一种氢燃料电池膜电极组件的制备设备及制备方法与流程

本发明属于氢燃料电池生产设备领域，尤其涉及一种氢燃料电池膜电极组件的制备设备及制备方法。

背景技术：

燃料电池是很有发展前途的新动力电源，一般以氢气、碳、甲醇、硼氢化物、煤气或天然气为燃料，作为负极，用空气中的氧作为正极。其和一般电池的主要区别在于一般电池的活性物质是预先放在电池内部的，因而电池容量取决于贮存的活性物质的量；而燃料电池的活性物质(燃料和氧化剂)是在反应的同时源源不断地输入，因此，这类电池实际上只是一个能量转换装置。这类电池具有转换效率高、容量大、比能量高、功率范围广、不用充电等优点。

膜电极组件(mea)是氢燃料电池最重要的部件之一，它是燃料电池芯片(ccm)、气体扩散层(gdl)等部分组成，它的工作原理是通过阴、阳极的电催化作用和质子交换膜的质子传导性，使位于电极两侧的氢气和氧气发生电化学反应，产生电能。

其中，燃料电池芯片(ccm，catalystcoatedmembrane)是将燃料电池催化剂涂敷在质子交换膜两侧制备的催化剂/质子交换膜组件。而气体扩散层(gdl，gasdiffusionlayer)是燃料电池之关键组件，通常由碳纸或者碳布组成，主要起到传质，导电，传热，支持催化层，导水的作用，同时，气体扩散层扮演着将氢气/氧气或者甲醇/空气扩散至触媒层反应的媒介，因此必须为多孔性透气材料。

目前，在制备膜电极组件的过程中，gdl以及ccm主要采用人工上料，但人工上料的方式生产效率不高，并且无法实现自动化生产。

为此，亟需一种膜电极组件制备设备及制备方法。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题在于提供一种氢燃料电池膜电极组件的制备设备及制备方法，旨在解决氢燃料电池的膜电极组件采用人工上料方式所存在的生产效率低以及无法实现自动化生产的问题。

本发明是这样实现的，一种氢燃料电池膜电极组件的制备设备，其包括放置gdl叠料的第一料框、gdl上料机械手、上料平台a、上料平台b、材料正反面识别装置、用于将上料平台a上的gdl材料翻转至上料平台b的第一翻转机构、点胶机构、贴合平台a、贴合平台b、放置ccm叠料的第二料框、用于抓取ccm材料到贴合平台a上的ccm上料机械手、用于将贴合平台a上的材料翻转至贴合平台b的第二翻转机构、第一机器人、第二机器人、第一视觉定位装置、第二视觉定位装置、第三视觉定位装置、激光打码机、下料机械人以及控制器；

所述gdl上料机械手、材料正反面识别装置、第一翻转机构、点胶机构、ccm上料机械手、第二翻转机构、第一机器人、第二机器人、第一视觉定位装置、第二视觉定位装置、第三视觉定位装置、激光打码机、下料机械人均与控制器电连接；

所述第一机器人用于抓取gdl材料给点胶机构点胶，以及将点胶后的gdl材料与贴合平台a上的ccm材料贴合；

所述第二机器人用于抓取gdl材料给点胶机构点胶，以及将点胶后的gdl材料与贴合平台b上的gdl与ccm半成品贴合；

所述第一视觉定位装置用于拍摄第一机器人抓取的gdl材料的点胶标记，并发送到控制器处理，得到点胶起点；

所述第二视觉定位装置用于拍摄第二机器人抓取的gdl材料的点胶标记，并发送到控制器处理，得到点胶起点；

所述第三视觉定位装置用于拍摄贴合平台a及贴合平台b上ccm材料的定位标记，并发送到控制器处理，得到ccm材料的定位信息，控制器根据ccm定位信息，控制第一机器人以及第二机器人校正其抓取的gdl材料的位置，使gdl材料与ccm材料完成对位；

当膜电极组件贴合完成后，所述第二机器人抓取膜电极组件在所述激光打码机上打码；

打码完成后，所述控制器控制所述第二机器人将制备好的膜电极组件搬运至下料区。

进一步的，所述材料正反面识别装置包括颜色分辨感应器，由于gdl材料正、负两面的材质不一样，所以颜色也不一样；所述材料正反面识别装置将其检测到的颜色信息发送至所述控制器，所述控制器将所述材料正反面识别装置信息与其内预存的gdl材料颜色数据作对比，从而判断吸取的gdl材料的正、反面；判断为正面时，控制器控制gdl上料机械手将gdl材料放置在上料平台b上，判断为反面时，将gdl材料放置在上料平台a上，启动所述第一翻转机构将上料平台a翻转180度，使gdl材料翻转至上料平台b上。

