专利名称：用于组装捆扎式燃料电池堆的装置的制作方法
技术领域：
本发明总的涉及一种用于组装捆扎式燃料电池堆的装置，更具体地，是涉及这样一种装置，它在恒力下压缩燃料电池堆，将至少一条带绕所述被压缩的燃料电池堆折叠，并且焊接其重叠的端部从而将燃料电池堆保持在预定压缩力下。
背景技术：
电化学燃料电池通过发生在燃料电池内部的电化学反应将反应物(即燃料和氧化剂)转化为电能。由于其低的工作温度(大约80℃)，已经用于汽车和其它工业场合的一种类型的燃料电池为固态聚合物燃料电池。固态聚合物燃料电池采用膜电极组件(“MEA”)，它包括设置在两电极之间的离子交换膜，所述两电极在其与所述膜的交界处载有一定量的电催化剂。电催化剂引起发生在燃料电池内部的电化学反应从而产生电能。膜为离子传导的并且将反应物流(燃料和氧化剂)彼此间隔开。
在通常的燃料电池中，MEA被设置在两导电隔板之间。所述导电隔板设置有将燃料和氧化剂流导向电极层的通道。这两块板还是集电器并为MEA提供支承。由一个燃料电池产生的电压不足以大到可用于许多工业用场合中。因此，两个或更多个燃料电池通常是以串联的方式连接到一起，从而提高该组件总的功率输出。致冷剂通常通过设置于隔板内的通道在电池堆内循环，从而吸收由放热的燃料电池反应所产生的热量。为了适当地分离燃料、氧化剂和致冷剂的流动，电池堆通常采用置于电池堆部件之间的密封。
串联连接的燃料电池的整个组件形成了电池堆，并且通过各种装置(杆、压缩带等)保持在一起。一定的压缩力需要施加到组装后的电池堆上，以确保充分的密封，并且防止燃料、氧化剂或者致冷剂泄漏以及各种流体流的相互混合。为了确保板和MEA之间充分的电接触，并且为了在构成电池堆的燃料电池之间提供电连接，对所述电池堆进行压缩也是需要的。用于压缩电池堆的系杆的采用会导致以下缺点，它极大地增加了电池堆的体积，并且根据杆的位置，它还会导致板在经过一段时间后变形。
一种更为简单、紧凑并且重量更轻的用于燃料电池堆的压缩机构为如美国专利No.5993987中所述的采用了至少一条环绕电池堆的压缩带。通常，在将压缩带绕电池堆周围安装或者折叠之前，推荐的作法是对电池堆进行压缩。为了组装电池堆或者为了对电池堆进行测试而对电池堆进行压缩的各种技术是已知的。大多数这些现有技术都是将电池堆组装到一个固定的高度(例如如US20030203269中所述)。这会导致电池堆内的密封和接触力易变化从而影响燃料电池的运行。在一些其它方法中，在恒定的压缩力下对电池堆进行压缩(例如WO02/09216、US20030203269或者EP0082516中所述)。恒定的压缩力是有利的，这是因为它在不损坏电池堆部件的情况下给予了电池堆用于密封和电接触理想的负荷。
虽然在燃料电池的组装方面已经获得了明显的进步，但是仍然需要改进用于组装燃料电池的装置，特别是对于捆扎式燃料电池堆而言。这种改进的装置优选地是允许通过用恒定的压缩力对捆扎式燃料电池堆自动组装并且允许大批量生产燃料电池。
发明内容
披露了一种采用一条或多条定制的带对捆扎式燃料电池堆进行组装的装置，它包括框架、安装在框架上用于在组装过程中支承电池堆的基部、可朝着和远离该基部运动从而以恒定力压缩电池堆的压板、把带绕压缩电池堆折叠从而使带的端部重叠的带折叠装置、以及对带的重叠端部进行焊接的焊接装置。
该装置还可包括电池堆支承板、带导向件、在所述装置上安装电池堆时对电池堆进行导向的电池堆导向件以及在操作过程中对电池堆定位并导向的侧向电池堆定位装置。所述电池堆导向件包括滑道，滑道的高度比带导向件高，其中当将电池堆通过人工方式推至位于所述装置上的其支承板时滑道用于支承电池堆。
在一个实施例中，带折叠装置包括第一折叠装置，它在第一方向上将带绕电池堆的周围折叠，以及第二折叠装置，它在垂直于第一方向的第二方向上折叠带，以便在电池堆的顶部处带的端部充分重叠以确保适当的焊接。
