用於組裝燃料電池堆的方法和設備的製作方法

2023-08-20 20:27:56 4

專利名稱：用於組裝燃料電池堆的方法和設備的製作方法
技術領域：
本發明涉及組裝燃料電池堆的方法。更具體地，本發明
涉及能從小批量升級到大批量生產的模塊化生產方法，和用於將多個 雙極板與多個膜電極組件組裝在 一起的設備。
背景技術：
燃料電池系統在廣泛應用中日益增加地用作功率源。燃 料電池系統已經被提出用於功率消耗件(例如車輛)中，作為例如內 燃機的替代。燃料電池也可以用作建築物和住宅中的固定電功率裝 置，作為攝像機、計算機等中的可攜式電源。通常，燃料電池產生電， 用於給蓄電池充電或者提供功率給電動馬達。燃料電池是電化學裝置，將燃料(如氫)和氧化劑(如 氧)直接結合以產生電。氧通常由空氣流提供。氫和氧結合形成水。 能夠使用其它燃料，例如天然氣、甲醇、汽油和煤制合成燃料。根據 使用環境，術語"燃料電池，，通常用於指代單個電池或多個電池。多個 電池通常綑紮在一起並設置為形成具有通常以電串聯方式設置的多 個電池的燃料電池堆。由於單個燃料電池能夠組裝成具有各種尺寸的 燃料電池堆，因而系統能夠設計成產生希望能量輸出水平，從而對於 不同應用提供設計靈活性。 能夠提供不同的燃料電池類型，例如磷酸、鹼性、熔融 碳酸鹽、固體氧化物和質子交換膜(PEM) 。 PEM型燃料電池的基本 部件是由聚合物膜電解質隔開的兩個電極。每個電極一側上用薄催化 劑層塗覆。電極、催化劑、和膜一起形成膜電極組件(MEA)。 在典型PEM型燃料電池中，MEA夾在"陽極"和"陰極" 擴散介質(下文稱為"DM")或擴散層之間，擴散介質或擴散層由彈 性、導電和透氣材料(如碳纖維或紙)形成。DM用作陽極和陰極的 主集電器，以及提供MEA的機械支撐。DM和MEA (下文一起稱為 MEA)在一對導電板(如雙極板)之間受壓，所述導電板用作次集電 器，用於從主集電器收集電流。
MEA和雙極板都是柔性薄的，約小於l.Omm，且由於特定塗層和/或流體通道而非常精細。因而，每個MEA和雙極板用保護性分離器單獨包裝以防止在運輸期間的損壞。因而，常規組裝需要從單獨包裝移開和卸堆(de-stack)每個MEA和雙極板且然後用手動或自動提取和放置裝置再次堆疊。除了 MEA和雙極板的精細性質和有限處理區域之外，卸堆和再次堆疊操作導致緩慢的組裝過程和/或昂貴的工具。此外，保護性分離器的包裝和處置增加了製造循環的時間和成本。希望發展一種能從小批量升級到大批量生產的模塊化生產方法，和生產用於組裝燃料電池堆的MEA和雙極板的設備，其中其成本最小化且其效率最大化。

發明內容
根據本發明，令人驚奇地發現能從小批量升級到大批量生產的模塊化生產方法，和用於組裝燃料電池堆的MEA和雙極板的設備，其中其成本最小化且其效率最大化。在一個實施例中，用於組裝燃料電池堆的方法包括步驟提供多個行李盒(dunnage cassette),所述多個行李盒適合於在其中接收膜電極組件和雙極板中的一個；提供多個容器，所述多個容器適合於在其中接收所述行李盒；提供夾具，所述夾具適合於在其中接收所述行李盒；提供組裝裝置，所述組裝裝置具有在其上設置的多個定位杆，所述定位杆適合於將至少 一個膜電極組件與至少 一個雙極板組裝在一起；將所述至少一個膜電極組件放置到所述行李盒中；將所述至少一個雙極板放置到所述行李盒中；將所述行李盒插入到所述容器中；將所述容器放置成靠近所述夾具的相對側；使得所述行李盒從所述容器滑動到所述夾具中；使得所述組裝裝置的所述定位杆延伸穿過所述行李盒；和使得所述行李盒和所述容器從所述夾具退回，所述至少一個膜電極組件和所述至少一個雙極板保持在所述組裝裝置上。
