专利名称：用于组装燃料电池堆的方法和设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及组装燃料电池堆的方法。更具体地，本发明
涉及能从小批量升级到大批量生产的模块化生产方法，和用于将多个 双极板与多个膜电极组件组装在 一起的设备。
背景技术：
燃料电池系统在广泛应用中日益增加地用作功率源。燃 料电池系统已经被提出用于功率消耗件(例如车辆)中，作为例如内 燃机的替代。燃料电池也可以用作建筑物和住宅中的固定电功率装 置，作为摄像机、计算机等中的便携式电源。通常，燃料电池产生电， 用于给蓄电池充电或者提供功率给电动马达。燃料电池是电化学装置，将燃料(如氢)和氧化剂(如 氧)直接结合以产生电。氧通常由空气流提供。氢和氧结合形成水。 能够使用其它燃料，例如天然气、甲醇、汽油和煤制合成燃料。根据 使用环境，术语"燃料电池，，通常用于指代单个电池或多个电池。多个 电池通常捆扎在一起并设置为形成具有通常以电串联方式设置的多 个电池的燃料电池堆。由于单个燃料电池能够组装成具有各种尺寸的 燃料电池堆，因而系统能够设计成产生希望能量输出水平，从而对于 不同应用提供设计灵活性。 能够提供不同的燃料电池类型，例如磷酸、碱性、熔融 碳酸盐、固体氧化物和质子交换膜(PEM) 。 PEM型燃料电池的基本 部件是由聚合物膜电解质隔开的两个电极。每个电极一侧上用薄催化 剂层涂覆。电极、催化剂、和膜一起形成膜电极组件(MEA)。 在典型PEM型燃料电池中，MEA夹在"阳极"和"阴极" 扩散介质(下文称为"DM")或扩散层之间，扩散介质或扩散层由弹 性、导电和透气材料(如碳纤维或纸)形成。DM用作阳极和阴极的 主集电器，以及提供MEA的机械支撑。DM和MEA (下文一起称为 MEA)在一对导电板(如双极板)之间受压，所述导电板用作次集电 器，用于从主集电器收集电流。
MEA和双极板都是柔性薄的，约小于l.Omm，且由于特定涂层和/或流体通道而非常精细。因而，每个MEA和双极板用保护性分离器单独包装以防止在运输期间的损坏。因而，常规组装需要从单独包装移开和卸堆(de-stack)每个MEA和双极板且然后用手动或自动提取和放置装置再次堆叠。除了 MEA和双极板的精细性质和有限处理区域之外，卸堆和再次堆叠操作导致緩慢的组装过程和/或昂贵的工具。此外，保护性分离器的包装和处置增加了制造循环的时间和成本。希望发展一种能从小批量升级到大批量生产的模块化生产方法，和生产用于组装燃料电池堆的MEA和双极板的设备，其中其成本最小化且其效率最大化。
发明内容
根据本发明，令人惊奇地发现能从小批量升级到大批量生产的模块化生产方法，和用于组装燃料电池堆的MEA和双极板的设备，其中其成本最小化且其效率最大化。在一个实施例中，用于组装燃料电池堆的方法包括步骤提供多个行李盒(dunnage cassette),所述多个行李盒适合于在其中接收膜电极组件和双极板中的一个；提供多个容器，所述多个容器适合于在其中接收所述行李盒；提供夹具，所述夹具适合于在其中接收所述行李盒；提供组装装置，所述组装装置具有在其上设置的多个定位杆，所述定位杆适合于将至少 一个膜电极组件与至少 一个双极板组装在一起；将所述至少一个膜电极组件放置到所述行李盒中；将所述至少一个双极板放置到所述行李盒中；将所述行李盒插入到所述容器中；将所述容器放置成靠近所述夹具的相对侧；使得所述行李盒从所述容器滑动到所述夹具中；使得所述组装装置的所述定位杆延伸穿过所述行李盒；和使得所述行李盒和所述容器从所述夹具退回，所述至少一个膜电极组件和所述至少一个双极板保持在所述组装装置上。
在另一实施例中，用于组装燃料电池堆的方法包括步骤提供至少一个膜电极组件；提供至少一个双极板；提供多个行李盒，所述多个行李盒包括在其上形成的至少一个突片，和凸起部、至少一个保持夹和保持唇缘中的至少一种，其中，所述行李盒适合于在其中接收所述至少一个膜电极组件和所述至少一个双极板中的一个，所述
行李盒还包括在其中形成的至少一个槽；提供多个容器，所述多个容器具有在其中形成的多个通道，所述通道适合于在其中接收所述行李
