CN113078333A - 一种燃料电池单元的制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种燃料电池单元的制造方法，该方法采用人工上料，应用上、下料机构的相关操作实现双极板、气体扩散层以及质子交换膜的自动组装以及成品的自动下料，应用点胶机实现自动材料的自动点胶以及压合操作，实现了电池单元的半自动化快速组装，提高了生产效率以及产品质量，降低了人工成本。同时，采用机器自动化压合操作要比人工操作误差更小，产品质量更稳定，对氢燃料电池的进一步发展具有积极的推动意义。
Description
技术领域
本发明属于氢燃料电池生产技术领域，尤其涉及一种燃料电池单元的制造方法。
背景技术
燃料电池是很有发展前途的新动力电源，燃料电池其原理是一种电化学装置，其组成与一般电池相同。其单体电池是由正负两个电极(负极即燃料电极、正极即氧化剂电极)以及电解质组成。不同的是一般电池的活性物质贮存在电池内部，因此，限制了电池容量。而燃料电池的正、负极本身不包含活性物质，只是个催化转换元件。因此燃料电池是名符其实的把化学能转化为电能的能量转换机器。电池工作时，燃料和氧化剂由外部供给，进行反应。原则上只要反应物不断输入，反应产物不断排除，燃料电池就能连续地发电。当氢气作为燃料电池的燃料时，其产物仅为水。与传统能源相比较，这种发电方式更为清洁。
本发明所设计的氢燃料电池包含双极板(如石墨板、金属板等)、阳极碳布、质子交换膜、阴极碳布和保护膜。
双极板位于外侧，作用是在燃料电池堆中对单电池进行隔离。
碳布即是气体扩散层(GDL)，GDL为燃料电池的心脏-膜电极组(MEA)中一项不可或缺的材料，它扮演着MEA与双极板之间的沟通桥梁角色。碳布为多孔性透气材料，其主要作用有:支撑催化剂和膜结构，均匀分布气体，支撑整体结构。同时，气体扩散层又是气体、电子和产物水的通道。燃料在阳极碳布发生氧化反应，空气中的氧气在阴极碳布发生还原反应。中间部分为高分子电解质膜，电池内部的电荷传递是通过中间的离子导体一高分子电解质膜来完成的。
质子交换膜(Proton Exchange Membrane，PEM)是质子交换膜燃料电池的核心部件，对电池性能起着关键作用。它不仅具有阻隔作用，还具有传导质子的作用。
保护膜的存在是为了防止膜电极被污染。
目前，在制造燃料电池单元的过程中，主要采用人工上料，但人工上料的方式生产效率不高，同时，需要消耗大量的人工，生产成本高。
为了能实现降低氢燃料电池的人工成本，提高生产效率，亟需一种通过机器设备制造燃料电池单元的方案。
发明内容
本发明的目的在于提供一种燃料电池单元的制造方法，旨在解决现有技术中采用人工上料的方式制造燃料电池单元所存在的生产效率低以及生产成本高的问题。
本发明是这样实现的，一种燃料电池单元的制造方法，所述方法包括以下步骤：
S1、提供上料机、下料机以及点胶机，其中，所述上料机上配置有能在三维空间内多方向移动并抓取物料的搬运机械手A、分别用于放置双极板、质子交换膜叠料的料框和用于物料角度检测的视觉模块A；所述下料机配置有能在三维空间内多方向移动以及抓取物料的搬运机械手B、下料输送机构、保护膜搬运机构以及分别用于放置GDLA、GDL B以及保护膜叠料的料框和用于物料角度检测的视觉模块B；所述点胶机配置有用于点胶的点胶装置、放置材料或电池单元半成品的工作平台以及压合机构；
S2、人工上料，将GDLA、GDL B、双极板、质子交换膜以及保护膜的叠料分别放入各自对应的料框中；
S3、搬运机械手A从双极板料框内取出一块双极板放在点胶机的工作平台上；
S4、搬运机械手B从GDLA料框内取出一张GDLA放在工作平台上的双极板上；
S5、点胶机的点胶装置在刚放好的GDLA上沿着设定的轨迹点胶；
S6、搬运机械手A从质子交换膜的料框内取出一张质子交换膜放在工作平台上已点好胶的GDLA上；
S7、点胶机的压合机构下压，对刚放好的质子交换膜进行压合，确保在移动过程中产品不会发生移位；
S8、搬运机械手B从GDL B的料框内取出一张GDL B放在质子交换膜上；
S9、点胶机的点胶装置在刚放好的GDL B上沿着设定的轨迹点胶，得到电池单元半成品；
S10、搬运机械手B从将点胶完成的电池单元半成品搬运到下料输送机构的顶起平台上；
S11、下料机的保护膜搬运机构从保护膜料框中取出一张保护膜，并将保护膜贴在下料输送机构上的电池单元半成品上，制得电池单元成品；
S12、下料输送机构的顶起平台下降，下料输送机构将制造好的成品往前输送，等待操作员的收集。
