CN112103544B - 膜电极自动组装工艺设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种膜电极自动组装工艺设备，涉及氢燃料电池生产技术领域。在设备中，切膜机用于将卷料形式的PI膜切成片状的PI膜，机器人用于抓取片状的PI膜、并放置到第一贴合移送平台，机器人用于抓取阳极、并放置到点胶后的PI膜上，预热压机构用于预热压阳极和PI膜；机器人用于抓取片状的PI膜、并放置到第二贴合移送平台，机器人用于抓取阴极、并放置到点胶后的PI膜上，预热压机构用于预热压阴极和PI膜；机器人还用于抓取预热压后的阳极和PI膜、并放置到工装，再依次抓取PEM膜、预热压后的阴极和PI膜放置到工装，压合机构用于压合工装，形成膜电极。设备能够提高膜电极的生产效率，保证了膜电极的组装的一致性及精度。

Description

膜电极自动组装工艺设备

技术领域

本发明涉及氢燃料电池生产技术领域，具体而言，涉及一种膜电极自动组装工艺设备。

背景技术

在经济快速发展的当今，能源利用涉及到社会生活的方方面面。目前，能源利用主要依靠石化能源，包括石油、天然气、煤，但是石化能源燃烧后产生的污染物质对环境的污染程度日益严重，并且石化能源是非可再生能源，随着长时间的大量使用，石化能源的储量令人堪忧。因此，寻找清洁能源以替代石化能源是当务之急。其中，燃料电池作为一种新能源，使用清洁，利用效率高，是一种理想的零排放、无污染的清洁新型能源应用方式。

膜电极(英文名：embrane Electrode Assembly，简称：MEA)是氢燃料电池最重要的部件之一，它是由质子交换膜(英文名：Proton Exchange Membrane，简称：PEM)、阴阳极GDE(气体扩散层GDL与催化剂层CL结合体)及支撑层PI等部分组成，它的工作原理是通过阴、阳极的电催化作用和质子交换膜的质子传导性，使位于电极两侧的氢气和氧气发生电化学反应，产生电能。

其中，阴阳极GDE是由气体扩散层(英文名：Gas Diffusion Layer，简称：GDL)与催化剂层(英文名：Catalyst，简称：CL)组合而成，通常是将催化剂涂覆在气体扩散层一侧形成，具有导电、传热，促进氢、氧在电极上的氧化还原过程、提高反应速率等功能；

目前，在膜电极的制备过程中，各种组装工艺步骤大多都是由人工完成，但是此种方式生产效率低，并且无法保证产品组装的一致性及精度，不利于实现批量自动化生产及产业化。

发明内容

本发明的目的包括提供了一种膜电极自动组装工艺设备，其能够提高膜电极的生产效率，保证了膜电极的组装的一致性及精度。

本发明的实施例可以这样实现：

第一方面，本发明实施例提供一种膜电极自动组装工艺设备，膜电极自动组装工艺设备包括切膜机、机器人、第一贴合移送平台、第二贴合移送平台、点胶机构、预热压机构、工装和压合机构；

切膜机用于将卷料形式的PI膜切成片状的PI膜，机器人用于抓取片状的PI膜、并放置到第一贴合移送平台，点胶机构用于对第一贴合移送平台上的PI膜点胶，机器人用于抓取阳极、并放置到点胶后的PI膜上，预热压机构用于预热压阳极和PI膜；

机器人用于抓取片状的PI膜、并放置到第二贴合移送平台，点胶机构用于对第二贴合移送平台上的PI膜点胶，机器人用于抓取阴极、并放置到点胶后的PI膜上，预热压机构用于预热压阴极和PI膜；

机器人还用于抓取预热压后的阳极和PI膜、并放置到工装，再依次抓取PEM膜、预热压后的阴极和PI膜放置到工装，机器人还用于抓取工装至压合机构，压合机构用于压合工装，形成膜电极。

在可选的实施方式中，膜电极自动组装工艺设备还包括热封机构，机器人还用于抓取压合后的膜电极、并放置到热封机构，热封机构用于对膜电极热封。

在可选的实施方式中，膜电极自动组装工艺设备还包括气密性检测机构、厚度检测机构、重量检测机构、检测筛选料盒和成品出料平台，机器人还用于将膜电极依次移送至气密性检测机构、厚度检测机构、重量检测机构，并将检测不合格的膜电极移送至检测筛选料盒，将合格的膜电极移送至成品出料平台。

在可选的实施方式中，膜电极自动组装工艺设备还包括PI送料平台和PI喷码机构，机器人还用于抓取片状的PI膜、并放置到PI送料平台，PI送料平台用于将PI膜移送至PI喷码机构，PI喷码机构用于对PI膜喷码，机器人还用于抓取喷码后的PI膜、并放置到第一贴合移送平台。

