質(zhì)子交換膜燃料電池電堆自動(dòng)化裝配系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及自動(dòng)化系統(tǒng)，特別涉及一種質(zhì)子交換膜燃料電池電堆自動(dòng)化裝配系統(tǒng)。
技術(shù)背景
[0002]燃料電池在原理和結(jié)構(gòu)上不同于常規(guī)意義上的電池，它是一種按電化學(xué)方式直接將貯存在燃料和氧化劑的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的裝置。在環(huán)境污染越來(lái)越嚴(yán)重以及化石能源越來(lái)越緊張的今天，人類(lèi)急需一種新的可持續(xù)無(wú)污染的能源來(lái)替代現(xiàn)有能源結(jié)構(gòu)。燃料電池由于其環(huán)境友好、轉(zhuǎn)化效率高的特點(diǎn)，有望作為化石燃料的替代能源而越來(lái)越受到世界各國(guó)政府以及能源動(dòng)力廠(chǎng)商的重視。燃料電池的分類(lèi)很多，通常按照電池所采用的電解質(zhì)分類(lèi)，燃料電池可分為堿性燃料電池、磷酸型燃料電池、質(zhì)子交換膜燃料電池、固體氧化物燃料電池、熔融碳酸鹽型燃料電池等。其中，質(zhì)子交換膜燃料電池由于其采用固態(tài)電解質(zhì)高分子膜作為電解質(zhì)，工作中無(wú)電解質(zhì)泄漏、安全、能量密度高、可靠性高，且可在低溫(80°C左右)的環(huán)境中工作，憑借著這些特點(diǎn)質(zhì)子交換膜燃料電池有望成為未來(lái)移動(dòng)電源和固定電源的首選，故目前質(zhì)子交換膜燃料電池成為了燃料電池領(lǐng)域的研宄熱點(diǎn)。
[0003]質(zhì)子交換膜燃料電池電堆主要有膜電極組件(即membrance electrodeassembly,MEA)、雙極板、密封元件、兩側(cè)端板和緊固螺栓等組成。其中雙極板廣泛采用石墨雙極板或金屬雙極板，雙極板兩側(cè)的流場(chǎng)分別是氧化劑(如氧氣)與燃料(如氫氣)的通道，以確保氧化劑和燃料能夠均勻分配到MEA各個(gè)部分，然后與MEA上催化層接觸發(fā)生氧化還原反應(yīng)進(jìn)而產(chǎn)生電流。
[0004]在實(shí)際應(yīng)用中，通常需要將多個(gè)單電池通過(guò)串聯(lián)的方式組裝到一起形成燃料電池電堆來(lái)使用。燃料電池電堆在組裝過(guò)程中，燃料電池裝配技術(shù)直接影響到電堆密封性能、接觸性能以及傳質(zhì)性能，最終影響到電池的輸出性能。同時(shí)，燃料電池電堆在工作過(guò)程中還需保證燃料電池內(nèi)部氧化劑和燃料要嚴(yán)格隔離，不能互竄，以免發(fā)生危險(xiǎn)。同時(shí)，隨著對(duì)燃料電池電堆功率的要求逐漸提高，大型電堆越來(lái)越受到人們的關(guān)注。
[0005]圖1所示為現(xiàn)有的質(zhì)子交換膜電池電堆的結(jié)構(gòu)示意圖，由多個(gè)單電池201串聯(lián)，被兩側(cè)的端板202夾在中間。根據(jù)燃料電池電堆的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和工作特性要求，在燃料電池裝配過(guò)程中需要保證燃料電池電堆每個(gè)單電池對(duì)齊裝配，電堆能夠正常高效地工作的前提是電堆密封性以及MEA壓縮量得到有效的保證，故需準(zhǔn)確地將電堆縱向尺寸壓縮到合適的大小，同時(shí)電堆所需的縱向尺寸隨著電堆單電池?cái)?shù)量以及MEA型號(hào)的變化也隨之發(fā)生相應(yīng)的變化。在目前的電堆裝配設(shè)備中，重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)的是將燃料電池電堆各組件通過(guò)壓力結(jié)合在一起，并不能保證電堆各組件具有合適的壓縮量。