在另一實施例中，用於組裝燃料電池堆的方法包括步驟提供至少一個膜電極組件；提供至少一個雙極板；提供多個行李盒，所述多個行李盒包括在其上形成的至少一個突片，和凸起部、至少一個保持夾和保持唇緣中的至少一種，其中，所述行李盒適合於在其中接收所述至少一個膜電極組件和所述至少一個雙極板中的一個，所述
行李盒還包括在其中形成的至少一個槽；提供多個容器，所述多個容器具有在其中形成的多個通道，所述通道適合於在其中接收所述行李
盒，其中所述通道中的每個的一端包括在其中形成的擋塊；提供夾具，所述夾具具有在其中形成的多個通道，所述通道適合於在其中接收所述行李盒；提供組裝裝置，所述組裝裝置具有在其上設置的多個定位杆，所述定位杆適合於將所述至少一個膜電極組件與所述至少一個雙極板組裝在一起；將所述至少一個膜電極組件放置到所述行李盒中；將所述至少 一 個雙極板放置到所述行李盒中；將所述行李盒插入到所述容器的通道中；將所述容器放置成靠近所述夾具的相對側，其中，所述容器中的至少一個從所述夾具的邊緣偏置預定距離；使得所述行李盒從所述容器滑動到所述夾具的所述通道中；使得所述組裝裝置的所述定位杆延伸穿過所述行李盒；使得所述定位杆的鼻部釋放所述行李盒的所述至少一個保持夾；和使得所述行李盒和所述容器從所述夾具退回，所述至少 一個膜電極組件和所述至少 一個雙極板保持在所述組裝裝置上。在一個實施例中，用於組裝燃料電池堆的設備包括多個行李盒，所述多個行李盒適合於在其中接收膜電極組件和雙極板中的一個，所述行李盒包括在其中形成的至少一個槽；多個容器，所述多個容器具有在其中形成的多個通道，所述通道適合於在其中接收所述行李盒；夾具，所述夾具具有在其中形成的多個通道，所述通道適合於在其中接收所述行李盒，其中，所述容器的通道與所述夾具的交替通道大致對齊；和組裝裝置，所述組裝裝置具有在其上設置的多個定位杆，所述定位杆適合於將所述至少一個膜電極組件與所述至少一個雙極板組裝在一起；其中，所述行李盒的所述至少一個槽允許所述行李盒從所述定位杆移開。


圖1是根據本發明的一個實施例的用於組裝燃料電池堆的設備的分解透視圖；圖2是圖1所示的用於組裝燃料電池堆的設備的行李盒的放大側視透視圖，MEA和雙極板中的 一 個設置在所述行李盒中；
圖3是圖2所示的行李盒的放大部分俯視截面圖，其中
所述行李盒包括在其上形成的凸起部和保持唇緣；圖4是圖1所示的用於組裝燃料電池堆的設備的容器的
側視透視圖，多個行李盒設置在所述容器中；
圖5是圖4所示的容器的截面圖6是圖1所示的設備的部分分解透視圖7是圖2所示的行李盒的放大部分俯視截面圖，其中
組裝裝置的定位杆從MEA和雙極板中的一個釋放行李盒的保持夾；
和圖8是圖1和6所示的設備的部分分解透視圖，其中致動器使得MEA和雙極板設置到夾具中。
