CN115513504B - 一种燃料电池膜电极gdl贴合装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种燃料电池膜电极GDL贴合装置及方法。本发明包括上料机构，所述上料机构包括放卷模块、过渡辊模块、剥离模块和收卷模块；阳极GDL点胶贴合机构，所述阳极GDL点胶贴合机构包括阳极吸盘模块、阳极料仓模块、5‑MEA上料模块、阳极点胶模块，阳极UVW模块、阳极视觉定位模块、5‑MEA视觉定位模块和阳极移栽贴合模块；阴极GDL点胶贴合机构，所述阴极GDL点胶贴合机构包括阴极吸盘模块、阴极料仓模块、阴极点胶模块、阴极UVW模块、阴极视觉定位模块、6‑MEA定位模块、翻转模块和阴极移栽贴合模块。本发明所述的一种燃料电池膜电极GDL贴合装置及方法，该发明减少5‑MEA收料、取料的搬运次数，降低了5‑MEA在搬运过程中遭受二次损伤的风险。
Description
技术领域
本发明涉及燃料电池技术领域，尤其是指一种燃料电池膜电极GDL贴合装置及方法。
背景技术
目前我国氢燃料电池汽车仍处于推广阶段，燃料电池电堆的型号和尺寸没有统一标准，相关公司或研究机构生产的膜电极特点一般是尺寸多，批量小且需要独立定做，膜电极封装的普遍情况是操作人员纯手工装配或人工辅助设备半自动装配，质子交换膜本身的特性厚度很薄，且极易吸收空气中的水分，在撕去保护膜后组装过程中很容易起皱变形，对于操作者的熟练程度要求很高，效率低且成品一致性不好。
因此一批量身定制的全自动标准化封装设备应运而生，目前设备厂商采用最多的七合一封装工艺是片对片的装配，即片材的气体扩散层（GDL）和片材的五合一通过料盒上料；GDL经过定位点胶后和五合一叠合在一起进行平压，使胶水固化后七合一产品码垛到料盒里，该工艺的优点是兼容性强，可以生产尺寸差异大的产品，换型方便；缺点是五合一来料是片材，五合一搬运次数多，暴露CCM裸露时长，增加了CCM（累积净化量）污染风险。并且两片五合一之间还增加了隔纸，增加了耗材，在大批量生产时也是成本浪费。
还有一种七合一封装方式是卷对片的封装，即五层膜电极为完成热压后的卷材，阴极GDL和阳极GDL为已裁切成型的片材，分别装在专用料匣内，五合一放卷拉带，GDL经过定位点胶后往拉带的五合一上贴合，然后完成水气孔和外形的裁切，最后7-MEA（膜电极组件）成品码垛下线。该工艺的优点是节拍快，产能高；缺点是兼容性差，不同产品不能共线生产，适合单一或一定尺寸间种类少的产品。
发明内容
为此，本发明的目的是提供一种燃料电池膜电极GDL贴合装置及方法，能够提高气体扩散层（GDL）贴合质量和效率的燃料电池膜电极GDL贴合装置和方法，优化现有封装技术。
为解决上述技术问题，本发明提供一种燃料电池膜电极GDL贴合装置，包括：
上料机构，所述上料机构包括放卷模块、过渡辊模块、剥离模块和收卷模块，所述放卷模块用于对来料5-MEA膜电极组件放卷，所述来料5-MEA膜电极组件为包括托底膜的5-MEA膜卷料，所述过渡辊模块用于保护膜卷料过渡，所述剥离模块用于将5-MEA膜卷料从托底膜上进行剥离，所述收卷模块用于托底膜进行回收；
阳极GDL点胶贴合机构，所述阳极GDL点胶贴合机构包括阳极吸盘模块、阳极料仓模块、5-MEA上料模块、阳极点胶模块，阳极UVW模块、阳极视觉定位模块、5-MEA视觉定位模块和阳极移栽贴合模块，所述阳极料仓模块用于放置阳极GDL和隔纸，所述吸盘模块用于吸取并搬运阳极仓模块料内的GDL和隔纸，所述5-MEA上料模块用于吸取剥离后的5-MEA，所述阳极点胶模块用于阳极GDL微孔层面点胶，所述阳极视觉定位模块用于对阳极 GDL进行拍照识别定位，所述阳极UVW模块25用于将阳极GDL胶线轨迹和5-MEA活性区域位置做对比，所述5-MEA视觉定位模块用于对5-MEA进行拍照识别定位，对阳极GDL位置纠偏后移动到5-MEA活性区域的正下方，所述阳极移栽贴合模块用于5-MEA与点胶后的阳极GDL进行对位贴合；