在可选的实施方式中，膜电极自动组装工艺设备还包括第一CCD定位机构，机器人还用于抓取片状的PI膜、并经过第一CCD定位机构定位后放置到第一贴合移送平台，机器人还用于抓取阳极、并经过第一CCD定位机构定位后放置到点胶后的PI膜上，机器人用于抓取阴极、并经过第一CCD定位机构定位后放置到点胶后的PI膜上。

在可选的实施方式中，膜电极自动组装工艺设备还包括第二CCD定位机构，机器人还用于抓取预热压后的阳极和PI膜、并经过第二CCD定位机构定位后放置到工装，再依次抓取PEM膜、预热压后的阴极和PI膜经过第二CCD定位机构定位后放置到工装。

在可选的实施方式中，膜电极自动组装工艺设备还包括翻转机构，机器人还用于抓取预热压后的阳极和PI膜、经过翻转机构翻转后放置到工装。

在可选的实施方式中，膜电极自动组装工艺设备还包括取料平台，机器人还用于抓取预热压后的阳极和PI膜、经过翻转机构翻转后放置到取料平台，再移送至工装，机器人还用于抓取预热压后的阴极和PI膜，并放置到取料平台，再移送至工装。

在可选的实施方式中，机器人包括取料机械手、下料机械手以及筛选机械手中的至少一种。

在可选的实施方式中，机器人包括四轴机器人、移送机械手中的至少一种。

本发明实施例提供的膜电极自动组装工艺设备的有益效果包括：实现了氢燃料电池的膜电极的自动组装，提高了膜电极的生产效率，保证了膜电极的组装的一致性及精度。整套工艺设备的建立已应用于实际生产，完成膜电极的批量化组装，产生了良好的经济及示范效益。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为膜电极的结构示意图；

图2为膜电极自动组装工艺设备的左半边的结构示意图；

图3为膜电极自动组装工艺设备的右半边的结构示意图。

图标：1-切膜机；2-PI取料机械手；3-PI送料平台；4-PI喷码机构；5-PI扫码机构；6-阳极备料机构；7-阳极取料平台；8-阴极备料机构；9-阴极取料平台；10-第一四轴机器人；11-第一CCD定位机构；12-第一贴合移送平台；13-第二贴合移送平台；14-点胶机构；15-预热压机构；16-翻转机构；17-下料机械手；18-取料平台；19-第二四轴机器人；20-工装移送机构；21-第二CCD定位机构；22-膜电极组装平台；23-第三四轴机器人；24-组装移动机械手；25-压合机构；26-第一热封机构；27-第二热封机构；28-压板取放机构；29-膜电极抓取机构；30-膜电极移出机械手；31-检测移送机械手；32-气密性检测机构；33-厚度检测机构；34-重量检测机构；35-下料移出平台；36-检测筛选机械手；37-检测筛选料盒；38-成品出料平台；39-阴极；40-PI膜；41-PEM膜；42-阳极。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，需要说明的是，若出现术语“上”、“下”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，若出现术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明的实施例中的特征可以相互结合。

请参阅图1，膜电极包括依次层叠设置的阴极39、PI膜40、PEM膜41、PI膜40和阳极42。其中，PI膜40也称为支撑层，PEM膜41也称为质子交换膜。膜电极的工作原理是通过阴极39、阳极42的电催化作用和质子交换膜的质子传导性，使位于电极两侧的氢气和氧气发生电化学反应，产生电能。

请参考图2和图3，本实施例提供了一种膜电极自动组装工艺设备，膜电极自动组装工艺设备包括机器人、切膜机1、PI送料平台3、PI喷码机构4、PI扫码机构5、阳极备料机构6、阳极取料平台7、阴极备料机构8、阴极取料平台9、第一CCD定位机构11、第一贴合移送平台12、第二贴合移送平台13、点胶机构14、预热压机构15、翻转机构16、取料平台18、工装移送机构20、第二CCD定位机构21、膜电极组装平台22、压合机构25、热封机构、压板取放机构28、气密性检测机构32、厚度检测机构33、重量检测机构34、下料移出平台35、检测筛选料盒37和成品出料平台38。

其中，机器人包括PI取料机械手2、第一四轴机器人10、下料机械手17、第二四轴机器人19、第三四轴机器人23、组装移动机械手24、膜电极抓取机构29、膜电极移出机械手30、检测移送机械手31和检测筛选机械手36。机器人的主要作用是转运材料，可以采用现有的机械臂或吸附转运机构。热封机构包括第一热封机构26和第二热封机构27。