盒，其中所述通道中的每个的一端包括在其中形成的挡块；提供夹具，所述夹具具有在其中形成的多个通道，所述通道适合于在其中接收所述行李盒；提供组装装置，所述组装装置具有在其上设置的多个定位杆，所述定位杆适合于将所述至少一个膜电极组件与所述至少一个双极板组装在一起；将所述至少一个膜电极组件放置到所述行李盒中；将所述至少 一 个双极板放置到所述行李盒中；将所述行李盒插入到所述容器的通道中；将所述容器放置成靠近所述夹具的相对侧，其中，所述容器中的至少一个从所述夹具的边缘偏置预定距离；使得所述行李盒从所述容器滑动到所述夹具的所述通道中；使得所述组装装置的所述定位杆延伸穿过所述行李盒；使得所述定位杆的鼻部释放所述行李盒的所述至少一个保持夹；和使得所述行李盒和所述容器从所述夹具退回，所述至少 一个膜电极组件和所述至少 一个双极板保持在所述组装装置上。在一个实施例中，用于组装燃料电池堆的设备包括多个行李盒，所述多个行李盒适合于在其中接收膜电极组件和双极板中的一个，所述行李盒包括在其中形成的至少一个槽；多个容器，所述多个容器具有在其中形成的多个通道，所述通道适合于在其中接收所述行李盒；夹具，所述夹具具有在其中形成的多个通道，所述通道适合于在其中接收所述行李盒，其中，所述容器的通道与所述夹具的交替通道大致对齐；和组装装置，所述组装装置具有在其上设置的多个定位杆，所述定位杆适合于将所述至少一个膜电极组件与所述至少一个双极板组装在一起；其中，所述行李盒的所述至少一个槽允许所述行李盒从所述定位杆移开。
图1是根据本发明的一个实施例的用于組装燃料电池堆的设备的分解透视图；图2是图1所示的用于组装燃料电池堆的设备的行李盒的放大侧视透视图，MEA和双极板中的 一 个设置在所述行李盒中；
图3是图2所示的行李盒的放大部分俯视截面图，其中
所述行李盒包括在其上形成的凸起部和保持唇缘；图4是图1所示的用于组装燃料电池堆的设备的容器的
侧视透视图，多个行李盒设置在所述容器中；
图5是图4所示的容器的截面图6是图1所示的设备的部分分解透视图7是图2所示的行李盒的放大部分俯视截面图，其中
组装装置的定位杆从MEA和双极板中的一个释放行李盒的保持夹；
和图8是图1和6所示的设备的部分分解透视图，其中致动器使得MEA和双极板设置到夹具中。
具体实施例方式以下详细说明和附图描述和图示了本发明的示例性实施例。所述说明和附图用于使得本领域技术人员能够制造和使用本发明，且不旨在以任何方式限制本发明的范围。关于所公开的方法，所述步骤在本质上是示例性的，因而步骤的顺序不是必要的或者关键的。图1示出了根据本发明的一个实施例的用于组装燃料电池堆12的设备10。设备10包括多个行李盒14、 一对容器16， 18、夹具20和组装装置22。所示行李盒14中的每个是适合于在其中接收MEA 25和双极板26中的一个的托盘23。应当理解的是，行李盒14中的每个也能够是包括托盘23的"蛤壳式"包装，盖可枢转地附连到托盘23上。行李盒14的形状是大致矩形，但是应当理解的是，行李盒14能够根据希望具有任何尺寸和形状。如图2所示，第一突片28在托盘23的上边缘32上靠近其外边缘36形成。第二突片30在托盘23的下边缘34上靠近其外边缘36形成。虽然边缘32, 34分别称为上和下，但是应当理解的是，托盘23可以多个位置定向，其中边缘32， 34可以处于不同的位置。托盘23也可以包括在其上形成的一对保持夹38， 39、凸起部40和保持唇缘41中的至少一种。如果希望，附加或更少的夹可以设置在托盘23上。在所示实施例中，夹38, 39设置在托盘23的对角，其中夹38， 39彼此大致对角。应当理解的是，夹38， 39能够 根据希望设置在托盘23上的其它位置。还应当理解的是，夹38, 39 能够具有任何希望形状。夹38， 39适于延伸穿过在MEA 25和双极 板26中形成的相应孔46, 48,以将MEA25和双极板26保持在行李 盒14中。凸起部40靠近托盘23的边缘32， 34， 36形成，从而形成 凹进区域。凸起部40适合于将MEA 25和双极板26定位和保持在行 李盒14中。