CN109643819A - 用于堆叠燃料电池堆的组装装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于在竖直方向上堆叠燃料电池堆的组装装置，所述燃料电池堆由膜电极单元和双极板交替构成。

Description

用于堆叠燃料电池堆的组装装置

技术领域

本发明涉及一种用于竖直堆叠由交替的膜电极单元和双极板构成的燃料电池堆的组装装置。

背景技术

燃料电池堆或“堆”简而言之由一个堆叠在另一个的顶部上的多个燃料电池、上盖板和下盖板组成。膜电极单元(或简称MEA)和双极板(或简称BPP)交替堆叠在上盖板和下盖板之间。堆叠的燃料电池的数量取决于“堆”的期望功率输出，并且可以是具有大约680mm的结构高度的大约600个部件。例如在DE 10 2016 213 266 A1和DE 10 2015 223 193 A1中公开了用于组装燃料电池堆的装置。

燃料电池堆常规上可以使用两种不同的工艺来生产。因此，一方面，可以在装置中进行堆叠、挤压和最终的张紧元件装配，然后将燃料电池堆从装置移除并运输到组装工艺的剩余部分。另一方面，燃料电池堆可以堆叠在装置中，然后转移到附接到操纵器(例如机器人)的压力机。然后将堆包括压力机转移到用于张紧元件装配的装置，之后将它们运输到组装工艺的剩余部分。两种工艺的共同特征是必须采取预防措施以保持燃料电池堆的各个层在堆叠期间的形状和位置，考虑到密封MEA的材料由仅具有极低固有稳定性的高弹性材料构成，尤其必须确保如此。总之，所概述的工艺不是以整合的方式配置的，而是必须使用相当大的额外后勤努力将各种生产站连接在一起。这导致相当长的周期时间。

在此基础上，期望燃料电池堆的生产能够提供允许减少周期时间的组装辅助装置。此外，组装辅助装置必须能够在整个工艺中将由于其结构高度和各个部件的不同材料而非常不稳定的燃料电池堆保持在限定的形状和位置。由于上盖板和下盖板横向突出到燃料电池之外，使得必须采取特定的结构预防措施来为燃料电池层提供不受盖板阻碍的横向定位表面，因此这种情况变得更糟。最后，必须确保在挤压之后并且在张紧元件装配之前，可以围绕燃料电池堆来装配绝缘元件。于是必须可以装配张紧元件。最后，有利的是，要使用组装辅助装置来进行的生产工艺既可以在机器人单元中实施，也可在常规的运输系统中实施。

发明内容

在上述基础上，本发明的目的在于提供一种满足上述要求的组装辅助装置。

该目的通过一种用于竖直堆叠由交替的膜电极单元和双极板构成的燃料电池堆的组装装置来实现，该组装装置具有基板、盖板和至少在每种情况下布置在两个端面中的每一个处的一个连接件，其中，在组装装置内部通过多个竖直定向的定位条来限定大致立方体的组装室，以便在堆叠期间经由定位条将膜电极单元和双极板相对于彼此定位。

利用根据本发明的组装装置，提供了组装辅助装置，组装辅助装置在各个堆叠部件保持在组装装置中时贯穿生产工艺的所有步骤。这意味着，首先，必要的部件(尤其是MEA、BPP以及下盖板和上盖板)堆叠在组装装置中，然后堆叠的部件与组装装置一起被运输到压力机，以便在其中进行挤压并且被设置有绝缘元件和张紧元件，并且最终被挤压的燃料电池堆从组装装置移除并供应给组装工艺的剩余部分。这时，当前空置的组装装置可以用于新的生产工艺。由于定位条永久地保持与MEA和BPP层接触，定位条有利地确保堆叠部件在堆叠期间保持就位。

在本发明的一个有利配置中，提供了用于使定位条同步移位的驱动器。这有利地确保了组装室可以在其尺寸上变化，并且可以适应于待构造的燃料电池堆的不同几何形状。在一个特定配置中，定位条能够水平移位。这是有利的，因为待生产的燃料电池堆的下盖板在周向上大于待堆叠在下盖板上的燃料电池(由MEA和BPP组成)，并且定位条的移位最初打开腔室以将下盖板插入到组装装置中。然后将定位条向后移动到定位条之间的水平距离正好对应于待堆叠的燃料电池的尺寸的位置。这确保了在堆叠各个燃料电池的工艺期间，部件(MEA、BPP、密封件等)在任何时候都靠在定位条上并从而牢固地保持和定位。