在另一实施例中，所述装置还包括激光焊接装置，该激光焊接装置对带的重叠端部进行焊接。还可采用其它的焊接装置和方法，例如电阻焊接或者使带发生机械变形。
在又一实施例中，还披露了一种方法，它通过采用上述的装置而利用至少一条定制的带对捆扎式燃料电池堆进行组装，所述方法包括以下步骤通过降低所述压板来以预定的压缩力压缩电池堆，将至少一条带置于基部上的带导向件内，把至少一条带绕压缩电池堆折叠，以及采用所述装置的焊接装置焊接每一条带的重叠端部。
该方法还可包括首先使预压缩的电池堆在电池堆导向件上滑动，从而将其设置在所述装置的电池堆支承板上，并且将电池堆定位于操作位置处。带被这样绕压缩电池堆折叠通过降低电池堆支承板以使带产生初始折叠，致动第一折叠装置从而在第一方向上将带绕电池堆折叠，以及致动第二折叠装置从而在垂直于第一方向的第二方向上将带的两端绕电池堆折叠，以便带的端部重叠。
通常，必须要采用至少两条带用于将电池堆保持在压缩状态，而带的数目根据电池堆的纵横比而定。上面的装置允许将多达8条带绕电池堆折叠，在这种情况下，上面的方法适用于所有在装置上安装的带。
参照以下详细说明和附图，本发明的这些和其它方面将变得明显。
图1为处于部分分解状态下的电池堆的透视图。
图2为具有安装在该电池堆上的几条定制带的电池堆的透视图。
图3为组装后的Belleville弹簧组的视图。
图4为用于组装捆扎式燃料电池堆的装置的前视图。
图5为装置的压缩和捆扎组件的透视图。
图6为压缩和捆扎组件的基部的透视图。
图7a至7g示出了在操作所述装置的过程中所进行的将带绕电池堆折叠的步骤。
图8为压缩和捆扎组件的压板的透视图。
具体实施例方式
本发明大体涉及一种通过将多条带围绕电池堆折叠并将它们的重叠端部焊接从而自动地组装用于汽车或其它工业目的的燃料电池堆的装置。如图1和2所示，燃料电池堆1装配在两块端板2之间，端板中的一个设置有弹簧组3和盖4，所述弹簧组3和盖4与压缩带5一起确保了电池堆保持压缩状态下。图3还示出了，每一弹簧组3包括多个Belleville碟簧6，这些碟簧6彼此堆叠并且包裹在Mylar带7内以形成组装件。隔片(未示出)可设置在弹簧之间，并且弹簧组内的碟簧数可变化。
图4示出了用于组装捆扎式燃料电池堆的代表性装置，它包括支承压缩和捆扎组件9以及激光头10的主框架8，所有这些元件都设置在壳体(未示出)内。连接到装置主框架上的是空气压缩机11、主电气箱12、操作者控制面板13以及包括激光供给单元15和冷却器16的激光电气箱14。所述冷却器16用于冷却激光装置。压缩和捆扎组件9如图5所示包括基部17和压板18。
图4至图6所示的XYZ坐标系与装置的主轴对应，X和Y轴分别平行于水平面内装置的纵轴和横轴，其中Z轴为装置的竖直轴。
参照图6，基部17具有电池堆支承板19，它在装置操作期间支承电池堆；两个电池堆导向件20，用于在装置上安装电池堆时支承所述电池堆；两个侧向电池堆定位装置21，它用于在Z方向上对电池堆进行导向并且在X和Y方向上将电池堆锁定在基部的适当位置处；滑道22，它用于在电池堆安装到装置上时对电池堆进行导向；带导向件23，它用于对将要焊接在电池堆周围的带进行支承；带端部止件24，它用于限制带在Y方向上的运动；以及第一折叠装置25，它用于沿着电池堆的每一侧折叠带。沿着滑道22推动电池堆并将其放置于设置在板19上的弹簧加载的凹槽26上的电池堆支承板19上方，凹槽允许在电池堆和板之间留有空隙从而便于将带插入到电池堆的下面。滑道22的高度比带导向件23高，从而甚至是在电池堆安装到基部上时也能够容易地将带插入电池堆下面。电池堆在板19上定向，从而电池堆定位销27安装在电池堆燃料孔内。在电池堆放到板19上后，将侧向电池堆定位装置21推向电池堆从而将其锁定到位。带导向件和带端部止件确保带在基部上的正确定向和对齐，从而带的端部在电池堆的顶部处重叠，在这里它们能被焊接。