在图3所示的实施例中，保持唇缘41靠近托盘23的凸 起部40形成且从托盘23横向向外延伸。应当理解的是，保持唇缘41 能够根据希望设置在托盘23上的其它位置，例如靠近托盘23的边缘 32， 34, 36。还应当理解的是，保持唇缘41能够具有任何希望形状。 保持唇缘41包括在其中形成的肩部42。间隙B在托盘23的内表面 和保持唇缘41的肩部42之间形成，以在其中接收MEA25和双极板 26。保持唇缘41适合于将MEA 25和双极板26定位和保持在行李盒 14中。 —对槽43, 44也可以在托盘23中形成。如果希望，附 加或更少的槽可以在托盘23中形成。槽43, 44靠近托盘23的相对 边缘32, 34形成。槽43在托盘23的上部中形成，从其外边缘50向 内延伸到夹38。槽44在托盘23的下部中形成，从其外边缘50向内 延伸到夹39。应当理解的是，槽43， 44能够根据希望在托盘23中的 其它位置形成。如图4所示，行李盒14适合于可滑动地接收在容器16， 18中。容器16, 18是箱形，具有上部部段51、下部部段52和相对 的侧部部段54， 56。应当理解的是，容器16, 18能够根据希望具有 任何尺寸和形状。容器16, 18中的每个的前部和后部是开口的，以 在其中接收行李盒14和允许行李盒14接收到夹具20中。应当理解 的是，容器16， 18能够从任何常规材料制成，例如聚合物和金属。 行李盒14设置在容器16, 18中的每个内形成的多个隔开的通道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 预定距离D隔开。在所示实施例中，预定距离D至少是行李盒14中 的一个的宽度。应当理解的是，预定距离D可以是任何希望距离。如 图5所示，通道58中的每个包括适合于在其中接收突片28， 30的阶 梯状部分60。挡块62在阶梯状部分60中在通道58中的每个的端部64处形成。挡块62与突片28, 30协作以在设备10的操作期间将行 李盒14保持在容器16， 18内并使得行李盒14由容器16， 18从夹具 20退回。 参考图6，夹具20包括第一板66和第二板68。第一板 66和第二板68中的每个包括在其中形成的多个隔开的通道70。通道 70在板66, 68中以大致平行于夹具20的边缘72的关系形成。通道 70适合于在其中从容器16， 18接收行李盒14。组装装置22设置成靠近夹具20。在所示实施例中，组装 装置22包括端板74，端板74具有从其横向延伸的第一定位杆76和 第二定位杆78。如果希望，附加定位杆可以设置在端板74上。端板 74是大致矩形且适合于在设备10的操作期间邻接夹具20。应当理解 的是，端板74能够具有其它希望形状。定位杆76， 78设置成靠近端 板74的对角，其中，定位杆76， 78彼此大致成对角关系。应当理解 的是，定位杆76, 78能够根据希望设置在端板74上的其它位置。如 图7所示，定位杆76, 78适合于延伸穿过在MEA25和双极板26中 形成的相应孔46， 48。定位杆76， 78的鼻部79接触行李盒14的夹 38， 39并使得行李盒14的夹38, 39从MEA 25和双极板26中的每 个释放，如图7的虛线所示。应当理解的是，设备10还能够包括至少一个致动器80 (如图1, 6和8所示)和压缩装置(未示出)。所述至少一个致动 器80适合于使得行李盒14被接收到夹具20中并使得组装装置22邻 接夹具20。压缩装置适合于将MEA 25和双极板26恰当地捆扎到燃 料电池堆12中且完成组装过程。操作中，行李盒14中的每个的托盘23在其中接收MEA 25和双极板26中的一个。如图2和3所示，每个托盘23的保持夹 38， 39、凸起部40和保持唇缘41中的至少一种在其中保持MEA 25 和双极板26以防止损坏MEA 25和双极板26。之后，如图4所示， 其中设置有MEA25的行李盒14然后可滑动地接收在容器16中，且 其中设置有双极板26的行李盒14然后可滑动地接收在容器18中。 应当理解的是，如杲希望，其中设置有MEA 25的行李盒14能够设 置在容器18中，且其中设置有双极板26的行李盒14能够设置在容 器16中。因此，行李盒14中的每个的突片28， 30设置在通道58中