进一步的，所述制备设备还包括超声波检测仪，所述超声波检测仪具有能发射超声波脉冲的探头以及接收超声波脉冲的接收器，超声波脉冲沿被测的gdl材料的厚度方向穿过被测的gdl材料，然后进入所述接收器，通过测量超声波脉冲在被测材料中传播的时间能确定被测的gdl材料的厚度；

所述超声波检测仪将被测的gdl材料的厚度信息发送至所述控制器，所述控制器将所述厚度信息与其内预设的单张gdl材料的厚度数据作对比，判断是否吸取了两张以上的gdl材料；

当判断结果为一张gdl材料时，所述控制器控制所述gdl上料机械手将gdl材料放至上料平台b或上料平台a上；当判断结果为两张以上gdl材料时，所述gdl上料机械手将gdl材料放回第一料框，并重复吸附多次，如果还是两张以上，则通过报警装置报警。

进一步的，所述gdl上料机械手包括gdl吸取机构以及移动所述gdl吸取机构的移动机构；其中，所述gdl吸取机构包括利用文氏效应产生吸力的吸取装置，所述吸取装置与所述控制器电连接；所述吸取装置开启，吹出高速流体，在高速流动的流体附近产生低压，该低压能使不同方向的气体穿过gdl叠料，使该gdl叠料相互分离，顶部的gdl材料在吸力的作用下被吸附至所述吸取装置底面。

进一步的，所述贴合平台a以及贴合平台b上均开设有若干吸真空孔，贴合平台a以及贴合平台b下方设置有真空发生器，所述真空发生器开启时，其上方产生负压，吸平材料。

进一步的，所述第一机器人以及第二机器人均为六轴机器人。

进一步的，所述制备设备包括两个第三视觉定位装置，所述制备设备还包括分别移动所述两个第三视觉定位装置的第一移动机械手以及第二移动机械手，所述第一移动机械手以及第二移动机械手分别移动两个第三视觉定位装置，两个第三视觉定位装置分别拍摄ccm材料对角位置的标记。

本发明为解决上述技术问题，还提供了一种应用上述的制备设备制备膜电极组件的方法，其至少包括以下步骤：

步骤s1、把gdl叠料放入第一料框中，把ccm材料放入第二料框中；

步骤s2、gdl上料机械手从第一料框中抓取一块gdl材料，材料正反面识别装置对gdl材料进行正、反面识别，将正面的gdl材料放在上料平台b上；将反面的gdl材料放在上料平台a上，并且，启动第一翻转机构，将上料平台a上的gdl材料翻转到上料平台b上；上料平台b移到抓取位1，以便第一机器人抓取；

步骤s3、ccm上料机械手从第二料框中抓取一块ccm材料，并放在贴合平台a上，第三视觉定位装置拍摄，抓取ccm材料的方位信息；

步骤s4、第一机器人从上料平台b上抓取gdl材料，第一视觉定位装置拍摄第一机器人抓取的gdl材料的点胶标记，并发送到控制器处理，得到点胶起点；

步骤s5、第一机器人通过关节旋转，将其上gdl材料的反面朝上，控制器控制点胶机构定位至点胶起点，然后，点胶机构根据预设的点胶路径在gdl材料上点胶；点胶完成后，翻转朝下；

步骤s6、第三视觉定位装置给贴合平台a上的ccm材料拍照，得到定位信息，控制器控制第一机器人运动，校正其上的gdl材料的位置，使gdl材料与ccm材料对位；对位后，第一机器人将gdl材料贴合在ccm材料上；

步骤s7、启动第二翻转机构，将贴合平台a上的gdl与ccm成品翻转到贴合平台b上；

步骤s8、重复步骤s2；上料平台b移到抓取位2，以便第二机器人抓取；

步骤s9、第二机器人从上料平台b上抓取gdl材料，第二视觉定位装置拍摄第二机器人抓取的gdl材料的点胶标记，并发送到控制器处理，得到点胶起点；

步骤s10、第二机器人通过关节旋转，将其上gdl材料的反面朝上，控制器控制点胶机构定位至点胶起点，然后，点胶机构根据预设的点胶路径在gdl材料上点胶；

步骤s11、第三视觉定位装置给贴合平台b上的ccm材料拍照，得到定位信息，控制器控制第二机器人运动，校正其上的gdl材料的位置，使gdl材料与ccm材料对位；对位后，然后第二机器人将gdl材料贴合在gdl与ccm的半成品上，即制得膜电极组件；

步骤s12、第二机器人抓取膜电极组件在激光打码机上打码；

步骤s13、打码完成后，控制器控制第二机器人将制备好的膜电极组件搬运至下料区。

本发明与现有技术相比，有益效果在于：

本发明为制备氢燃料电池膜电极组件提供了一种制备设备及方法，其中，该制备设备集成了由控制器控制的gdl上料机械手、材料正反面识别装置、第一翻转机构、点胶机构、ccm上料机械手、第二翻转机构、第一机器人、第二机器人、第一视觉定位装置、第二视觉定位装置、第三视觉定位装置以及激光打码机。使得膜电极组件生产过程中的上料、识别、校正、定位、点胶、贴合以及下料等环节实现了自动化，减少人工成本，相比于人工生产，提高了生产效率，并且，膜电极组件生产的各个过程做到了精确控制，误差小，提高了产品的质量。