阴极GDL点胶贴合机构，所述阴极GDL点胶贴合机构包括阴极吸盘模块、阴极料仓模块、阴极点胶模块、阴极UVW模块、阴极视觉定位模块、6-MEA定位模块、翻转模块和阴极移栽贴合模块，所述阴极吸盘模块用于吸取阴极料仓模块内的阴极GDL和隔纸，将隔纸放置到隔纸料仓，将阴极GDL放置到点胶模块上，将完成点胶的阴极GDL放置到对位贴合阴极UVW模块平台上；所述阴极料仓模块用于放置阴极GDL和隔纸；所述阴极点胶模块用于阴极GDL微孔层面点胶；所述阴极GDL视觉定位模块用于对阴极 GDL进行拍照识别定位；所述阴极UVW模块用于阴极GDL胶线轨迹和-MEA活性区域位置做对比后，对阴极GDL位置纠偏后移动到-MEA活性区域的正下方；所述翻转模块用于将前工站贴合完的6-MEA进行翻面，GDL朝上，5-MEA朝下；所述阴极移栽贴合模块用于6-MEA与点胶后的GDL进行对位贴合。
在本发明的一种实施方式中，所述放卷模块包括安装板、设于所述安装板的气涨轴以及与气涨轴连接的磁粉制动器。
在本发明的一种实施方式中，所述阴极视觉定位模块和阳极视觉定位模块均采用CCD相机。
在本发明的一种实施方式中，所述阳极点胶模块和阴极点胶模块均包括可移动点胶平台。
在本发明的一种实施方式中，所述阳极吸盘模块和阴极吸盘模块均包括Z轴升降机构以及通过Z轴升降机构驱动的隔纸吸盘。
在本发明的一种实施方式中，所述阳极料仓模块和阴极料仓模块均包括GDL料仓和隔纸储存料仓。
在本发明的一种实施方式中，所述翻转模块用于将6-MEA翻转180°。
一种燃料电池膜电极GDL贴合方法，利用所述的燃料电池膜电极GDL贴合装置，包括如下步骤：
阳极吸盘模块从阳极料仓模块取一片阳极GDL，放置到阳极点胶模块的点胶平台上点胶；
5-MEA膜卷料通过磁粉制动器和气涨轴完成放卷及张力控制，剥离模块将5-MEA膜卷料从托底保护膜进行剥离，收卷模块将托底膜进行收卷回收；
5-MEA上料模块吸取5-MEA放置到中转平台上，阳极移栽贴合模块将5-MEA搬运，通过CCD视觉拍照进行定位；
阳极吸取模块将已经点胶的阳极 GDL 流转到UVW平台，视觉系统对阳极GDL进行拍照；阳极UVW平台通过XY位移和角度的微调对阳极 GDL进行二次定位后叠放到5-MEA正下方，阳极移栽贴合模块下压5-MEA完成与6-MEA的贴合；
阴极吸盘模块从阴极料仓模块内取一片阴极 GDL，放置到阴极点胶模块的点胶平台上点胶；
阴极吸盘模块将已经点胶的阴极 GDL 流转，阴极视觉定位模对阳极GDL进行拍照定位；
阳极移栽贴合模块将6-MEA搬运并通过翻转模块翻转180°，通过CCD视觉拍照进行定位；
阴极移栽贴合模块下压6-MEA完成7-MEA的贴合。
本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：
本发明所述的一种燃料电池膜电极GDL贴合装置及方法，该发明减少5-MEA收料、取料的搬运次数，降低了5-MEA在搬运过程中遭受二次损伤的风险；
在5-MEA来料是完成热压后的5-MEA片材歧管孔、外形等已完成裁切，七合一封装时不用进行二次裁切，定位准确；
本发明来料5-MEA封裹在保护膜内，减少了活性区域在空气中的暴露时间；
本发明中卷料5-MEA直接上料，无辅料加入，节省了耗材成本。
附图说明
为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面根据本发明的具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中
图1为5-MEA卷材来料示意图。
图2为GDL片材来料示意图。
图3为燃料电池膜电极GDL贴合装置的布局图。
图4为本发明的5-MEA上料机构示意图。
图5为本发明的阳极GDL点胶贴合机构示意图。
图6为本发明的阴极GDL点胶贴合机构示意图。
图7为本发明的燃料电池膜电极GDL贴合装置的工位布置示意图。