ii的每个的阶梯状部分60中。 容器16， 18然后被设置成靠近夹具20的相对侧。如图6 所示，容器16从夹具20的边缘72偏置预定距离G，容器18从夹具 20的后部偏置预定距离G。所示预定距离G大约是行李盒14中的一 个的宽度，以使得容器16, 18中的通道58与夹具20的交替通道70 大致对齐，但是应当理解的是，预定距离G能够是任何希望距离。如 图8所示，然后至少一个致动器80使得容器16, 18的行李盒14滑 动到夹具20中，直到在其上形成的突片28， 30邻接在通道58的每 个端部64中形成的挡块62。因此，MEA25和双才及板26以交织才莫式 设置在夹具20中，使得孔46, 48大致对齐。之后，如图l所示，至少一个致动器80使得组装装置22 邻接夹具20的边缘72。因此，使得组装装置22的定位杆76， 78延 伸穿过在MEA 25和双极板26中形成的相应孔46， 48。在所示实施 例中，定位杆76， 78中的每个的鼻部79大致接触夹38， 39，以使得 MEA 25和双极板26从行李盒14释放。 一旦定位杆76, 78已经从行 李盒14释放MEA 25和双极板26，所述至少一个致动器80和容器 16, 18就从夹具20退回。在容器16， 18退回时，在通道58中的每 个的端部64中形成的挡块62接合突片28, 30,也使得行李盒14从 夹具20退回。在行李盒14退回时，定位杆76， 78沿其中形成的相 应槽43， 44滑动且MEA 25和双极板26从托盘23的凹进区域移开 并从其保持唇缘41释放。 一旦行李盒14从夹具20完全退回，压缩 装置将设置在组装装置22的定位杆76， 78上的MEA25和双极板26 组装到燃料电池堆12中以完成组装操作。 本领域技术人员从前述说明能够容易地确定本发明的实 质特征，且在不偏离本发明的精神和范围的情况下对本发明作出各种 变化和修改以使之适合于各种用途和条件。
权利要求
1.一种用于组装燃料电池堆的方法，包括步骤(a)提供多个行李盒，所述多个行李盒适合于在其中接收膜电极组件和双极板中的一个；(b)提供多个容器，所述多个容器适合于在其中接收所述行李盒；(c)提供夹具，所述夹具适合于在其中接收所述行李盒；(d)提供组装装置，所述组装装置具有在其上设置的多个定位杆，所述定位杆适合于将至少一个膜电极组件与至少一个双极板组装在一起；(e)将所述至少一个膜电极组件放置到所述行李盒中；(f)将所述至少一个双极板放置到所述行李盒中；(g)将所述行李盒插入到所述容器中；(h)将所述容器放置成靠近所述夹具的相对侧；(i)使得所述行李盒从所述容器滑动到所述夹具中；(j)使得所述组装装置的所述定位杆延伸穿过所述行李盒；和(k)使得所述行李盒和所述容器从所述夹具退回，所述至少一个膜电极组件和所述至少一个双极板保持在所述组装装置上。
2. 根据权利要求1所述的方法，包括使用致动器进行步骤(i)、 (j)和(k)中的至少一个。 >
3. 根据权利要求1所述的方法，其中，所述行李盒中的每个包 括在其上形成的至少一个突片，所述突片适合于与容器协作，以在其 中保持行李盒且使得行李盒从夹具退回。
4. 根据权利要求1所述的方法，其中，所述行李盒中的每个包 括在其上形成的凸起部、至少 一个保持夹和保持唇缘中的至少 一种， 其适合于在其中保持所述至少一个膜电极组件和所述至少一个双极 板。
5. 根据权利要求4所述的方法，还包括步骤使得所述定位杆 释放所述行李盒的所述至少一个保持夹。
6. 根据权利要求1所述的方法，其中，所述行李盒中的每个包 括在其中形成的至少 一个槽，所述槽适合于允许行李盒从所述定位杆移开。
7. 根据权利要求I所述的方法，其中，所述容器中的每个包括 在其中形成的多个通道，所述通道适合于在其中接收行李盒。
8. 根据权利要求1所述的方法，其中，所述夹具包括在其中形 成的多个通道，所述通道适合于在其中接收行李盒。
9. 根据权利要求1所述的方法，其中，所述容器中的至少一个 从所述夹具的边缘偏置预定距离。
