CN114204091B - 一种燃料电池电堆快速装配设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种燃料电池电堆快速装配设备，包括：快速堆叠机构(1)，抓取和移动膜电极组件和双极板物料，交替将双极板和膜电极堆叠在堆芯(11)上；电堆压合机构(2)，对堆芯(11)实现单向或双向压缩，同时在电堆堆叠过程中控制叠装的堆芯(11)与快速堆叠机构(1)间距不变；电堆夹持机构(3)，在电堆堆叠和压装过程中对堆芯进行定位，以实现精确的装配，限制物料的移动；物料供应机构(4)，向快速堆叠机构(1)提供膜电极组件和双极板物料。与现有技术相比，本发明物料堆叠机构自动度少、动作单一、流程简单，可实现电堆的快速装配；根据不同堆型的定位要求，调整定位杆的位置，可兼容多种堆型，方便快捷。

Description

一种燃料电池电堆快速装配设备

技术领域

本发明涉及燃料电池技术领域，具体领域为一种燃料电池电堆快速装配设备。

背景技术

燃料电池是一种直接将化学能转化为电能的能量转化装置，具有清洁高效的特点，在汽车、便携式设备、固定电站、军事等领域具有广泛应用。单节燃料电池的电压较低，为了满足使用时的功率或电压需求，通常将多节燃料电池堆叠，串联成电堆。在燃料电池电堆生产中，将膜电极组件和双极板依次堆叠，装配工艺的效率影响电堆的产能，装配质量影响燃料电池的性能。

现有的装配工艺可以分为全自动装配、半自动装配和手动装配，三种装配方式的效率递减。为了提升燃料电池制造效率，全自动装配成为发展趋势。全自动装配中，通常使用机械臂来完成双极板和膜电极组件的堆叠。机械臂先从双极板物料中抓取一块双极板，移动到电堆叠放位置，对齐后再放置物料；随后从膜电极物料中抓取一块膜电极，进行同样的操作，双极板与膜电极组件循环交替堆叠。此过程中，机械臂的移动距离长，自由度多，移动和对齐的过程都会消耗较多时间，影响装配效率。

电堆的装配质量是影响燃料电池性能的重要因素。在电堆的压装过程中，定位杆可以有效控制双极板和膜电极的装配误差，提升电堆装配精度。目前普遍使用的装配方法中，通常根据电堆形状，在电堆上下两端设计用于固定定位杆的顶板和底板。此种方法无法适应多种堆型，当堆型改变导致定位杆位置变化时，需重新设计顶板和底板，因此兼容性差，且更换顶板和底板导致成本增加。

经对现有文献检索发现，中国专利文献号CN102157747A，授权日期为2013年7月3日，记载了“一种燃料电池电堆的自动化装配装置”。该技术的特点在于：可实现电堆部件与装配的一体化，自动化程度高，可适用于多种规格尺寸的燃料电池。但是，该技术只能由上压头提供单向压缩，可能使电堆中压力不均匀。当更换堆型时，需要更换上压块和托盘，工艺繁琐，成本较高。进一步检索发现。中国专利文献号CN112186212A，授权日期为2021年1月5日，记载了“一种用于燃料电池生产的单电池装配装置”。该技术采用传送带运送物料，再由抓取装置抓取物料进行堆叠。但是，该技术不适用于多节电池的长堆装配，无法有效对电堆进行定位。

发明内容

本发明的目的就是为了解决上述技术问题，而提供一种能兼容多个堆型的燃料电池电堆快速装配设备，通过沿固定轨道运行的物料拾取吸盘抓取物料并堆叠，物料堆叠机构自动度少、动作单一、流程简单，可实现电堆的快速装配；定位杆固定在定位杆安装座上，定位杆安装座可沿丝杠运动，实现定位杆的调整。根据不同堆型的定位要求，调整定位杆的位置，可兼容多种堆型，方便快捷。