具體實施例方式以下詳細說明和附圖描述和圖示了本發明的示例性實施例。所述說明和附圖用於使得本領域技術人員能夠製造和使用本發明，且不旨在以任何方式限制本發明的範圍。關於所公開的方法，所述步驟在本質上是示例性的，因而步驟的順序不是必要的或者關鍵的。圖1示出了根據本發明的一個實施例的用於組裝燃料電池堆12的設備10。設備10包括多個行李盒14、 一對容器16， 18、夾具20和組裝裝置22。所示行李盒14中的每個是適合於在其中接收MEA 25和雙極板26中的一個的託盤23。應當理解的是，行李盒14中的每個也能夠是包括託盤23的"蛤殼式"包裝，蓋可樞轉地附連到託盤23上。行李盒14的形狀是大致矩形，但是應當理解的是，行李盒14能夠根據希望具有任何尺寸和形狀。如圖2所示，第一突片28在託盤23的上邊緣32上靠近其外邊緣36形成。第二突片30在託盤23的下邊緣34上靠近其外邊緣36形成。雖然邊緣32, 34分別稱為上和下，但是應當理解的是，託盤23可以多個位置定向，其中邊緣32， 34可以處於不同的位置。託盤23也可以包括在其上形成的一對保持夾38， 39、凸起部40和保持唇緣41中的至少一種。如果希望，附加或更少的夾可以設置在託盤23上。在所示實施例中，夾38, 39設置在託盤23的對角，其中夾38， 39彼此大致對角。應當理解的是，夾38， 39能夠 根據希望設置在託盤23上的其它位置。還應當理解的是，夾38, 39 能夠具有任何希望形狀。夾38， 39適於延伸穿過在MEA 25和雙極 板26中形成的相應孔46, 48,以將MEA25和雙極板26保持在行李 盒14中。凸起部40靠近託盤23的邊緣32， 34， 36形成，從而形成 凹進區域。凸起部40適合於將MEA 25和雙極板26定位和保持在行 李盒14中。在圖3所示的實施例中，保持唇緣41靠近託盤23的凸 起部40形成且從託盤23橫向向外延伸。應當理解的是，保持唇緣41 能夠根據希望設置在託盤23上的其它位置，例如靠近託盤23的邊緣 32， 34, 36。還應當理解的是，保持唇緣41能夠具有任何希望形狀。 保持唇緣41包括在其中形成的肩部42。間隙B在託盤23的內表面 和保持唇緣41的肩部42之間形成，以在其中接收MEA25和雙極板 26。保持唇緣41適合於將MEA 25和雙極板26定位和保持在行李盒 14中。 —對槽43, 44也可以在託盤23中形成。如果希望，附 加或更少的槽可以在託盤23中形成。槽43, 44靠近託盤23的相對 邊緣32, 34形成。槽43在託盤23的上部中形成，從其外邊緣50向 內延伸到夾38。槽44在託盤23的下部中形成，從其外邊緣50向內 延伸到夾39。應當理解的是，槽43， 44能夠根據希望在託盤23中的 其它位置形成。如圖4所示，行李盒14適合於可滑動地接收在容器16， 18中。容器16, 18是箱形，具有上部部段51、下部部段52和相對 的側部部段54， 56。應當理解的是，容器16, 18能夠根據希望具有 任何尺寸和形狀。容器16, 18中的每個的前部和後部是開口的，以 在其中接收行李盒14和允許行李盒14接收到夾具20中。應當理解 的是，容器16， 18能夠從任何常規材料製成，例如聚合物和金屬。 行李盒14設置在容器16, 18中的每個內形成的多個隔開的通道58 中。通道58在容器16， 18的上部部段51和下部部段52中形成且以 預定距離D隔開。在所示實施例中，預定距離D至少是行李盒14中 的一個的寬度。應當理解的是，預定距離D可以是任何希望距離。如 圖5所示，通道58中的每個包括適合於在其中接收突片28， 30的階 梯狀部分60。擋塊62在階梯狀部分60中在通道58中的每個的端部64處形成。擋塊62與突片28, 30協作以在設備10的操作期間將行 李盒14保持在容器16， 18內並使得行李盒14由容器16， 18從夾具 20退回。 