进一步的，所述保护膜搬运机构包括吸取装置、中转平台以及搬运臂；所述步骤S11包括以下步骤：
保护膜搬运机构的吸取装置从保护膜料框中吸取一张保护膜放在中转平台上，搬运臂将中转平台上的保护膜吸起，并搬往下料输送机构，然后贴合在电池单元半成品上。
进一步的，质子交换膜的料框中放置有间隔叠置的质子交换膜以及隔膜，下料机还配置有隔膜搬运机构以及隔膜回收框，于所述步骤S6之后、步骤S7之前，还包括以下步骤：
隔膜搬运机构将质子交换膜料框中的隔膜搬运至隔膜回收框中。
进一步的，点胶机还配置有用于驱动工作平台于搬运机械手A与搬运机械手B之间往复移动的工作平台移动模组，所述步骤S5及S9中，点胶装置每次给物料点胶之前，还包括以下步骤：
工作平台移动模组驱动工作平台运动至点胶装置的正下方。
进一步的，点胶装置上具有视觉定位装置，每次点胶前，所述制造方法还包括以下步骤：
点胶装置根据所述视觉定位装置反馈的图像信息确定点胶的起点，然后从所述起点开始沿设定的点胶路线点胶。
进一步的，上料机以及下料机均配置有用于检测物料是否重叠的检测装置，所述检测装置包括光发射器以及光接收器，上料机和下料机均内置有控制器，当搬运机械手A或搬运机械手B抓取到物料后，所述制造方法还包括以下步骤：
上料机和下料机各自的控制器根据所述光接收器接收到的光线强度，判断搬运的物料是否重叠；若物料重叠，则控制搬运机械手A或搬运机械手B将其抓取的物料搬运到回收料仓；若没有重叠，则将抓取到的物料搬运至目标位置。
进一步的，上料机还配置有双极板料框、质子交换膜料框、保护膜料框、保护膜搬运机构以及产品输出机构；下料机还配置有GDLA料框以及GDL B料框；所述制程方法还包括以下步骤：
当上料机或下料机中的一个出现异常时，无异常的上料机或下料机独自完成上料以及下料操作。
进一步的，下料输送机构配置有输送带以及位于输送带正下方的顶起平台，所述步骤S11中，下料机的保护膜搬运机构贴保护膜之前，顶起平台向上顶起，支撑位于其上方的输送带，当保护膜贴好后，顶起平台下降，恢复原位，准备下一次的顶升操作。
本发明与现有技术相比，有益效果在于：
本发明提出的燃料电池单元的制造方法，应用机械设备的上料、下料以及点胶功能，实现了双极板、气体扩散层(阳极碳布与阴极碳布)、保护膜以及质子交换的半自动快捷组装，提高了生产效率以及产品质量，降低了人工成本。同时，采用机器自动化压合操作要比人工操作误差更小，产品质量更稳定，对氢燃料电池的进一步发展具有积极的推动意义。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种燃料电池单元的制造方法的流程图；
图2是本发明实施例提供的用于制造燃料电池单元的生产线的平面布置示意图；
图3是本发明实施例提供的点胶机的立体结构示意图；
图4是本发明实施例提供的保护膜搬运机构的立体结构示意图；
图5是本发明实施例提供的隔膜搬运机构的立体结构示意图；
图6是本发明实施例提供的下料输送机构的立体结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“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，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；术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性；此外，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个部件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
请参见图1，示出了本发明实施例提供的一种燃料电池单元的制造方法，所述方法包括以下步骤：
S1、提供上料机10、下料机20以及点胶机30，其中，如图2所示，所述上料机10上配置有能在三维空间内多方向移动以及抓取物料的搬运机械手A1、用于放置双极板的料框7、用于放置质子交换膜的料框8和用于物料角度检测的视觉模块A。所述下料机20配置有能在三维空间内多方向移动以及抓取物料的搬运机械手B4、用于放置GDL A叠料的料框2、用于放置GDL B叠料的料框3、下料输送机构5、保护膜搬运机构6以及用于放置保护膜叠料的料框9和用于物料角度检测的视觉模块B。如图3所示，所述点胶机30配置有用于点胶的点胶装置10、放置材料或电池单元半成品的工作平台11以及压合机构12。