图7a至7g示出了由装置执行的将带围绕电池堆折叠并且将其焊接到位的步骤。就此而言，应该注意到，为了图示的目的，将如图7a至7g所示的电池堆和带之间以及带与折叠装置之间的间隙放大了。
如图7a所示，首先将带设置于电池堆下方。当载荷施加到电池堆上时，由于电池堆支承板19通过模具弹簧(die spring)28支承在底板29上，因而图6所示的电池堆支承板19略微下降，以图7b所示向竖直位置对带进行预折叠。然后，图6所示的第一折叠工具25向上推，从而使带如图7c所示处于接近电池堆的竖直位置。接下来，前部成型滑件(form slide)30朝中心前进，从而把带一侧折叠到电池堆的顶部(如图7d和7e所示)，然后后部成型滑件31也朝中心前进，从而把带另一端折叠到电池堆的顶部，以与带的第一端相重叠(如图7e和7f所示)。后部成型滑件设有孔，如图7g所示，该孔允许用于焊接带的重叠端部的激光束瞄准线穿过。
现在将结合前后成型滑件30和31所就位的压板18来对前后成型滑件30和31进行说明。如图8所示，压板18设有成型滑件导向件32，通过该导向件，包括前部成型滑件30和后部成型滑件31的第二折叠装置前进，从而将带绕电池堆折叠并且将它们保持到位，直到完成焊接操作。气压缸33使前后部成型滑件朝彼此运动。压板18还设置有用于使弹簧盖4定位的真空套管(vacuum nest)34。当盖被置于端板2顶部处的弹簧组上时，真空套管确保盖正确地定向。
如图5所示，压缩和捆扎组件还包括伺服马达35，它通过传动带机构使压板18下降或升起。压板在Z方向运动过程中在4根竖直柱36上被导向。安全夹紧杆37通过实际地与杆状夹具38接合而用于防止压板的突然坠落。坠落可能是由于断电或者由于气压源出现的问题引起的。测力传感器39对伺服驱动的压板施加到电池堆上的作用力进行监控，从而将其保持在恒定值(例如，20000N)。
如图4所示，激光头10安装在伺服驱动的线性致动器上，并且当不止一条带在电池堆周围折叠时，激光头能够在X方向上从一个焊接工位运动至下一工位。每一焊接工位与沿着电池堆长度方向的带的位置对应。
该装置具有传感器从而确保其正确的操作。在准备进行捆扎操作过程中，传感器设置用于确保弹簧盖、捆扎带以及侧向电池堆定位装置21就位。在装置的操作过程中，如果电池排处于恰当的位置，如果压板18处于完全压缩位置，并且如果第一折叠装置25和前后部成型滑件30和31就位的话，那么其它传感器则向操作者发出信号。如果这些条件中的任一都不满足的话，那么循环停止，错误的信息将写入操作者界面上并且与操作者相邻的控制面板13上红灯将闪烁。
接下来，结合附图4-8对所述装置的操作进行说明。以临时作用力将燃料电池堆在单独的预压支架上预先压缩，从而通过将几条临时带人工安装到电池堆上，并采用螺钉将所述临时带的端部固定在一起以使所述电池堆保持近似压缩状态，这样就允许电池堆各组件预装配成单元块。临时带设置在焊接带将要设置的位置之间。然后将燃料电池堆运送到装置的基部上，同时载有弹簧的端板位于顶部。然后操作者人工地将电池堆推至滑道22上直到两个电池堆导向件20。
电池堆导向件20在电池堆的重力作用下下降，直到电池堆的底部端板到达弹簧加载的凹槽26，所述凹槽26允许在电池堆和电池堆支承板19之间存在间隙以用于将一条或多条带插入到带导向件23内。在此时，操作者人工地对电池堆进行导向，从而将电池堆定位销27放置于电池堆的致冷剂孔内，即对应于电池堆在装置的电池堆支承板19上正确就位的这样一个位置。在此时，操作者人工地使两个侧向电池堆定位装置21朝电池堆前进，以使它们到达与电池堆相邻的位置处，从而在Z方向上引导电池堆并且阻止电池堆在X和Y方向上的运动。当装置开始操作时，侧向电池堆定位装置通过气压装置被牢牢地压在电池堆上。然后，要焊接在电池堆周围的带被插入到带导向件23内并被向着基部的后部推动，直到它到达带的端部止件24。这就确保了将带正确地设置在基部上，从而当带折叠时，其端部在电池堆的顶部上的允许适当焊接的位置处重叠。通常，需要不止一条带来将电池堆保持在压缩状态下。每条带都插入到带导向件内，同时折叠它们，然后分别对每条带进行焊接。这里所示的装置可适应多达8条带。