參考圖6，夾具20包括第一板66和第二板68。第一板 66和第二板68中的每個包括在其中形成的多個隔開的通道70。通道 70在板66, 68中以大致平行於夾具20的邊緣72的關係形成。通道 70適合於在其中從容器16， 18接收行李盒14。組裝裝置22設置成靠近夾具20。在所示實施例中，組裝 裝置22包括端板74，端板74具有從其橫向延伸的第一定位杆76和 第二定位杆78。如果希望，附加定位杆可以設置在端板74上。端板 74是大致矩形且適合於在設備10的操作期間鄰接夾具20。應當理解 的是，端板74能夠具有其它希望形狀。定位杆76， 78設置成靠近端 板74的對角，其中，定位杆76， 78彼此大致成對角關係。應當理解 的是，定位杆76, 78能夠根據希望設置在端板74上的其它位置。如 圖7所示，定位杆76, 78適合於延伸穿過在MEA25和雙極板26中 形成的相應孔46， 48。定位杆76， 78的鼻部79接觸行李盒14的夾 38， 39並使得行李盒14的夾38, 39從MEA 25和雙極板26中的每 個釋放，如圖7的虛線所示。應當理解的是，設備10還能夠包括至少一個致動器80 (如圖1, 6和8所示)和壓縮裝置(未示出)。所述至少一個致動 器80適合於使得行李盒14被接收到夾具20中並使得組裝裝置22鄰 接夾具20。壓縮裝置適合於將MEA 25和雙極板26恰當地綑紮到燃 料電池堆12中且完成組裝過程。操作中，行李盒14中的每個的託盤23在其中接收MEA 25和雙極板26中的一個。如圖2和3所示，每個託盤23的保持夾 38， 39、凸起部40和保持唇緣41中的至少一種在其中保持MEA 25 和雙極板26以防止損壞MEA 25和雙極板26。之後，如圖4所示， 其中設置有MEA25的行李盒14然後可滑動地接收在容器16中，且 其中設置有雙極板26的行李盒14然後可滑動地接收在容器18中。 應當理解的是，如杲希望，其中設置有MEA 25的行李盒14能夠設 置在容器18中，且其中設置有雙極板26的行李盒14能夠設置在容 器16中。因此，行李盒14中的每個的突片28， 30設置在通道58中
ii的每個的階梯狀部分60中。 容器16， 18然後被設置成靠近夾具20的相對側。如圖6 所示，容器16從夾具20的邊緣72偏置預定距離G，容器18從夾具 20的後部偏置預定距離G。所示預定距離G大約是行李盒14中的一 個的寬度，以使得容器16, 18中的通道58與夾具20的交替通道70 大致對齊，但是應當理解的是，預定距離G能夠是任何希望距離。如 圖8所示，然後至少一個致動器80使得容器16, 18的行李盒14滑 動到夾具20中，直到在其上形成的突片28， 30鄰接在通道58的每 個端部64中形成的擋塊62。因此，MEA25和雙才及板26以交織才莫式 設置在夾具20中，使得孔46, 48大致對齊。之後，如圖l所示，至少一個致動器80使得組裝裝置22 鄰接夾具20的邊緣72。因此，使得組裝裝置22的定位杆76， 78延 伸穿過在MEA 25和雙極板26中形成的相應孔46， 48。在所示實施 例中，定位杆76， 78中的每個的鼻部79大致接觸夾38， 39，以使得 MEA 25和雙極板26從行李盒14釋放。 一旦定位杆76, 78已經從行 李盒14釋放MEA 25和雙極板26，所述至少一個致動器80和容器 16, 18就從夾具20退回。