同時(shí)，需要利用定位銷(xiāo)保證電堆裝配過(guò)程中電堆各組件的對(duì)齊，在電堆裝配結(jié)束后需將定位銷(xiāo)拔出以免影響燃料電池電堆的正常工作，但是隨著電堆縱向尺寸的越來(lái)越大，強(qiáng)行將定位銷(xiāo)拔出將會(huì)損壞電堆組件如極板、MEA等；其次，對(duì)于大型電堆裝配，定位銷(xiāo)已經(jīng)不能有效起到定位的作用，裝配壓緊時(shí)容易因?yàn)槊芊馊七M(jìn)而造成電堆歪斜失穩(wěn)。此外，在現(xiàn)有的電堆裝配工作中，基本都是通過(guò)人工將電堆組件組合在一起，裝配一個(gè)大型電堆則需花費(fèi)較長(zhǎng)時(shí)間，且人工操作難以保證電堆裝配質(zhì)量的穩(wěn)定性。再者，在目前的裝配中，需要將電堆完全裝配好后再進(jìn)行電堆的密封性檢測(cè)，這樣不僅降低了電堆裝配效率，同時(shí)往往因?yàn)殡姸涯骋还?jié)單電池出現(xiàn)密封問(wèn)題將導(dǎo)致整個(gè)電堆的重新裝配，極大地較低了電堆裝配效率。
[0006]中國(guó)專(zhuān)利CN200969374Y記載了“一種用于裝配燃料電池堆的壓緊設(shè)備”。該設(shè)備的技術(shù)特點(diǎn)在于:設(shè)備工作時(shí)，壓力可調(diào)壓緊裝置推動(dòng)第二模板以及墊塊和燃料電池堆一起向第一模板方向運(yùn)動(dòng)，將燃料電池電堆的兩端板壓緊。該壓緊設(shè)備雖然適用于裝配多種尺寸規(guī)格的燃料電池電堆，能夠保證裝配過(guò)程中燃料電池堆端板上每個(gè)區(qū)域的受力均勻性。但是，該機(jī)構(gòu)依然采用定位銷(xiāo)進(jìn)行電堆電池間的橫向定位，在電堆電池?cái)?shù)量較多時(shí)，難以有效地限制電堆橫向因?yàn)槊芊馊Φ幕瑒?dòng)造成的電堆歪斜現(xiàn)象；其次，電堆壓緊后拔出定位銷(xiāo)時(shí)容易損壞電堆內(nèi)部結(jié)構(gòu)。
[0007]中國(guó)專(zhuān)利CN201110065618，名稱(chēng)為燃料電池電堆的自動(dòng)化裝配裝置，提出了一種能夠?qū)θ剂想姵仉姸堰M(jìn)行半自動(dòng)裝配的設(shè)備。該設(shè)備通過(guò)壓力可調(diào)壓裝置對(duì)電堆進(jìn)行預(yù)壓緊，然后通過(guò)自動(dòng)擰螺栓裝置對(duì)電堆上的裝配螺栓進(jìn)行自動(dòng)擰緊操作。該發(fā)明解決了因?yàn)槭謩?dòng)擰緊螺栓造成的電堆不同位置螺栓扭矩大小不一致，從而導(dǎo)致電堆組件受力不對(duì)稱(chēng)等問(wèn)題。但是，實(shí)際裝配中，裝配力不能有效地確定，需多次調(diào)節(jié)所需要的壓縮量，裝配效率低。
[0008]中國(guó)專(zhuān)利CN201134470Y，名稱(chēng)為一種燃料電池電堆裝配機(jī)，提出了一種可調(diào)式燃料電池電堆裝配機(jī)。該裝置的技術(shù)特點(diǎn)在于:該裝置采用橫向壓機(jī)放置的裝配模式，并利用可升降工作臺(tái)調(diào)整使電堆中心和壓力調(diào)節(jié)裝置的軸心一致。該發(fā)明具有使電堆受力均勻、適用于不同規(guī)格電堆的裝配等優(yōu)點(diǎn)。但是，該裝置利用升降平臺(tái)難以準(zhǔn)確保證電堆中心和壓力可調(diào)節(jié)裝置軸心的一致性，易發(fā)生電堆歪斜，損壞電堆組件。