本实施例提供的膜电极自动组装工艺设备，其各个零部件可以采用现有的对应部件或现有部件的组合，例如，切膜机1可以是现有的切断PI膜的工具。PI取料机械手2可以是吸盘与滑杆的组合，吸盘用于吸附PI膜，并沿滑竿滑动。PI送料平台3、下料机械手17可以是吸盘与滑杆的组合。PI喷码机构4采用现有的喷码机，PI扫码机构5采用现有的扫码枪。阳极备料机构6和阴极备料机构8采用框架结构，并在框架结构内设计有提升材料的气缸或丝杆与电机的组合。第一四轴机器人10、第二四轴机器人19和第三四轴机器人23均为机械臂，可直接购买。第一贴合移送平台12和第二贴合移送平台13可以采用现有的传送带机构。翻转机构16包括翻转电机和连接在翻转电机上的夹板。工装移送机构20、组装移动机械手24、压板取放机构28、膜电极抓取机构29、膜电极移出机械手30、检测移送机械手31、下料移出平台35、检测筛选机械手36可以是夹具或吸盘与滑杆的组合。

膜电极自动组装工艺设备的工作过程：

S1：切膜机1将卷料形式的PI膜切成片状的PI膜。

S2：PI取料机械手2抓取片状的PI膜放置到PI送料平台3。

S3：PI送料平台3将PI膜依次送至PI喷码机构4和PI扫码机构5，完成PI膜喷码和扫码。

S4：第一四轴机器人10将抓取扫码后的PI膜，经过第一CCD定位机构11的定位后放置到第一贴合移送平台12和第二贴合移送平台13。

S5：点胶机构14对第一贴合移送平台12和第二贴合移送平台13上的PI膜进行点胶。

S6：阳极备料机构6将阳极输送至阳极取料平台7。

S7：第一四轴机器人10从阳极取料平台7抓取阳极、并经过第一CCD定位机构11定位后放置到第一贴合移送平台12上点胶后的PI膜上。从而，完成阳极与PI膜的精准对位。

S8：阴极备料机构8将阴极输送至阴极取料平台9。

S9：第一四轴机器人10抓取阴极、并经过第一CCD定位机构11定位后放置到第二贴合移送平台13上点胶后的PI膜上。从而，完成阴极与PI膜的精准对位。

S10：第一贴合移送平台12和第二贴合移送平台13将PI膜移送至预热压机构15，预热压机构15对阳极与PI膜进行预热压、对阴极与PI膜进行预热压。从而，完成阳极与PI膜的粘接以及阴极与PI膜的粘接。

S11：翻转机构16对预热压后的阳极与PI膜进行翻转。

S12：下料机械手17将翻转后的阳极与PI膜以及预热压后的阴极与PI膜转运至取料平台18。

S13：第二四轴机器人19从工装移送机构20上抓取工装，并放置到膜电极组装平台22。

S14：第二四轴机器人19从取料平台18上抓取阳极与PI膜、并经过第二CCD定位机构21定位后放置到工装。

S15：第三四轴机器人23抓取PEM膜、并经过第二CCD定位机构21定位后放置到工装上的PI膜上。

S16：第二四轴机器人19从取料平台18上抓取阴极与PI膜、并经过第二CCD定位机构21定位后放置到工装上的PEM膜上。从而，完成膜电极在工装上的精准对位贴合。

S17：组装移动机械手24首先抓取工装转运至压合机构25，压合机构25压合工装，形成膜电极，然后移送至第一热封机构26或第二热封机构27，完成对膜电极的热封，最后将工装送回至工装移送机构20上。从而，使工装能够循环使用。其中，设置第一热封机构26和第二热封机构27能够同时对两个膜电极进行热封，热封效率更高。或者，第一热封机构26和第二热封机构27分别对膜电极进行一次热封，并利用膜电极抓取机构29在第一热封机构26和第二热封机构27之间转移膜电极，从而保证热封的效果。压板取放机构28用于在膜电极热封前抬起工装的压板，并在膜电极热封后放下工装的压板。

S18：膜电极移出机械手30将热封后的膜电极移送至检测位，检测移送机械手31将膜电极依次移送至气密性检测机构32、厚度检测机构33、重量检测机构34，完成对膜电极的气密性、厚度和重量的检测。

S19：利用检测筛选机械手36将检测不合格的膜电极移送至检测筛选料盒37或下料移出平台35，将合格的膜电极移送至成品出料平台38。

本实施例提供的膜电极自动组装工艺设备的主要构思是：对各个部件进行组合，实现对膜电极的自动组装，也就是说，实现上述膜电极自动组装的工艺，对于设备中的具体部件，可以采用现有的工具、零件或机构。