在容器16， 18退回時，在通道58中的每 個的端部64中形成的擋塊62接合突片28, 30,也使得行李盒14從 夾具20退回。在行李盒14退回時，定位杆76， 78沿其中形成的相 應槽43， 44滑動且MEA 25和雙極板26從託盤23的凹進區域移開 並從其保持唇緣41釋放。 一旦行李盒14從夾具20完全退回，壓縮 裝置將設置在組裝裝置22的定位杆76， 78上的MEA25和雙極板26 組裝到燃料電池堆12中以完成組裝操作。 本領域技術人員從前述說明能夠容易地確定本發明的實 質特徵，且在不偏離本發明的精神和範圍的情況下對本發明作出各種 變化和修改以使之適合於各種用途和條件。
權利要求
1.一種用於組裝燃料電池堆的方法，包括步驟(a)提供多個行李盒，所述多個行李盒適合於在其中接收膜電極組件和雙極板中的一個；(b)提供多個容器，所述多個容器適合於在其中接收所述行李盒；(c)提供夾具，所述夾具適合於在其中接收所述行李盒；(d)提供組裝裝置，所述組裝裝置具有在其上設置的多個定位杆，所述定位杆適合於將至少一個膜電極組件與至少一個雙極板組裝在一起；(e)將所述至少一個膜電極組件放置到所述行李盒中；(f)將所述至少一個雙極板放置到所述行李盒中；(g)將所述行李盒插入到所述容器中；(h)將所述容器放置成靠近所述夾具的相對側；(i)使得所述行李盒從所述容器滑動到所述夾具中；(j)使得所述組裝裝置的所述定位杆延伸穿過所述行李盒；和(k)使得所述行李盒和所述容器從所述夾具退回，所述至少一個膜電極組件和所述至少一個雙極板保持在所述組裝裝置上。
2. 根據權利要求1所述的方法，包括使用致動器進行步驟(i)、 (j)和(k)中的至少一個。 >
3. 根據權利要求1所述的方法，其中，所述行李盒中的每個包 括在其上形成的至少一個突片，所述突片適合於與容器協作，以在其 中保持行李盒且使得行李盒從夾具退回。
4. 根據權利要求1所述的方法，其中，所述行李盒中的每個包 括在其上形成的凸起部、至少 一個保持夾和保持唇緣中的至少 一種， 其適合於在其中保持所述至少一個膜電極組件和所述至少一個雙極 板。
5. 根據權利要求4所述的方法，還包括步驟使得所述定位杆 釋放所述行李盒的所述至少一個保持夾。
6. 根據權利要求1所述的方法，其中，所述行李盒中的每個包 括在其中形成的至少 一個槽，所述槽適合於允許行李盒從所述定位杆移開。
7. 根據權利要求I所述的方法，其中，所述容器中的每個包括 在其中形成的多個通道，所述通道適合於在其中接收行李盒。
8. 根據權利要求1所述的方法，其中，所述夾具包括在其中形 成的多個通道，所述通道適合於在其中接收行李盒。
9. 根據權利要求1所述的方法，其中，所述容器中的至少一個 從所述夾具的邊緣偏置預定距離。
10. —種用於組裝燃料電池堆的方法，包括步驟(a) 提供至少一個膜電極組件；(b) 提供至少一個雙極板；(c) 提供多個行李盒，所述多個行李盒包括在其上形成的至少一 個突片，和凸起部、至少一個保持夾和保持唇緣中的至少一種，其中， 所述行李盒適合於在其中接收所述至少一個膜電極組件和所述至少 一個雙極板中的一個，所述行李盒還包括在其中形成的至少一個槽；(d) 提供多個容器，所述多個容器具有在其中形成的多個通道， 所述通道適合於在其中接收所述行李盒，其中所述通道中的每個的一端包括在其中形成的擋塊；(e) 提供夾具，所述夾具具有在其中形成的多個通道，所述通道 適合於在其中接收所述行李盒；(f )提供組裝裝置，所述組裝裝置具有在其上設置的多個定位杆， 所述定位杆適合於將所述至少一個膜電極組件與所述至少一個雙極 板組裝在一起；(g) 將所述至少一個膜電極組件放置到所述行李盒中；(h) 將所述至少一個雙極板放置到所述行李盒中；(i) 將所述行李盒插入到所述容器的通道中；(j)將所述容器放置成靠近所述夾具的相對側，其中，所述容器中的至少 一個從所述夾具的邊緣偏置預定距離；(k)使得所述行李盒從所述容器滑動到所述夾具的所述通道中；(1)使得所述組裝裝置的所述定位杆延伸穿過所述行李盒；(m)使得所述定位杆的鼻部釋放所述行李盒的所述至少一個保持夾；和(n)使得所述行李盒和所述容器從所述夾具退回，所述至少一 個膜電極組件和所述至少一個雙極板保持在所述組裝裝置上。
11. 根據權利要求IO所述的方法，包括使用致動器進行步驟(k)、 (1) 、 (m)和(n)中的至少一個。
12. 根據權利要求10所述的方法，其中，所述行李盒的所述突 片與容器的通道中的每個的擋塊協作，以在其中保持行李盒且使得行 李盒從夾具退回。
13. 根據權利要求10所述的方法，其中，所述行李盒的所述凸 起部、所述至少一個保持夾和所述保持唇緣適合於在其中保持所述至 少 一 個膜電極組件和所述至少 一 個雙極板。
14. 根據權利要求10所述的方法，所述行李盒中的每個包括在 其中形成的至少 一 個槽，所述槽適合於允許行李盒從所述定位杆移 開。
15. —種用於組裝燃料電池堆的設備，包括多個行李盒，所述多個行李盒適合於在其中接收膜電極組件和雙極板中的一個，所述行李盒包括在其中形成的至少一個槽；多個容器，所述多個容器具有在其中形成的多個通道，所述通道 適合於在其中接收所述行李盒；夾具，所述夾具具有在其中形成的多個通道，所述通道適合於在 其中接收所述行李盒，其中，所述容器的通道與所述夾具的交替通道 大致對齊；和組裝裝置，所述組裝裝置具有在其上設置的多個定位杆，所述定 位杆適合於將所述至少一個膜電極組件與所述至少一個雙極板組裝在一起；其中，所述行李盒的所迷至少一個槽允許所述行李盒從所述定位杆移開。
16. 根據權利要求15所述的設備，還包括至少一個致動器，以 使得所述行李盒接收到夾具中並使得所述組裝裝置鄰接所述夾具。
17. 根據權利要求15所述的設備，其中，所述行李盒中的每個 包括突片，所述突片與所述至少一個容器的通道端部處形成的擋塊協 作，以在其中保持行李盒且使得行李盒從夾具退回。
18. 根據權利要求15所述的設備，其中，所述容器中的至少一 個從所述夾具的邊緣偏置預定距離。
19. 根據權利要求15所述的設備，其中，所迷行李盒中的每個 包括凸起部、至少一個保持夾和保持唇緣中的至少一種，其適合於在行李盒中保持所述至少一個膜電極組件和所述至少一個雙極板。
20.根據權利要求19所述的設備，其中，所述組裝裝置的定位 杆適合於釋放所述行李盒的所述至少一個保持夾以從容器釋放行李
全文摘要
公開了用於組裝燃料電池堆的方法和設備，其中所述設備包括多個行李盒，所述多個行李盒適合於與多個容器、夾具和組裝裝置協作，以將多個膜電極組件與多個雙極板同時組裝在一起。
文檔編號H01M8/24GK101651224SQ20091016608
公開日2010年2月17日 申請日期2009年8月11日 優先權日2008年8月11日
發明者G·L·瓊斯, J·W·韋爾斯, K·B·羅伯, Y·-T·林 申請人:通用汽車環球科技運作公司