此外，本发明的制备方法，优化了制备设备的运行效率，能进一步提高生产效率，减少失误率以及降低燃料电池的膜电极组件的生产成本。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种氢燃料电池膜电极组件的制备设备的平面结构示意图；

图2是图1所示设备的立体结构示意图；

图3是图1所示设备的第一料框及gdl上料机械手的立体结构示意图；

图4图1所示设备的上料平台a、上料平台b以及第一翻转机构的立体结构示意图；

图5是应用图1所示的设备制备膜电极组件的流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明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仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制；术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性；此外，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

请参见图1至图4，示出了本发明实施例提供的一种氢燃料电池膜电极组件的制备设备，其包括机台100、放置gdl叠料的第一料框1、gdl上料机械手2、上料平台a31、上料平台b32、材料正反面识别装置、超声波检测仪4、用于将上料平台a31上的gdl材料翻转至上料平台b32的第一翻转机构5、点胶机构6、贴合平台a71、贴合平台b72、放置ccm叠料的第二料框8、用于抓取ccm材料到贴合平台a71上的ccm上料机械手、用于将贴合平台a71上的材料翻转至贴合平台b72的第二翻转机构9、第一机器人10、第二机器人20、第一视觉定位装置30、第二视觉定位装置40、第三视觉定位装置50、激光打码机60、下料框70以及控制器。

上述gdl上料机械手2、材料正反面识别装置、超声波检测仪4、第一翻转机构5、点胶机构6、ccm上料机械手、第二翻转机构9、第一机器人10、第二机器人20、第一视觉定位装置30、第二视觉定位装置40、第三视觉定位装置50、激光打码机60、下料机械人均与控制器电连接，从而控制器能与各个装置或机构实现数据双向传输。

第一机器人10用于抓取gdl材料给点胶机构6点胶以及将点胶后的gdl材料与贴合平台a71上的ccm材料贴合。第二机器人20用于抓取gdl材料给点胶机构6点胶，将点胶后的gdl材料与贴合平台b72上的gdl与ccm半成品贴合，抓取膜电极组件在所述激光打码机上打码，以及将制备好的膜电极组件搬运至下料区。

第一视觉定位装置30用于拍摄第一机器人10抓取的gdl材料的点胶标记，并发送到控制器处理，得到点胶起点。

第二视觉定位装置40用于拍摄第二机器人20抓取的gdl材料的点胶标记，并发送到控制器处理，得到点胶起点。

第三视觉定位装置50用于拍摄贴合平台a71及贴合平台b72上的ccm材料的定位标记，并发送到控制器处理，得到ccm材料的定位信息，控制器根据ccm定位信息，控制第一机器人10以及第二机器人20校正其抓取的gdl材料的位置，使gdl材料与ccm材料完成对位。

具体的，材料正反面识别装置包括颜色分辨感应器80，由于gdl材料正、负两面的材质不一样，所以颜色也不一样，颜色分辨感应器80将其检测到的颜色信息发送至控制器，控制器将材料正反面识别装置信息与其内预存的gdl材料颜色数据作对比，从而判断吸取的gdl材料的正、反而；判断为正面时，控制器控制gdl上料机械手2将gdl材料放置在上料平台b32上，判断为反面时，将gdl材料放置在上料平台a31上，启动第一翻转机构5将上料平台a31翻转180度，使gdl材料翻转至上料平台b72上，即是，无论gdl材料在第一料框1中是否放反，都能保证放置在上料平台b32上的gdl材料正面朝上。

超声波检测仪4具有能发射超声波脉冲的探头41以及接收超声波脉冲的接收器42。超声波脉冲沿被测的gdl材料的厚度方向穿过被测的gdl材料，然后进入接收器42，通过测量超声波脉冲在被测材料中传播的时间能确定被测的gdl材料的厚度。超声波检测仪4将被测的gdl材料的厚度信息发送至控制器，控制器将厚度信息与其内预设的单张gdl材料的厚度数据作对比，判断是否吸取了两张以上gdl材料。当判断结果为一张gdl材料时，控制器控制gdl上料机械手2将gdl材料放至上料平台b32或上料平台a31上；当判断结果为两张以上gdl材料时，gdl上料机械手2将gdl材料放回第一料框1，并重复吸附多次，如果多次吸附的都是两张以上，则通过报警装置报警。

gdl上料机械手2包括gdl吸取机构以及移动gdl吸取机构的移动机构21。其中，gdl吸取机构包括利用文氏效应产生吸力的吸取装置22，吸取装置22与控制器电连接；吸取装置22开启，吹出高速流体，在高速流动的流体附近产生低压，该低压能使不同方向的气体穿过gdl叠料，使该gdl叠料相互分离，顶部的gdl材料在吸力的作用下被吸附至吸取装置22底面。