说明书附图标记说明：11、放卷模块；12、过渡辊模块；13、剥离模块；14、收卷模块；21、阳极吸盘模块；22、阳极料仓模块；23、5-MEA上料模块；24、阳极点胶模块；25、阳极UVW模块；26、阳极视觉定位模块；27、5-MEA视觉定位模块；28、阳极移栽贴合模块；31、阴极吸盘模块；32、阴极料仓模块；33、阴极点胶模块；34、阴极UVW模块；35、阴极视觉定位模块；36、6-MEA定位模块；37、翻转模块；38、阴极移栽贴合模块。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
参照图1至图7所示，本发明的一种燃料电池膜电极气体扩散层（简称GDL）贴合装置，包括5-MEA上料机构、阳极GDL点胶贴合机构和阴极GDL点胶贴合机构。
所述5-MEA上料机构包括放卷模块11、过渡辊模块12、剥离模块13、收卷模块14，来料5-MEA膜电极组件为片材，来料形式为由托底膜卷成卷保护在内的卷料，贴合前从托底膜上剥离出来。所述放卷模块11通过磁粉制动器+气涨轴完成放卷及张力控制，所述过渡辊模块12用于保护膜卷料过渡，所述剥离模块13用于将5-MEA从托底保护膜上进行剥离；所述收卷模块14用于托底膜进行回收。
阳极GDL点胶贴合机构包括阳极吸盘模块21、阳极料仓模块22、5-MEA上料模块23、阳极点胶模块24，阳极UVW模块25、阳极视觉定位模块26、5-MEA视觉定位模块27和阳极移栽贴合模块28。所述吸盘模块21用于吸取阳极仓模块料22内的GDL和隔纸并搬运至指定位置；所述阳极料仓模块22用于放置阳极GDL和隔纸，可区别阴阳极料仓，人工放错料仓后设备自动报警；所述5-MEA上料模块23用于从5-MEA剥离板上吸取5-MEA旋转90°后放置到中转平台（5工位）上；所述阳极点胶模块24用于阳极GDL微孔层面点胶；所述阳极视觉定位模块26用于对阳极 GDL进行拍照识别定位；所述阳极UVW模块25用于将阳极GDL胶线轨迹和5-MEA活性区域位置做对比后；所述5-MEA视觉定位模块27用于对5-MEA进行拍照识别定位；对阳极GDL位置纠偏后移动到5-MEA活性区域的正下方；所述阳极移栽贴合模块28用于5-MEA与点胶后的阳极GDL进行对位贴合；
阴极GDL点胶贴合机构包括阴极吸盘模块31、阴极料仓模块32、阴极点胶模块33、阴极UVW模块34、阴极视觉定位模块35、6-MEA定位模块36、翻转模块37和阴极移栽贴合模块38。所述阴极吸盘模块31用于吸取阴极料仓模块32内的阴极GDL和隔纸，将隔纸放置到隔纸料仓，将阴极GDL放置到点胶模块上，将完成点胶的阴极GDL放置到对位贴合阴极UVW模块平台上；所述阴极料仓模块32用于放置阴极GDL和隔纸；所述阴极点胶模块33用于阴极GDL微孔层面点胶；所述阴极GDL视觉定位模块35用于对阴极 GDL进行拍照识别定位；所述阴极UVW模块34用于阴极GDL胶线轨迹和6-MEA活性区域位置做对比后，对阴极GDL位置纠偏后移动到6-MEA活性区域的正下方；所述翻转模块37用于将前工站贴合完的6-MEA进行翻面，GDL朝上，5-MEA朝下；所述阴极移栽贴合模块38用于6-MEA与点胶后的GDL进行对位贴合；
5-MEA上料机构还包括对来料的不合格标识进行识别，识别后的NG品，由阳极吸盘模块21从托底保护膜上剥离后抛料到不合格品仓。
所述阴、阳吸盘模块都包括隔纸吸盘、伯努利吸盘、颜色传感器、防带料机构、取料Z轴。其特征在于所述隔纸吸盘从料仓内吸取隔纸，伯努利吸盘从料仓内吸取GDL，颜色传感器通过颜色识别隔纸和GDL，防带料机构避免取隔纸时带起GDL，取料Z轴控制吸盘升降从料仓内以吸取GDL和隔纸。
所述阴、阳极料仓模块都还包括GDL料仓和隔纸储存料仓，其特征在于上料时整体更换料仓，料仓内GDL和隔纸交替叠放；料仓有防错功能，人工放错料仓后设备自动识别报警，从料仓里吸取GDL放置到点胶模块上点胶，将完成点胶的GDL放置到对位贴合模块UVW平台上。
所述阴、阳极点胶模块采用双Y点胶平台，实现上料与点胶同步进行；
所述阴、阳极GDL对位视觉系统采用高精度相机，安装在上方，共两个相机，从上往下拍GDL对角，确定GDL中心位置；