S2、人工上料，将GDL A、GDL B、双极板、质子交换膜以及保护膜的叠料分别放入各自对应的料框中。
S3、搬运机械手A1从双极板的料框7内取出一块双极板放在点胶机30的工作平台11上。
S4、搬运机械手B4从GDL A料框2内取出一张GDL A放在工作平台11上的双极板上。
S5、点胶机30的点胶装置10在刚放好的GDL A上沿着设定的轨迹点胶。
S6、搬运机械手A1从质子交换膜的料框8内取出一张质子交换膜放在工作平台11上已点好胶的GDL A上。
S7、点胶机30的压合机构12下压，对刚放好的质子交换膜进行压合，确保在移动过程中产品不会发生移位。
S8、搬运机械手B4从GDL B的料框3内取出一张GDL B放在质子交换膜上。
S9、点胶机30的点胶装置在刚放好的GDL B上沿着设定的轨迹点胶，得到电池单元半成品。
S10、搬运机械手B4从将点胶完成的电池单元半成品搬运到下料输送机构5的顶起平台上。
S11、下料机20的保护膜搬运机构6从保护膜的料框9中取出一张保护膜，并将保护膜贴在下料输送机构5上的电池单元半成品上，制得电池单元成品；
S12、下料输送机构5的顶起平台下降，下料输送机构5将制造好的成品往前输送，等待操作员的收集。
进一步的，如图4所示，所述保护膜搬运臂机构6包括吸取装置61、中转平台62以及搬运臂63；上述步骤S12具体包括以下步骤：
保护膜搬运机构6的吸取装置61从保护膜的料框9中吸取一张保护膜放在中转平台62上，搬运臂63将中转平台62上的保护膜吸起，并搬往下料输送机构5，然后贴合在电池单元半成品上。
为了避免上下层的质子交换膜相互粘连，造成质子交换膜的污染浪费，质子交换膜的料框8中放置有隔膜，隔膜间隔分布于上下两层之间。如图5所示，下料机20还配置有隔膜搬运机构13以及隔膜回收框14，隔膜搬运机构13具有吸盘131，于所述步骤S6之后(即是每搬运一张质子交换膜之后)、步骤S7之前，还包括以下步骤：隔膜搬运机构13将料框8中的隔膜吸起，并搬运至隔膜回收框14中。
本实施例的点胶机30还配置有用于驱动工作平台于搬运机械手A1与搬运机械手B4之间往复移动的工作平台移动模组15。所述步骤S5及S8中，点胶装置10每次给物料点胶之前，工作平台移动模组15驱动工作平台11运动至点胶装置10的正下方，能过设置工作平台移动模组15，实现了工作平台11于多工位之间切换。
点胶装置10上具有视觉定位装置，每次点胶前，点胶装置10根据所述视觉定位装置反馈的图像信息确定点胶的起点，然后从所述起点开始沿设定的点胶路线点胶。
搬运机械手A1以及搬运机械手B4均配置有用于检测物料是否重叠的检测装置。所述检测装置包括光发射器以及光接收器，搬运机械手A1或搬运机械手B4均内置有控制器，搬运机械手A1或搬运机械手B4抓取到物料后，控制器根据所述光接收器接收到的光线强度，判断搬运的物料是否重叠；若物料重叠，则控制搬运机械手A1或搬运机械手B4将其抓取的物料松开，并重新抓取；若没有重叠，则将抓取到的物料搬运至目标位置。
如图6所示，下料输送机构5配置有输送带51以及位于输送带正下方的顶起平台52，所述步骤S12中，下料机20的保护膜搬运机构6贴保护膜之前，顶起平台52向上顶起，支撑位于其上方的输送带51，当保护膜贴好后，顶起平台52下降，恢复原位，准备下一次的顶升操作。
可见，本实施例提出的燃料电池单元的生产线，具有自动上料、自动下料以及自动点胶功能，实现了双极板、气体扩散层(阳极碳布与阴极碳布)、保护膜以及质子交换膜的半自动化组装，提高了生产效率以及产品质量，降低了人工成本。同时，采用机器自动化压合操作要比人工操作误差更小，产品质量更稳定，对氢燃料电池的进一步发展具有积极的推动意义。
进一步的，上料机10还配置有用于放置GDL A的料框2以及用于放置GDL B的料框3、用于放置保护膜的料框9、保护膜搬运机构6以及下料输送机构5。下料机20还配置有用于放置双极板的料框7以及用于放置质子交换膜的料框8。即是，本实施例的生产线具有多料仓和多工作平台，各机构在完成当前工作后，即可接着进行后续相同的工作，可以大幅度的提高工作效率。同时，上料机10与下料机20均配置整个生产流程所需的机构，本实施例的生产方法还包括异常处理步骤：当上料机10、下料机20中的一台出现异常时，无异常的机器继续运行，独立完成上料以及下料操作。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种燃料电池单元的制造方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