本发明的目的通过以下技术方案实现：一种燃料电池电堆快速装配设备，包括：

快速堆叠机构，抓取和移动膜电极组件和双极板物料，交替将双极板和膜电极堆叠在堆芯上；

电堆压合机构，对堆芯实现单向或双向压缩，同时在电堆堆叠过程中控制叠装的堆芯与快速堆叠机构间距不变；

电堆夹持机构，在电堆堆叠和压装过程中对堆芯进行定位，以实现精确的装配，限制物料的移动；

物料供应机构，向快速堆叠机构提供膜电极组件和双极板物料。

进一步地，所述的快速堆叠机构包括物料拾取吸盘和物料转移轨道，物料拾取吸盘拾取膜电极组件和双极板物料，沿物料转移轨道周期移动到指定位置，依次叠放在堆芯上。

进一步地，所述的物料拾取吸盘由真空吸盘和移动支架组成，真空吸盘固定在移动支架上，与物料转移轨道相连，使物料拾取吸盘可沿轨道运动。

物料转移轨道的形状保证物料拾取吸盘在运动过程中不会与定位杆、定位板干涉，并可保证物料能够运动到指定位置，与堆芯对齐，物料转移轨道可根据需要设置为不同形状，如矩形，圆形，椭圆形等，只需保证物料在转移过程中不会与定位杆干涉即可，即，使得物料拾取吸盘在沿转移轨道运动时始终保持方向不变，避免物料拾取吸盘在转角处与电堆夹持装置干涉。

每一个物料拾取吸盘包含多个真空吸盘，可根据夹持的物料形状特点设置相应的分布形式，使物料可以牢固吸附。

相邻两个物料拾取吸盘为一对，分别抓取双极板和膜电极物料，在运动到堆芯位置对齐后放置。

物料拾取吸盘的运动过程为周期运动，每一个物料拾取吸盘在一个周期中只负责一块物料的抓取与放置，避免了往复运动，流程简单，每一片物料堆叠耗费时间短，可大幅提高装配效率。

进一步地，多个物料拾取吸盘安装在物料转移轨道上，沿轨道顺时针运动。物料拾取吸盘的数量为物料种类的整数倍，交替排列，优选，序号为奇数的物料拾取吸盘拾取双极板，序号为偶数的物料拾取吸盘拾取膜电极组件，或者根据需要吸附其他零部件。

进一步地，各物料拾取吸盘的吸附位置根据物料特征确定，每个物料拾取吸盘在完成一次拾取和放置后，即沿物料转移轨道回到初始位置，进行下一轮操作。

进一步地，所述的快速堆叠机构还包括一个电堆拍打装置，该电堆拍打装置包括拍打板、电机、电机底座，电堆装配过程中，每完成一片物料的堆叠后，电机带动拍打板向堆芯方向移动，将刚放置的物料向对侧的定位板推动，使物料对齐。

进一步地，所述的电堆压合机构包括背板、上压头和下压头，所述的上压头和下压头安装在背板上，分别由两个独立电机驱动，分别对位移或速度进行控制，实现单向压缩、双向对称压缩等功能。

进一步地，所述的堆芯置于所述的下压头上，下压头在电堆堆叠过程中逐渐下降，保证叠装的堆芯与快速堆叠机构间距不变，使得物料拾取吸盘移动过程中不会与堆芯干涉。

进一步地，所述的电堆夹持机构包括固定的两块定位板和可移动的三组定位杆，其中两块定位板位于电堆长边靠压机背板一侧，提高长堆装配的限位强度，三组定位杆分别位于电堆的另一侧长边和两侧短边。定位杆起线定位作用，定位板起面定位作用。

电堆堆叠过程中，由固定的定位板和一侧短边的定位杆实现定位，电堆整体向该定位杆和定位板组成的夹角处倾斜，利用重力使物料对齐。其余三组定位杆为浮动杆，起限位作用，物料堆叠完成后，在压缩前将浮动杆插入，对电堆进行限位，再进行压缩。

定位杆安装在定位杆安装座上，定位杆安装座安装在丝杠上。对于短边的两个定位杆安装座，其可沿所在丝杠调整位置，实现一个方向的运动；所在丝杠两端的滑槽连接座可沿滑槽移动，实现另一个方向的运动。对于长边的两个定位杆安装座其可沿所在丝杠调整位置，实现一个方向的运动；所在丝杠两端的十字连接座可沿所连接的两根丝杠移动，实现另一个方向的运动。通过丝杠和连接座的配合，可以使定位杆安装座移动到指定位置，根据实际堆型进行调整，满足不同尺寸的电堆的定位需要。

进一步地，所述的物料供应机构包括极板物料供应堆、膜电极物料供应堆以及各供应堆底部设置的可上下移动的底板，加工完成的双极板和膜电极物料分别存放在两个供应堆中，整齐摆放，通过底板推动供应堆向上移动，使最上层物料被快速堆叠机构抓取。