贴合平台a71以及贴合平台b72上均开设有若干吸真空孔，贴合平台a71以及贴合平台b72下方设置有真空发生器，真空发生器开启时，其上方产生负压，吸平材料。

于本实施例中，第一机器人10以及第二机器人20均为六轴机器人，gdl上料机械手2、ccm上料机械手、下料机械人均是三轴机械人。

优选的，本实施例的制备设备包括两个第三视觉定位装置50以及分别移动两个第三视觉定位装置50的第一移动机械手及第二移动机械手。第一移动机械手以及第二移动机械手分别移动两个第三视觉定位装置50，两个第三视觉定位装置50分别拍摄ccm材料对角位置的标记，通过两个第三视觉定位装置50同时拍照定位，效率快，减少节拍时间。

请参见图5，本实施例还提供了一种应用上述的设备制备膜电极组件的方法，其步骤如下：

步骤s1、把gdl叠料放入第一料框1中，把ccm材料放入第二料框8中；

步骤s2、gdl上料机械手2从第一料框1中抓取一块gdl材料，如果抓取两张以上材料，返回料第一料框1重新吸取gdl材料，如果多次吸多张，报警装置报警；材料正反面识别装置对gdl材料进行正、反面识别，将正面的gdl材料放在上料平台b32上；将反面的gdl材料放在上料平台a31上，并且，启动第一翻转机构5，将上料平台a31上的gdl材料翻转到上料平台b32上；上料平台b移到抓取位1，以便第一机器人10抓取；

步骤s3、ccm上料机械手8从第二料框中抓取一块ccm材料，并放在贴合平台a上，第三视觉定位装置50拍摄，抓取ccm材料的方位信息；

步骤s4、第一机器人10从上料平台b32上抓取gdl材料，第一视觉定位装置30拍摄第一机器人10抓取的gdl材料的点胶标记，并发送到控制器处理，得到点胶起点；

步骤s5、第一机器人10通过关节旋转，将其上gdl材料的反面朝上，控制器控制点胶机构定位至点胶起点，然后，点胶机构6根据预设的点胶路径在gdl材料上点胶；点胶完成后，翻转朝下；

步骤s6、第三视觉定位装置50给贴合平台a上的ccm材料拍照，得到定位信息，控制器控制第一机器人10运动，校正其上的gdl材料的位置，使gdl材料与ccm材料对位；对位后，第一机器人10将gdl材料贴合在ccm材料上；

步骤s7、启动第二翻转机构5，将贴合平台a71上的gdl与ccm成品翻转到贴合平台b72上；

步骤s8、重复步骤s2；上料平台b移到抓取位2，以便第二机器人20抓取；

步骤s9、第二机器人20从上料平台b32上抓取gdl材料，第二视觉定位装置40拍摄第二机器人20抓取的gdl材料的点胶标记，并发送到控制器处理，得到点胶起点；

步骤s10、第二机器人20通过关节旋转，将其上gdl材料的反面朝上，控制器控制点胶机构6定位至点胶起点，然后，点胶机构6根据预设的点胶路径在gdl材料上点胶；

步骤s11、第三视觉定位装置50给贴合平台b72上的ccm材料拍照，得到定位信息，控制器控制第二机器人20运动，校正其上的gdl材料的位置，使gdl材料与ccm材料对位；对位后，然后第二机器人20将gdl材料贴合在gdl与ccm的半成品上，即制得膜电极组件；

步骤s12、第二机器人20抓取膜电极组件在激光打码机上打码；

步骤s13、打码完成后，控制器控制第二机器人20将制备好的膜电极组件搬运至下料区70。

综上所述，本实施例为制备氢燃料电池膜电极组件提供了一种制备设备及方法，其中，该制备设备集成了由控制器控制的gdl上料机械手2、材料正反面识别装置、第一翻转机构5、点胶机构6、ccm上料机械手、第二翻转机构9、第一机器人10、第二机器人20、第一视觉定位装置30、第二视觉定位装置40、第三视觉定位装置50以及激光打码机60。使得膜电极组件生产过程中的上料、识别、校正、定位、点胶、贴合以及下料等环节实现了自动化，减少人工成本，相比于人工生产，提高了生产效率，并且，膜电极组件生产的各个过程做到了精确控制，误差小，提高了产品的质量。

此外，本实施例的制备方法，优化了制备设备的运行效率，能进一步提高生产效率，减少失误率以及降低燃料电池的膜电极组件的生产成本。

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、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。