10. —种用于组装燃料电池堆的方法，包括步骤(a) 提供至少一个膜电极组件；(b) 提供至少一个双极板；(c) 提供多个行李盒，所述多个行李盒包括在其上形成的至少一 个突片，和凸起部、至少一个保持夹和保持唇缘中的至少一种，其中， 所述行李盒适合于在其中接收所述至少一个膜电极组件和所述至少 一个双极板中的一个，所述行李盒还包括在其中形成的至少一个槽；(d) 提供多个容器，所述多个容器具有在其中形成的多个通道， 所述通道适合于在其中接收所述行李盒，其中所述通道中的每个的一端包括在其中形成的挡块；(e) 提供夹具，所述夹具具有在其中形成的多个通道，所述通道 适合于在其中接收所述行李盒；(f )提供组装装置，所述组装装置具有在其上设置的多个定位杆， 所述定位杆适合于将所述至少一个膜电极组件与所述至少一个双极 板组装在一起；(g) 将所述至少一个膜电极组件放置到所述行李盒中；(h) 将所述至少一个双极板放置到所述行李盒中；(i) 将所述行李盒插入到所述容器的通道中；(j)将所述容器放置成靠近所述夹具的相对侧，其中，所述容器中的至少 一个从所述夹具的边缘偏置预定距离；(k)使得所述行李盒从所述容器滑动到所述夹具的所述通道中；(1)使得所述组装装置的所述定位杆延伸穿过所述行李盒；(m)使得所述定位杆的鼻部释放所述行李盒的所述至少一个保持夹；和(n)使得所述行李盒和所述容器从所述夹具退回，所述至少一 个膜电极组件和所述至少一个双极板保持在所述组装装置上。
11. 根据权利要求IO所述的方法，包括使用致动器进行步骤(k)、 (1) 、 (m)和(n)中的至少一个。
12. 根据权利要求10所述的方法，其中，所述行李盒的所述突 片与容器的通道中的每个的挡块协作，以在其中保持行李盒且使得行 李盒从夹具退回。
13. 根据权利要求10所述的方法，其中，所述行李盒的所述凸 起部、所述至少一个保持夹和所述保持唇缘适合于在其中保持所述至 少 一 个膜电极组件和所述至少 一 个双极板。
14. 根据权利要求10所述的方法，所述行李盒中的每个包括在 其中形成的至少 一 个槽，所述槽适合于允许行李盒从所述定位杆移 开。
15. —种用于组装燃料电池堆的设备，包括多个行李盒，所述多个行李盒适合于在其中接收膜电极组件和双极板中的一个，所述行李盒包括在其中形成的至少一个槽；多个容器，所述多个容器具有在其中形成的多个通道，所述通道 适合于在其中接收所述行李盒；夹具，所述夹具具有在其中形成的多个通道，所述通道适合于在 其中接收所述行李盒，其中，所述容器的通道与所述夹具的交替通道 大致对齐；和组装装置，所述组装装置具有在其上设置的多个定位杆，所述定 位杆适合于将所述至少一个膜电极组件与所述至少一个双极板组装在一起；其中，所述行李盒的所迷至少一个槽允许所述行李盒从所述定位杆移开。
16. 根据权利要求15所述的设备，还包括至少一个致动器，以 使得所述行李盒接收到夹具中并使得所述组装装置邻接所述夹具。
17. 根据权利要求15所述的设备，其中，所述行李盒中的每个 包括突片，所述突片与所述至少一个容器的通道端部处形成的挡块协 作，以在其中保持行李盒且使得行李盒从夹具退回。
18. 根据权利要求15所述的设备，其中，所述容器中的至少一 个从所述夹具的边缘偏置预定距离。
19. 根据权利要求15所述的设备，其中，所迷行李盒中的每个 包括凸起部、至少一个保持夹和保持唇缘中的至少一种，其适合于在行李盒中保持所述至少一个膜电极组件和所述至少一个双极板。
20.根据权利要求19所述的设备，其中，所述组装装置的定位 杆适合于释放所述行李盒的所述至少一个保持夹以从容器释放行李
全文摘要
公开了用于组装燃料电池堆的方法和设备，其中所述设备包括多个行李盒，所述多个行李盒适合于与多个容器、夹具和组装装置协作，以将多个膜电极组件与多个双极板同时组装在一起。
文档编号H01M8/24GK101651224SQ20091016608
公开日2010年2月17日 申请日期2009年8月11日 优先权日2008年8月11日
发明者G·L·琼斯, J·W·韦尔斯, K·B·罗伯, Y·-T·林 申请人:通用汽车环球科技运作公司