当物料拾取吸盘运动至物料堆上方时，物料供应堆的底板向上移动，使供应堆中的最上层物料与物料拾取吸盘贴合，物料拾取吸盘吸紧物料后底板退回，避免干涉物料拾取吸盘运动。底板退回位移大小可根据位移或作用力设定。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

（1）本发明的燃料电池电堆快速装配设备，拥有快速堆叠机构，与现有机械臂装配方式相比，可以多步并行，同时抓取双极板和膜电极物料，运动方式简单，耗费时间短，可以大幅提高装配效率。

（2）本发明的燃料电池电堆快速装配设备，电堆的限位采用了定位杆和定位面结合的方式，能够起到更好的定位效果，减小装配过程中各层膜电极和双极板之间的错位。

（3）本发明的燃料电池电堆快速装配设备，各定位杆固定在可移动的定位杆安装座上，当堆型变化时，与现有的限位方式相比，无需更换现有方式中用于固定限位杆的顶板和底板，直接调整定位杆位置，即可适应多种堆型，兼容性好，节约成本。

附图说明

图1为本发明的燃料电池电堆快速装配设备的概略立体图；

图2为本发明的快速堆叠机构和物料供应机构的概略立体图；

图3为本发明的电堆压合机构的概略立体图；

图4为本发明的电堆夹持装置的概略立体图；

图中：1-快速堆叠机构、2-电堆压合机构、3-电堆夹持机构、4-物料供应机构、11-堆芯、12-物料拾取吸盘、13-物料转移轨道、121-真空吸盘、122-移动支架、14-拍打板、15-电机、16-电机底座、41-极板物料供应堆、42-膜电极物料供应堆、43-极板物料供应堆底板、44-膜电极物料供应堆底板、21-背板、22-上压头、23-下压头、24-底座、31-定位底板、32-定位杆、33-定位板a、34-定位板b、35-滑槽连接座、36-滑槽、37-定位杆安装座、38-丝杠、39-十字连接座。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的目的、技术方案及优点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是本发明的一部分实施例，并不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做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。

实施例1

如图1-4所示，本实施例的快速装配设备由快速堆叠机构1、电堆压合机构2、电堆夹持机构3和物料供应堆4组成。

其中，快速堆叠机构1由物料拾取吸盘12和物料转移轨道13组成，物料拾取吸盘12由真空吸盘121和移动支架122组成。真空吸盘121固定在移动支架122上，与物料转移轨道13相连，使物料拾取吸盘12可沿轨道运动。多个物料拾取吸盘12被安装在物料转移轨道13上，周期运动。沿物料拾取吸盘移动方向上分别布置膜电极物料供应堆42、双极板物料供应堆41和堆芯11。每一个物料拾取吸盘包含多个真空吸盘，可根据夹持的物料形状特点设置相应的分布形式，使物料可以牢固吸附。在一个优选的实施方案中，物料拾取吸盘12由4个真空吸盘121和移动支架122组成。

快速堆叠机构1可以实现双极板和膜电极物料的抓取和移动，交替将双极板和膜电极堆叠在堆芯中。物料拾取吸盘沿轨道运动，每一个周期进行一次抓取和放置动作，无需往复运动和旋转，运动简单，效率高。

电堆压合机构2包括背板21、上压头22和下压头23，所述的上压头22和下压头23安装在背板21上，分别由两个独立电机驱动，分别对位移或速度进行控制，电堆压合机构2负责控制电堆压装过程，上下两个压头由2个独立电机驱动，可选择以位移模式控制或以压力模式控制。所述的堆芯11置于所述的下压头23上，下压头23在电堆堆叠过程中逐渐下降，保证叠装的堆芯11与快速堆叠机构1间距不变。

电堆夹持机构3在电堆堆叠和压装过程中对堆芯进行定位，保证电堆的装配质量。堆芯的四周均布置定位杆或定位板，同时可根据堆型不同，对定位杆的位置进行调整，以适配不同堆型的装配。电堆夹持机构3由固定的两块定位板：定位板a33、定位板b34和可移动的三组定位杆32组成，其中固定的定位板a33、定位板b34位于电堆长边靠压机背板21一侧，提高长堆装配的限位强度，三组定位杆分别位于电堆的另一侧长边和两侧短边。定位杆32起线定位作用，定位板a33、定位板b34起面定位作用。电堆堆叠过程中，由固定的定位板a33、定位板b34和一侧短边的定位杆32实现定位，电堆整体向该定位杆和定位板组成的夹角处倾斜，利用重力使物料对齐。其余定位杆为浮动杆，起限位作用，物料堆叠完成后，在压缩前将浮动杆插入，对电堆进行限位，再进行压缩。