[0009]由以上專(zhuān)利可知，現(xiàn)有的燃料電池電堆裝配機(jī)構(gòu)普遍存在裝配效率低、人工操作誤差大、可重復(fù)性較低、較難有效控制電堆壓縮位移等不足。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]本發(fā)明的目的，就是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的問(wèn)題，提供一種新的質(zhì)子交換膜燃料電池電堆自動(dòng)化裝配系統(tǒng)。
[0011]為了實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的目的，本發(fā)明采用了以下技術(shù)方案:一種質(zhì)子交換膜燃料電池電堆自動(dòng)化裝配系統(tǒng)，包括機(jī)架、組件傳送機(jī)構(gòu)、組件拾取機(jī)構(gòu)、電堆裝配機(jī)構(gòu)、在線(xiàn)密封檢測(cè)器、位移控制機(jī)構(gòu)、橫向限位機(jī)構(gòu)、電堆推出機(jī)構(gòu)、電堆轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)及相應(yīng)控制系統(tǒng)；其中:組件拾取機(jī)構(gòu)、電堆裝配機(jī)構(gòu)、在線(xiàn)密封檢測(cè)器、位移控制機(jī)構(gòu)和橫向限位機(jī)構(gòu)分別安裝在機(jī)架的不同位置，電堆推出機(jī)構(gòu)安裝在機(jī)架底部的一側(cè)，組件傳送機(jī)構(gòu)設(shè)置在機(jī)架的組件入口處，電堆轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)設(shè)置在機(jī)架的電堆出口處。
[0012]所述機(jī)架包括機(jī)架上平臺(tái)、機(jī)架底座、導(dǎo)軌和支撐型材，導(dǎo)軌和支撐型材分別垂直連接在機(jī)架上平臺(tái)和機(jī)架底座之間。
[0013]所述的組件傳送機(jī)構(gòu)包括組件傳送支架和架設(shè)在組件傳送支架上的組件傳送平臺(tái)，組件傳送機(jī)構(gòu)將裝配電堆所需組件精確傳送到組件拾取裝置的拾取位置，實(shí)現(xiàn)組件自動(dòng)、連續(xù)輸送。
[0014]所述的組件拾取機(jī)構(gòu)包括水平直線(xiàn)電機(jī)組件、豎直直線(xiàn)電機(jī)組件和組件拾取器，豎直直線(xiàn)電機(jī)組件安裝在機(jī)架上平臺(tái)上，水平直線(xiàn)電機(jī)組件安裝在豎直直線(xiàn)電機(jī)組件上，組件拾取器安裝在水平直線(xiàn)電機(jī)組件上；組件拾取機(jī)構(gòu)拾取組件傳送平臺(tái)傳送過(guò)來(lái)的電堆組件并精確旋轉(zhuǎn)到裝配位置。
[0015]所述電堆裝配機(jī)構(gòu)包括動(dòng)力缸、頂桿、推動(dòng)平臺(tái)和電堆裝配平臺(tái)，動(dòng)力缸固定在機(jī)架上平臺(tái)上并依次與頂桿和推動(dòng)平臺(tái)相連，電堆裝配平臺(tái)設(shè)置在推動(dòng)平臺(tái)的下方，推動(dòng)平臺(tái)和電堆裝配平臺(tái)分別通過(guò)直線(xiàn)軸承與機(jī)架導(dǎo)軌連接，推動(dòng)平臺(tái)上設(shè)置有與電池電堆的陰極、陽(yáng)極的進(jìn)氣口和出氣口相對(duì)應(yīng)的氣路及對(duì)應(yīng)的密封結(jié)構(gòu)，配合在線(xiàn)密封檢測(cè)器實(shí)現(xiàn)對(duì)電堆的密封性檢測(cè)。
[0016]所述在線(xiàn)密封檢測(cè)器安裝在機(jī)架上平臺(tái)上并通過(guò)氣管與電堆裝配機(jī)構(gòu)中的推動(dòng)平臺(tái)上的氣路相連，實(shí)現(xiàn)電堆的在線(xiàn)密封檢測(cè)。