在本发明的一个有利配置中，驱动器在每种情况下包括布置在连接件中用于传输到定位条的传输机构。这是有利的，因为在连接件中存在足够的空间来在其中容纳传输机构。还可以将传输机构设置为延伸直至组装装置的基板和盖板中。

在本发明的一个有利的配置中，驱动器具有接口，经由该接口可以引入机械的、电的、液压的或气动的驱动能量。这是有利的，因为这些形式的驱动能量之一通常在生产或车间环境中直接可得。

在本发明的一个有利配置中，定位条各自包括竖直固定的第一条带部和竖直移动的第二条带部。这确保了燃料电池堆的不同部件可以在挤压燃料电池堆时根据相对于第一条带部和第二条带部的竖直布置进行竖直相对运动。可以在挤压期间以这种方式有利地确保组装装置的对准功能。

在本发明的一个有利配置中，移动的条带部布置在定位条的上部区域中。这是有利的，因为燃料电池从底部向上堆叠，并且然后从顶部向下挤压，使得在挤压时行进更大距离的燃料电池堆的上部区域不会相对于条带部移动，而是与移动的上条带部一起向下移动。

在本发明的一个有利配置中，移动的条带部经由弹簧装置相对于固定条带部装载到竖直的上部原始位置。以这种方式，当卸载时，移动的条带部总是采取限定的位置。两个条带部的竖直高度有利地基本上对应于当移动的条带部处于原始位置时待堆叠的燃料电池堆的最大高度。

在本发明的一个有利配置中，定位条各自布置在连接件上，以便在基板与盖板之间延伸。这确保了将围绕燃料电池堆的定位条尽可能均匀地堆叠，从而保证组装装置的对准功能。

在本发明的一个有利配置中，一个定位条布置在每个连接件上，并且两个定位条布置在连接连接件的组装装置的每个侧部上的基板与盖板之间。当连接件布置在窄侧上并且侧部布置在组装装置的长侧上时，该配置是有利的。以此方式，在堆叠期间在所有侧上确保燃料电池的令人满意的对准。

在本发明的一个有利配置中，用于容纳燃料电池堆的可竖直调整的部件容纳部布置在基板上。竖直可调整的部件容纳部确保在组装装置中可以产生不同高度的燃料电池堆。

在本发明的一个有利配置中，设置有接触板，可以经由接触板连接操纵器(特别是机器人)以运输组装装置。这确保了组装装置可以贯穿组装工艺的所有步骤，即绝缘元件和张紧元件的堆叠、挤压、装配以及组装工艺的剩余部分。

附图说明

下面基于所附附图解释本发明的进一步的特征、细节和优点，附图仅示出了本发明的示例性实施例，并且其中：

图1示出根据本发明的组装装置的一种配置；

图2是根据图1的组装装置的另一图示；

图3是根据图1的组装装置与燃料电池堆的另一图示；

图4示出根据本发明的组装装置的另一配置；和

图5是根据图1的组装装置的另一图示，其中燃料电池堆处于移除位置。

具体实施方式

图1示出了根据本发明的组装装置10，其描绘了用于生产燃料电池堆的组装辅助装置。组装装置10由基板12、盖板14以及在基板12与盖板14之间的两侧上延伸的连接件16₁和16₂。基板12包括容纳待堆叠的燃料电池堆的部件容纳部24。部件容纳部24能够在组装装置10内在高度方向上竖直调整。连接件16₁、16₂中的至少一个可以包括接触板26，组装装置10可以由操纵器(未示出，例如机器人)经由接触板26来保持和移动。为了描述方向，在图1中示出了直角坐标系，其具有x方向、y方向和z方向。基于此，z方向表示竖直方向，而x方向和y方向表示水平方向。

组装装置10在其内形成用于生产燃料电池堆的大致立方体的组装室18。组装室18也可以采用其他形状。组装室18在周向上由多个竖直延伸的定位条40限定。在该情况下，总共设置六个定位条40₁至40₆，不同数量的定位条也是可行的。在六个定位条40₁至40₆中，两个定位条40₁、40₂布置在连接件16₁、16₂的相应内侧上，并且在每种情况下，两组定位条40₃、40₄和40₅、40₆布置在与连接件16₁、16₂连接的组装装置10的每个侧部上。