所述5-MEA对位视觉系统采用高精度相机，安装在下方，共两个相机，从下往上拍5-MEA活性区内框对角，确定活性区中心位置；视觉定位模块的贴合原理是通过视觉确定阳极GDL中心位置和5-MEA活性区中心位置，中心对中心完成贴合；通过视觉确定阴极GDL中心位置和6-MEA活性区中心位置，中心对中心完成贴合；
所述翻转模块37将翻转平台上方的6-MEA（GDL朝下）翻转180°，翻转到翻转平台下方；下方的接料平台移至翻转平台下发，顶升吸取6-MEA，再移至原位。
参照图7所示，一种燃料电池膜电极GDL贴合的方法，采用上述的一种燃料电池膜电极GDL贴合装置进行操作，具体步骤如下：
1)人工将卷料的5-MEA放置到卷料五层膜上料工位；人工将阴极 GDL 料匣放置到阴极 GDL 上料工位；人工将阳极 GDL 料匣放置到阳极上料工位；人工将粘接胶水放置到点胶工位；
2)剥离模块将5-MEA片料从托底保护膜进行剥离；保护膜进行收卷回收，
3)阳极吸取模块从阳极 GDL 料匣内取一片阳极 GDL，放置到点胶平台（1工位）上点胶；点胶机构夹持点胶阀在阳极 GDL 上完成点胶；
4)5-MEA放卷，通过磁粉制动器+气涨轴完成放卷及张力控制，同步对来料不合格标识进行识别，纠偏后随导向辊进入剥离平台（4工位），剥离机构将片料5-MEA从托底保护膜进行剥离；保护膜进行收卷回收， 来料不合格品丢到不合格品料仓；
5)上料模块将5-MEA从剥离平台（4工位）吸取旋转90°后放置到中转平台上（5工位），阳极移栽贴合模块将5-MEA搬运至（6工位），通过CCD视觉拍照进行定位；
6)阳极吸取模块将已经点胶的阳极 GDL 流转到UVW平台（2工位），视觉系统对阳极GDL进行拍照（3工位）；阳极UVW平台通过XY位移和角度的微调对阳极 GDL进行二次定位后叠放到5-MEA正下方，阳极移栽贴合模块下压5-MEA完成与6-MEA（GDL+5-MEA）的贴合（GDL在下）；
7)阴极吸盘模块从阴极 GDL 料匣内取一片阴极 GDL，放置到点胶平台（7工位）上点胶；点胶机构夹持点胶阀在阴极 GDL 上完成点胶；
8)阴极吸盘模块将已经点胶的阴极 GDL 流转到UVW平台（8工位），视觉系统对阳极GDL进行拍照定位（9工位）；
9)阳极移栽贴合模块将6-MEA搬运至翻转工位（10工位）翻转180°，接料平台将6-MEA（阳极GDL朝上）从10工位接料移至（11工位）；
10)阴极移栽贴合模块将6-MEA搬运至（12工位），通过CCD视觉拍照进行定位；
11)阴极UVW平台通过XY位移和角度的微调对阴极 GDL进行二次定位后叠放到6-MEA正下方，移栽机构5下压6-MEA完成7-MEA的贴合（GDL在下）；
12)阴极移栽贴合模块将7-MEA搬运至中转工位（13工位）后下料到下料工位（14工位），整个贴合过程完成。
最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照实例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (8)
1.一种燃料电池膜电极GDL贴合装置，其特征在于，包括：
上料机构，所述上料机构包括放卷模块（11）、过渡辊模块（12）、剥离模块（13）和收卷模块（14），所述放卷模块（11）用于对来料5-MEA膜电极组件放卷，所述来料5-MEA膜电极组件为包括托底膜的5-MEA膜卷料，所述过渡辊模块（12）用于保护膜卷料过渡，所述剥离模块（13）用于将5-MEA膜卷料从托底膜上进行剥离，所述收卷模块（14）用于托底膜进行回收；