定位杆32安装在定位杆安装座37上，定位杆安装座37安装在丝杠38上。对于短边的两个定位杆安装座，其可沿所在丝杠38调整位置，实现一个方向的运动；所在丝杠38两端的滑槽连接座35可沿滑槽36移动，实现另一个方向的运动。对于长边的两个定位杆安装座其可沿所在丝杠调整位置，实现一个方向的运动；所在丝杠两端的十字连接座39可沿所连接的两根丝杠移动，实现另一个方向的运动。通过丝杠和连接座的配合，可以使定位杆安装座移动到指定位置，根据实际堆型进行调整，满足不同尺寸的电堆的定位需要。

物料供应机构4包括极板物料供应堆41、膜电极物料供应堆42以及各供应堆底部设置的可上下移动的底板，加工完成的双极板和膜电极物料分别存放在两个供应堆中，通过底板推动供应堆向上移动，使最上层物料被快速堆叠机构1抓取。物料供应机构4可将双极板和膜电极物料整齐堆放，便于物料拾取吸盘的抓取。在装堆过程中，两个物料供应堆向上移动，使物料被固定在物料拾取吸盘上，物料拾取吸盘交替抓取双极板和膜电极物料。

具体来说，

在堆叠过程中，当未抓取物料的物料拾取吸盘12运动到双极板物料供应堆41或膜电极物料供应堆42正上方时，极板物料供应堆底板43、膜电极物料供应堆底板44带动双极板物料供应堆41或膜电极物料供应堆42向上移动直至双极板或膜电极物料与真空吸盘121接触，使物料被固定在物料拾取吸盘12上，随后极板物料供应堆底板43、膜电极物料供应堆底板44向下移动，避免干涉已抓取物料的移动。极板物料供应堆底板43、膜电极物料供应堆底板44上设置有位移传感器和力传感器，可以根据位移或力调整退回大小。例如，采用位移控制时，极板物料供应堆底板43、膜电极物料供应堆底板44先向上移动物料拾取吸盘12与双极板物料供应堆41或膜电极物料供应堆42之间的距离，使得物料与吸盘接触；当完成抓取后，极板物料供应堆底板43、膜电极物料供应堆底板44向下退回前述距离减去一块物料的厚度。抓取物料之后的物料拾取吸盘12向堆芯11方向运动，运动至堆芯正上方时将物料放下。当一片物料放置完毕后，下压头23带动堆芯11向下移动一片物料厚度的距离，保证每次堆叠前堆芯11上表面处于同一高度，避免堆芯11与物料拾取吸盘12干涉。完成抓取和放置后，物料拾取吸盘12沿物料转移轨道13继续运动，等待下一轮抓取。此过程中，相邻两个物料拾取吸盘分别抓取双极板和膜电极物料，实现双极板和膜电极的依次堆叠。

在一个优选的实施方案中，如图2所示，电堆拍打装置由拍打板14、电机15、电机底座16组成。电堆装配过程中，每完成一片物料的堆叠后，电机15带动拍打板14向堆芯方向移动，将刚放置的物料向对侧的定位板推动，使物料对齐。

在一个优选的实施方案中，如图3所示，电堆压合机构2中上压头22和下压头23被安装在背板21上，分别由两个电机驱动，可分别对位移或速度进行控制。电机安装于背板21后部。下压头下部有定位底板31，用于安装电堆夹持装置3。

在一个优选的实施方案中，如图4所示，电堆夹持机构3设有2块定位板a33和定位板b34，固定在定位底板31上，为电堆提供面定位。滑槽36位于电堆两长边，滑槽安装座35嵌于滑槽36内，可移动并固定在任意位置。相对的两个滑槽安装座上安装有丝杠38，同时长度方向也安装有丝杠，通过十字连接座39连接，两根丝杠位置可通过各连接座任意调整。定位杆安装座37安装在丝杠上，可沿丝杠移动。定位杆32安装在定位杆安装座37上。根据以上技术方案，所有定位杆可调整至平面内任意位置。当堆型发生变化时，只需调整定位杆位置，即可适应不同堆型。