另外参考图2，定位条40₁至40₆及其功能在下面以第一可能配置进行解释。该第一配置基于在燃料电池堆的上盖板和下盖板中没有设置“组装槽”的变型。相反，提供了在燃料电池堆的上盖板和下盖板中具有组装槽的变型，其中组装槽构成设置在盖板的外周处的凹口。在这种情况下，下盖板的组装槽与上盖板的组装槽竖直对齐。多个组装槽可以围绕外周设置，例如，其数量可以对应于组装装置的定位条的数量。

在燃料电池堆没有组装槽的变型的组装装置10的第一配置中，定位条40₁至40₆中的每一个包括竖直固定的下条带部42和可竖直移动的上条带部44。可移动的上条带部44经由弹簧装置46装载到竖直的上部原始位置中，弹簧装置46抵靠在相应定位条40的基部构件上。上条带部44可以克服弹簧装置46的弹簧力竖直向下移动。此外，定位条40₁至40₆能够水平移位。尤其将连接件侧的定位条40₁、40₂设置为能够在x方向上移位并且将侧部侧的定位条40₃至40₆设置为能够在y方向上移位。为了移位定位条40₁至40₆，设置有驱动器20，驱动器20包括布置在连接件16₁、16₂中的传输机构22和布置在基板12和盖板14的区域中的侧部侧上的滑轨28₁至28₄。定位条40₃至40₆分别通过滑轨28₁至28₄保持在基板12或盖板14上，并且可以通过传输机构22在y方向上移位。连接件侧定位轨40₁、40₂可以例如直接通过传输机构22在x方向上移位。

为了开始燃料电池堆的堆叠，首先，将定位条40₁至40₆在其各自的水平方向上相对于组装室18向外移位，即组装室18扩大了。然后，将待堆叠的燃料电池堆的下盖板插入到部件容纳部24上并插入到组装装置10中。为此，部件容纳部24位于下部竖直位置。然后，定位条40₁至40₆再次水平向内移位，直到其与待堆叠的燃料电池堆的插入的下盖板横向接触。然后，通过交替堆叠BPP和MEA层来堆叠燃料电池堆。在堆叠期间，这些堆叠的BPP和MEA层逐渐与定位条40₁至40₆的竖直固定的下条带部42接触，并且随着工艺继续而与可竖直移动的上条带部44接触。BPP和MEA层从而被均匀地定位，并随着工艺继续而保持在该位置。堆叠工艺的最后步骤在于放置燃料电池堆的上盖板。在这种情况下，燃料电池堆的上盖板与定位条40₁至40₆的可移动上条带部44接触。如下面更详细地描述的，燃料电池组的上盖板之间的这种接触确保了在燃料电池堆的后续挤压时，可移动的上条带部44克服弹簧载荷在整个挤压行程上向下移位，并且保持上条带部44和下条带部42的对准功能。图4中示出了根据本发明的组装装置10中的成品堆叠燃料电池堆32。

在具有组装槽的燃料电池堆的变型中，可以使用组装装置10的另一配置，其中可以免去定位条40₁至40₆的所述水平移位。在这种情况下，可以在部件容纳部24的下部位置和其上部位置开始堆叠BPP层和MEA层。在组装装置10的这种配置中，还可以免去定位条40₁至40₆的可移动的上条带部44。如果在部件容纳部24处于上部位置时开始堆叠，则在BPP层和MEA层的堆叠期间，部件容纳部24逐渐降低。

图4示出了组装装置10的另一配置，其中连接件16₁、16₂水平地分成两个，其中，相应的上部部件能够相对于相应的下部部件伸缩。此外，成品的挤压后的燃料电池堆24容纳在组装装置中。这种伸缩布置允许可移动的上条带部44的功能再现，使得在此不需要这些功能。这简化了用于在挤压之后装配另外的元件的通路。在这种情况下，可以免去部件容纳部24的高度可调性。为了实现定位条40₁至40₆与基板12或盖板14之间的相对运动，定位条40₁至40₆可以例如通过开口30穿过基板12。