S1、提供上料机、下料机以及点胶机，其中，所述上料机上配置有能在三维空间内多方向移动并抓取物料的搬运机械手A、分别用于放置双极板、质子交换膜叠料的料框以及用于物料角度检测的视觉模块A；所述下料机配置有能在三维空间内多方向移动以及抓取物料的搬运机械手B、下料输送机构、保护膜搬运机构以及分别用于放置GDL A、GDL B以及保护膜叠料的料框和用于物料角度检测的视觉模块B；所述点胶机配置有用于点胶的点胶装置、放置材料或电池单元半成品的工作平台以及压合机构；
S2、人工上料，将GDL A、GDL B、双极板、质子交换膜以及保护膜的叠料分别放入各自对应的料框中；
S3、搬运机械手A从双极板料框内取出一块双极板放在点胶机的工作平台上；
S4、搬运机械手B从GDL A料框内取出一张GDL A放在工作平台上的双极板上；
S5、点胶机的点胶装置在刚放好的GDL A上沿着设定的轨迹点胶；
S6、搬运机械手A从质子交换膜的料框内取出一张质子交换膜放在工作平台上已点好胶的GDL A上；
S7、点胶机的压合机构下压，对刚放好的质子交换膜进行压合，确保在移动过程中产品不会发生移位；
S8、搬运机械手B从GDL B的料框内取出一张GDL B放在质子交换膜上；
S9、点胶机的点胶装置在刚放好的GDL B上沿着设定的轨迹点胶，得到电池单元半成品；
S10、搬运机械手B从将点胶完成的电池单元半成品搬运到下料输送机构的顶起平台上；
S11、下料机的保护膜搬运机构从保护膜料框中取出一张保护膜，并将保护膜贴在下料输送机构上的电池单元半成品上，制得电池单元成品；
S12、下料输送机构的顶起平台下降，下料输送机构将制造好的成品往前输送，等待操作员的收集。
2.如权利要求1所述的燃料电池单元的制造方法，其特征在于，所述保护膜搬运机构包括吸取装置、中转平台以及搬运臂；所述步骤S11包括以下步骤：
保护膜搬运机构的吸取装置从保护膜料框中吸取一张保护膜放在中转平台上，搬运臂将中转平台上的保护膜吸起，并搬往下料输送机构，然后贴合在电池单元半成品上。
3.如权利要求1所述的燃料电池单元的制造方法，其特征在于，质子交换膜的料框中放置有间隔叠置的质子交换膜以及隔膜，下料机还配置有隔膜搬运机构以及隔膜回收框，于所述步骤S6之后、步骤S7之前，还包括以下步骤：
隔膜搬运机构将质子交换膜料框中的隔膜搬运至隔膜回收框中。
4.如权利要求1所述的燃料电池单元的制造方法，其特征在于，点胶机还配置有用于驱动工作平台于搬运机械手A与搬运机械手B之间往复移动的工作平台移动模组，所述步骤S5及S9中，点胶装置每次给物料点胶之前，还包括以下步骤：
工作平台移动模组驱动工作平台运动至点胶装置的正下方。
5.如权利要求1所述的燃料电池单元的制造方法，其特征在于，点胶装置上具有视觉定位装置，每次点胶前，所述制造方法还包括以下步骤：
点胶装置根据所述视觉定位装置反馈的图像信息确定点胶的起点，然后从所述起点开始沿设定的点胶路线点胶。
6.如权利要求1所述的燃料电池单元的制造方法，其特征在于，上料机以及下料机均配置有用于检测物料是否重叠的检测装置，所述检测装置包括光发射器以及光接收器，上料机和下料机均内置有控制器，当搬运机械手A或搬运机械手B抓取到物料后，所述制造方法还包括以下步骤：
上料机和下料机各自的控制器根据所述光接收器接收到的光线强度，判断搬运的物料是否重叠；若物料重叠，则控制搬运机械手A或搬运机械手B将其抓取的物料搬运到回收料仓；若没有重叠，则将抓取到的物料搬运至目标位置。
7.如权利要求1所述的燃料电池单元的制造方法，其特征在于，上料机还配置有GDL A料框以及GDL B料框、保护膜料框、保护膜搬运机构以及产品输出机构；下料机还配置有双极板料框以及质子交接膜料框；所述制程方法还包括以下步骤：
当上料机或下料机中的一个出现异常时，无异常的上料机或下料机独自完成上料以及下料操作。
8.如权利要求1所述的燃料电池单元的制造方法，其特征在于，下料输送机构配置有输送带以及位于输送带正下方的顶起平台，所述步骤S11中，下料机的保护膜搬运机构贴保护膜之前，顶起平台向上顶起，支撑位于其上方的输送带，当保护膜贴好后，顶起平台下降，恢复原位，准备下一次的顶升操作。
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