆推送至电堆转移平台21上，从而完成整个电堆自动装配过程。

Claims (5)

1.一种质子交换膜燃料电池电堆自动化装配系统，其特征在于：包括机架、组件传送机构、组件拾取机构、电堆装配机构、在线密封检测器、位移控制机构、横向限位机构、电堆推出机构、电堆转移机构；其中：组件拾取机构、电堆装配机构、在线密封检测器、位移控制机构和横向限位机构分别安装在机架的不同位置，电堆推出机构安装在机架底部的一侧，组件传送机构设置在机架的组件入口处，电堆转移机构设置在机架的电堆出口处；

所述机架包括机架上平台、机架底座、导轨和支撑型材，导轨和支撑型材分别垂直连接在机架上平台和机架底座之间；

所述的组件传送机构包括组件传送支架和架设在组件传送支架上的组件传送平台，组件传送机构将装配电堆所需组件精确传送到组件拾取装置的拾取位置，实现组件自动、连续输送；

所述的组件拾取机构包括水平直线电机组件、竖直直线电机组件和组件拾取器，竖直直线电机组件安装在机架上平台上，水平直线电机组件安装在竖直直线电机组件上，组件拾取器安装在水平直线电机组件上；组件拾取机构拾取组件传送平台传送过来的电堆组件并精确旋转到装配位置；

所述电堆装配机构包括动力缸、顶杆、推动平台和电堆装配平台，动力缸固定在机架上平台上并依次与顶杆和推动平台相连，电堆装配平台设置在推动平台的下方，推动平台和电堆装配平台分别通过直线轴承与机架导轨连接，推动平台上设置有与电池电堆的阴极、阳极的进气口和出气口相对应的气路及对应的密封结构，配合在线密封检测器实现对电堆的密封性检测；

所述在线密封检测器安装在机架上平台上并通过气管与电堆装配机构中的推动平台上的气路相连，实现电堆的在线密封检测；

所述位移控制机构包括位移调节器、位移标尺、压力传感器以及相应的控制系统，其中，位移标尺连接在机架上平台的下方，位移调节器与推动平台相连，压力传感器设置在位移调节器内侧与推动平台底面相对的面上；

所述的横向限位机构包括横向限位直线电机和横向限位推杆，横向限位直线电机安装在机架的支撑型材上，横向限位推杆固定安装在横向限位直线电机轴的末端，通过调节横向限位推杆的位置防止电堆歪斜失稳并实现无定位销装配；

所述的电堆推出机构包括电堆推出直线电机和电堆推出推杆，电堆推出直线电机安装在机架的机架底座上，电堆推出推杆固定安装在电堆推出直线电机轴的末端，通过电堆推出推杆将装配好的电堆从电堆装配平台上推到电堆转移机构上；

所述电堆转移机构包括电堆转移支架和安装在电堆转移支架上的电堆转移传送平台，电堆转移传送平台将装配完成的电堆移出，实现电堆连续、自动输出。

2.根据权利要求1所述质子交换膜燃料电池电堆自动化装配系统，其特征在于：所述推动平台上设有与横向限位机构的横向限位推杆行程对应的开槽结构，实现适应不同型号电堆的装配。

3.根据权利要求1所述质子交换膜燃料电池电堆自动化装配系统，其特征在于：所述电堆装配平台下方连接有升降架，通过升降架的上下移动调节电堆装配平台的上下位置。

4.根据权利要求1所述质子交换膜燃料电池电堆自动化装配系统，其特征在于：所述动力缸为液压式气缸或油缸。

5.根据权利要求1所述的质子交换膜燃料电池电堆自动化装配系统，其特征在于：所述横向限位机构共三组，分别安装在机架的三个侧向的支撑型材上。