可以使用机器人或传统的运输系统将组装装置10从一个站传送到下一个站。为了使用机器人进行运输，设置了接触板26。机器人设置有用于稳定位于组装装置10中的燃料电池堆(堆)的下保持器。为了使用运输系统传送组装装置10，可以使用单独的工件保持器。这里也必须设置下保持器来稳定位于组装装置10中的燃料电池堆(堆)。如果没有设置单独的工件保持器，则组装辅助装置也可以直接在运输系统上传送。为此，必须在组装装置上为运输系统设置适当的元件(运行轨道等)。对于手动运输，可以在组装装置上设置适当的吊装点。

在挤压期间，挤压工具与组装装置10的盖板14接触，并将成品的堆叠燃料电池堆竖直地挤压至最终尺寸。在这种情况下，在整个挤压操作中保持与BPP和MEA层接触的定位条40₁至40₆确保了BPP和MEA层保持牢固定位。在这种情况下，上条带部44的行程对应于挤压行程。在挤压操作期间，BPP和MEA层可以沿着定位条40₁至40₆并相对于下条带部42竖直滑动。由于燃料电池堆的盖板14在周向上大于BPP和MEA层并且没有设置组装槽，所以盖板14位于定位条40₁至40₆的上部边缘上。由于这能够移位，因此上条带部可以向下移动而不会失去BPP和MEA层的引导。在挤压操作之后，通过压力机保持该位置，并且可以围绕BPP和MEA层装配绝缘体。然后装配张紧元件和任意其他部件。根据本发明的组装装置10为两个操作提供了足够的空间。

一旦已经装配了张紧元件，就将具有成品燃料电池堆的组装装置10从压力机移除。可以使用用于机器人的接触板26或使用单独的吊装点来进行移除。如图5所示，为了从组装装置10移除燃料电池堆，定位条40₁至40₆向后移动并通过外部提升单元将部件容纳部24提升到移除位置。

附图标记表

10 组装装置

12 基板

14 盖板

16 连接件

18 组装室

20 驱动器

22 传输机构

24 部件容纳部

26 接触板

28 滑轨

30 开口

32 燃料电池堆

40 定位条

42 条带部

44 条带部

46 弹簧装置

Claims (11)

1.一种用于竖直堆叠由交替的膜电极单元和双极板构成的燃料电池堆的组装装置(10)，具有：

基板(12)、盖板(14)和至少在每种情况下布置在两个端面中的每一个处的一个连接件(16)，其中，

在所述组装装置(10)内部通过多个竖直定向且可水平调整的定位条(40)限定基本上立方体的组装室(18)，以便在堆叠期间经由所述定位条(40)将所述膜电极单元和所述双极板相对于彼此定位。

2.根据权利要求1所述的组装装置(10)，其特征在于，设置用于使所述定位条(40)同步移位的驱动器(20)。

3.根据权利要求2所述的组装装置(10)，其特征在于，所述驱动器(20)在每种情况下包括布置在所述连接件(40)、所述基板(12)和所述盖板(14)中的传输机构(22)以传输到所述定位条(40)。

4.根据权利要求2至3之一所述的组装装置(10)，其特征在于，所述驱动器(20)具有接口，可以经由所述接口引入机械的、电的、液压的或气动的驱动能量。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的组装装置(10)，其特征在于，所述定位条(40)各自包括竖直固定的第一条带部(42)和竖直移动的第二条带部(44)。

6.根据权利要求5所述的组装装置(10)，其特征在于，所述移动的条带部(44)布置在所述定位条(40)的上部区域中。

7.根据权利要求5或6所述的组装装置(10)，其特征在于，所述移动的条带部(44)经由弹簧装置(46)相对于所述固定的条带部(42)被装载到竖直的上部原始位置。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的组装装置(10)，其特征在于，所述定位条(40)各自布置在所述连接件(16)上，以便在所述基板(12)与所述盖板(14)之间延伸。

9.根据权利要求8所述的组装装置(10)，其特征在于，在所述连接件(16)中的每一个上布置一个定位条(30)，并且在与所述连接件(16)连接的所述组装装置(10)的每个侧部上在所述基板(12)与所述盖板(14)之间布置两个定位条(40)。

10.根据权利要求1至9中任一项所述的组装装置(10)，其特征在于，在所述基板(12)上布置用于容纳燃料电池堆的可竖直调整的部件容纳部(24)。

11.根据权利要求1至10中任一项所述的组装装置(10)，其特征在于，设置接触板(26)，可以经由所述接触板连接操纵器、尤其是机器人以运输所述组装装置(10)。