电堆堆叠时，定位板a33和定位板b34以及一侧短边的定位杆32起限位作用；当电堆压合时，安装剩余的定位杆，由四根定位杆和两块定位板共同限位。其中定位杆32提供线定位，定位板a33和定位板b34提供面定位，线定位与面定位结合的方式可提高定位精度，保证装配质量。

采用本技术方案后，可大幅缩短单片物料的堆叠时间，提高装配生产效率，同时可根据不同的堆型调整定位杆的位置，兼容性好，可减小更换定位杆固定板带来的成本。

需要指出的是，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、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种燃料电池电堆快速装配设备，其特征在于，包括：

快速堆叠机构（1），抓取和移动膜电极组件和双极板物料，交替将双极板和膜电极堆叠在堆芯（11）上；包括物料拾取吸盘（12）和物料转移轨道（13），物料拾取吸盘（12）拾取膜电极组件和双极板物料，沿物料转移轨道（13）周期移动到指定位置，依次叠放在堆芯（11）上，各物料拾取吸盘（12）的吸附位置根据物料特征确定，每个物料拾取吸盘（12）在完成一次拾取和放置后，即沿物料转移轨道（13）回到初始位置，进行下一轮操作；还包括一个电堆拍打装置，该电堆拍打装置包括拍打板（14）、电机（15）、电机底座（16），电堆装配过程中，每完成一片物料的堆叠后，电机（15）带动拍打板（14）向堆芯（11）方向移动，将刚放置的物料向对侧的定位板推动，使物料对齐；

电堆压合机构（2），对堆芯（11）实现单向或双向压缩，同时在电堆堆叠过程中控制叠装的堆芯（11）与快速堆叠机构（1）间距不变；

电堆夹持机构（3），在电堆堆叠和压装过程中对堆芯进行定位，以实现精确的装配，限制物料的移动；包括固定的两块定位板和可移动的三组定位杆，其中两块定位板位于电堆长边靠压机背板一侧，提高长堆装配的限位强度，三组定位杆分别位于电堆的另一侧长边和两侧短边；所述的定位杆安装在定位杆安装座（37）上定位杆安装座（37）可沿丝杠（38）移动，根据堆芯（11）的形状不同调整定位杆的位置，满足不同尺寸电堆的定位需要；

物料供应机构（4），向快速堆叠机构（1）提供膜电极组件和双极板物料；

多个物料拾取吸盘安装在物料转移轨道上，沿轨道顺时针运动。

2.根据权利要求1所述的一种燃料电池电堆快速装配设备，其特征在于，所述的物料拾取吸盘（12）由真空吸盘（121）和移动支架（122）组成，真空吸盘（121）固定在移动支架（122）上，与物料转移轨道（13）相连，使物料拾取吸盘（12）可沿轨道运动。

3.根据权利要求2所述的一种燃料电池电堆快速装配设备，其特征在于，多个物料拾取吸盘（12）安装在物料转移轨道（13）上，物料拾取吸盘（12）的数量为物料种类的整数倍，交替排列，序号为奇数的物料拾取吸盘拾取双极板，序号为偶数的物料拾取吸盘拾取膜电极组件，或者根据需要吸附其他零部件。

4.根据权利要求1所述的一种燃料电池电堆快速装配设备，其特征在于，所述的电堆压合机构（2）包括背板（21）、上压头（22）和下压头（23），所述的上压头（22）和下压头（23）安装在背板（21）上，分别由两个独立电机驱动，分别对位移或速度进行控制。

5.根据权利要求4所述的一种燃料电池电堆快速装配设备，其特征在于，所述的堆芯（11）置于所述的下压头（23）上，下压头（23）在电堆堆叠过程中逐渐下降，保证叠装的堆芯（11）与快速堆叠机构（1）间距不变。

6.根据权利要求1所述的一种燃料电池电堆快速装配设备，其特征在于，所述的物料供应机构（4）包括极板物料供应堆（41）、膜电极物料供应堆（42）以及各供应堆底部设置的可上下移动的底板，加工完成的双极板和膜电极物料分别存放在两个供应堆中，通过底板推动供应堆向上移动，使最上层物料被快速堆叠机构（1）抓取。