阳极GDL点胶贴合机构，所述阳极GDL点胶贴合机构包括阳极吸盘模块（21）、阳极料仓模块（22）、5-MEA上料模块（23）、阳极点胶模块（24），阳极UVW模块（25）、阳极视觉定位模块（26）、5-MEA视觉定位模块（27）和阳极移栽贴合模块（28），所述阳极料仓模块（22）用于放置阳极GDL和隔纸，所述吸盘模块用于吸取并搬运阳极仓模块料内的GDL和隔纸，所述5-MEA上料模块（23）用于吸取剥离后的5-MEA，所述阳极点胶模块（24）用于阳极GDL微孔层面点胶，所述阳极视觉定位模块（26）用于对阳极 GDL进行拍照识别定位，所述阳极UVW模块（25）25用于将阳极GDL胶线轨迹和5-MEA活性区域位置做对比，所述5-MEA视觉定位模块（27）用于对5-MEA进行拍照识别定位，对阳极GDL位置纠偏后移动到5-MEA活性区域的正下方，所述阳极移栽贴合模块（28）用于5-MEA与点胶后的阳极GDL进行对位贴合；
阴极GDL点胶贴合机构，所述阴极GDL点胶贴合机构包括阴极吸盘模块（31）、阴极料仓模块（32）、阴极点胶模块（33）、阴极UVW模块（34）、阴极视觉定位模块（35）、6-MEA定位模块（36）、翻转模块（37）和阴极移栽贴合模块（38），所述阴极吸盘模块（31）用于吸取阴极料仓模块（32）内的阴极GDL和隔纸，将隔纸放置到隔纸料仓，将阴极GDL放置到点胶模块上，将完成点胶的阴极GDL放置到对位贴合阴极UVW模块（34）平台上；所述阴极料仓模块（32）用于放置阴极GDL和隔纸；所述阴极点胶模块（33）用于阴极GDL微孔层面点胶；所述阴极GDL视觉定位模块用于对阴极 GDL进行拍照识别定位；所述阴极UVW模块（34）用于阴极GDL胶线轨迹和-MEA活性区域位置做对比后，对阴极GDL位置纠偏后移动到-MEA活性区域的正下方；所述翻转模块（37）用于将前工站贴合完的6-MEA进行翻面，GDL朝上，5-MEA朝下；所述阴极移栽贴合模块（38）用于6-MEA与点胶后的GDL进行对位贴合。
2.根据权利要求1所述的一种燃料电池膜电极GDL贴合装置，其特征在于，所述放卷模块（11）包括安装板、设于所述安装板的气涨轴以及与气涨轴连接的磁粉制动器。
3.根据权利要求1所述的一种燃料电池膜电极GDL贴合装置，其特征在于，所述阴极视觉定位模块（35）和阳极视觉定位模块（26）均采用CCD相机。
4.根据权利要求1所述的一种燃料电池膜电极GDL贴合装置，其特征在于，所述阳极点胶模块（24）和阴极点胶模块（33）均包括可移动点胶平台。
5.根据权利要求1所述的一种燃料电池膜电极GDL贴合装置，其特征在于，所述阳极吸盘模块（21）和阴极吸盘模块（31）均包括Z轴升降机构以及通过Z轴升降机构驱动的隔纸吸盘。
6.根据权利要求1所述的一种燃料电池膜电极GDL贴合装置，其特征在于，所述阳极料仓模块（22）和阴极料仓模块（32）均包括GDL料仓和隔纸储存料仓。
7.根据权利要求1所述的一种燃料电池膜电极GDL贴合装置，其特征在于，所述翻转模块（37）用于将6-MEA翻转180°。
8.一种燃料电池膜电极GDL贴合方法，其特征在于，利用权利要求1-7任一项所述的燃料电池膜电极GDL贴合装置，包括如下步骤：
阳极吸盘模块（21）从阳极料仓模块（22）取一片阳极GDL，放置到阳极点胶模块（24）的点胶平台上点胶；
5-MEA膜卷料通过磁粉制动器和气涨轴完成放卷及张力控制，剥离模块（13）将5-MEA膜卷料从托底保护膜进行剥离，收卷模块（14）将托底膜进行收卷回收；
5-MEA上料模块（23）吸取5-MEA放置到中转平台上，阳极移栽贴合模块（28）将5-MEA搬运，通过CCD视觉拍照进行定位；
阳极吸取模块将已经点胶的阳极 GDL 流转到UVW平台，视觉系统对阳极GDL进行拍照；阳极UVW平台通过XY位移和角度的微调对阳极 GDL进行二次定位后叠放到5-MEA正下方，阳极移栽贴合模块（28）下压5-MEA完成与6-MEA的贴合；
阴极吸盘模块（31）从阴极料仓模块（32）内取一片阴极 GDL，放置到阴极点胶模块（33）的点胶平台上点胶；
阴极吸盘模块（31）将已经点胶的阴极 GDL 流转，阴极视觉定位模对阳极GDL进行拍照定位；
阳极移栽贴合模块（28）将6-MEA搬运并通过翻转模块（37）翻转180°，通过CCD视觉拍照进行定位；
阴极移栽贴合模块（38）下压6-MEA完成7-MEA的贴合。
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