本实施例提供的膜电极自动组装工艺设备的有益效果包括：实现了氢燃料电池的膜电极的自动组装，提高了膜电极的生产效率，保证了膜电极的组装的一致性及精度。整套工艺设备的建立已应用于实际生产，完成膜电极的批量化组装，产生了良好的经济及示范效益。

以上，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种膜电极自动组装工艺设备，其特征在于，所述膜电极自动组装工艺设备包括切膜机(1)、机器人、PI送料平台(3)、PI喷码机构(4)、扫码机构(5)、第一贴合移送平台(12)、第二贴合移送平台(13)、点胶机构(14)、预热压机构(15)、热封机构、工装和压合机构(25)；

所述切膜机(1)用于将卷料形式的PI膜切成片状的PI膜，所述机器人还用于抓取片状的PI膜、并放置到所述PI送料平台(3)，所述PI送料平台(3)用于将PI膜移送至所述PI喷码机构(4)和所述扫码机构(5)，所述PI喷码机构(4)用于对PI膜喷码，所述扫码机构(5)用于对PI膜进行扫码，所述机器人还用于抓取喷码后的PI膜、并放置到所述第一贴合移送平台(12)，所述点胶机构(14)用于对所述第一贴合移送平台(12)上的PI膜点胶，所述机器人用于抓取阳极、并放置到点胶后的PI膜上，所述预热压机构(15)用于预热压阳极和PI膜；

所述机器人用于抓取片状的PI膜、并放置到所述第二贴合移送平台(13)，所述点胶机构(14)用于对所述第二贴合移送平台(13)上的PI膜点胶，所述机器人用于抓取阴极、并放置到点胶后的PI膜上，所述预热压机构(15)用于预热压阴极和PI膜；

所述机器人还用于抓取预热压后的阳极和PI膜、并放置到所述工装，再依次抓取PEM膜、预热压后的阴极和PI膜放置到所述工装，所述机器人还用于抓取所述工装至所述压合机构(25)，所述压合机构(25)用于压合所述工装，形成膜电极，所述机器人还用于抓取压合后的膜电极、并放置到所述热封机构，所述热封机构用于对膜电极热封。

2.根据权利要求1所述的膜电极自动组装工艺设备，其特征在于，所述膜电极自动组装工艺设备还包括气密性检测机构(32)、厚度检测机构(33)、重量检测机构(34)、检测筛选料盒(37)和成品出料平台(38)，所述机器人还用于将膜电极依次移送至所述气密性检测机构(32)、所述厚度检测机构(33)、所述重量检测机构(34)，并将检测不合格的膜电极移送至所述检测筛选料盒(37)，将合格的膜电极移送至所述成品出料平台(38)。

3.根据权利要求1所述的膜电极自动组装工艺设备，其特征在于，所述膜电极自动组装工艺设备还包括第一CCD定位机构(11)，所述机器人还用于抓取片状的PI膜、并经过所述第一CCD定位机构(11)定位后放置到所述第一贴合移送平台(12)，所述机器人还用于抓取阳极、并经过所述第一CCD定位机构(11)定位后放置到点胶后的PI膜上，所述机器人用于抓取阴极、并经过所述第一CCD定位机构(11)定位后放置到点胶后的PI膜上。

4.根据权利要求1所述的膜电极自动组装工艺设备，其特征在于，所述膜电极自动组装工艺设备还包括第二CCD定位机构(21)，所述机器人还用于抓取预热压后的阳极和PI膜、并经过所述第二CCD定位机构(21)定位后放置到所述工装，再依次抓取PEM膜、预热压后的阴极和PI膜经过所述第二CCD定位机构(21)定位后放置到所述工装。

5.根据权利要求1-4任一项所述的膜电极自动组装工艺设备，其特征在于，所述膜电极自动组装工艺设备还包括翻转机构(16)，所述机器人还用于抓取预热压后的阳极和PI膜、经过所述翻转机构(16)翻转后放置到所述工装。

6.根据权利要求5所述的膜电极自动组装工艺设备，其特征在于，所述膜电极自动组装工艺设备还包括取料平台(18)，所述机器人还用于抓取预热压后的阳极和PI膜、经过所述翻转机构(16)翻转后放置到所述取料平台(18)，再移送至所述工装，所述机器人还用于抓取预热压后的阴极和PI膜，并放置到所述取料平台(18)，再移送至所述工装。

7.根据权利要求1-4任一项所述的膜电极自动组装工艺设备，其特征在于，所述机器人包括取料机械手、下料机械手以及筛选机械手中的至少一种。

8.根据权利要求1-4任一项所述的膜电极自动组装工艺设备，其特征在于，所述机器人包括四轴机器人以及移送机械手中的至少一种。

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