接下来，将真空源打开，并且将弹簧盖放置于位于压板18内的真空套管32内。同时，把侧向电池堆定位装置21压于电池堆上。在这个阶段，将电池堆和带适当地放置于压缩和捆扎组件内，并且所述装置准备开始进行组装工作。
所述装置可以手工或者自动的模式进行操作。在手工模式下，操作者可通过使用操作者控制面板上的键从一步转换到下一步。无论采用哪种方法，组装过程的步骤都如下。首先，使压板18下降；它将到达电池堆并且逐步压缩电池堆，直到由测力传感器37检测到的压缩力达到预定载荷。在此运动过程中，盖被使得置于放置在电池堆顶部处的弹簧之上。接下来，支承着处于压缩位置的电池堆的电池堆支承板19下降，从而带稍微弯曲在电池堆的底部周围，以使带更接近于准备进行下一步骤的电池堆。然后将第一折叠装置25升起至使带紧邻于电池堆的位置处。接着，通过气压缸33使压板18上的前部成型滑件30致动，以将带的前部折叠于电池堆的顶部上。接着通过气压缸33对后部成型滑件31致动，从而将带的后部折叠于电池堆的顶部上，这样它们与已经折叠在电池堆周围的带的前部相重叠。然后，开始对带的重叠端部进行自动激光焊接。如图7g所示，激光束通过后部成型滑件内的孔到达每一带的重叠端部处。如果不止一条带在电池堆的周围折叠，那么激光头10将通过伺服驱动的线性致动器而从与折叠到电池堆周围的第一带对应的第一焊接位置运动至与放置在基部上的下一带对应的下一位置，直到所有的带都被焊接。
在完成了焊接过程后，前后部成型滑件30和31退回，第一折叠装置25下降，将电池堆支承板19升起至其初始不作用位置，将压板18升起至其最高位置，并且侧向电池堆定位装置21回退以允许将组装后的电池堆取出。
上述用于组装捆扎式燃料电池堆的装置和操作方法具有以下优点以恒定力安装定制的带而不会过压，这将在不损坏部件的情况下给电池堆内的密封和电接触提供理想的负荷。另一个优点是，这种自动设备适用于批量生产具有定制的带的燃料电池堆。尽管本发明的特定步骤、元件、实施例和应用已经示出和说明，但当然应理解，本发明并不局限于此，这是因为本领域技术人员可进行改进，特别是在根据前述教导的启示。因此，所附权利要求构想要涵盖那些包括了落入到本发明精神和范围内的步骤或元件的改进。
权利要求
1.一种采用定制的焊接带来组装捆扎式燃料电池堆的装置，包括框架；安装在框架上用于在组装时支承电池堆的基部；可朝着和远离该基部运动从而以恒定力压缩电池堆的压板；在电池堆被压缩时使带的端部绕压缩电池堆折叠以使带的端部重叠的带折叠装置；以及对带的重叠端部进行焊接的焊接装置。
2.如权利要求1所述的装置，其中基部还包括电池堆支承板；使至少一条带定位于基部上的至少一个带导向件；在所述装置上安装电池堆的过程中对所述电池堆进行导向的电池堆导向件；以及在操作过程中使电池堆定位并对其导向的侧向电池堆定位装置。
3.如权利要求2所述的装置，其中电池堆导向件包括滑道，滑道的高度大于用于支承电池堆的带导向件高度。
4.如权利要求1所述的装置，其中带折叠装置包括第一折叠装置，以在第一方向上将带绕电池堆折叠。
5.如权利要求1所述的装置，其中带折叠装置包括第二折叠装置，以在垂直于第一方向的第二方向上折叠带。
6.如权利要求1所述的装置，其中焊接装置为激光焊接装置。
7.如权利要求1所述的装置，其中至少两个电池堆被组装，并且一个电池堆的高度不同于另一电池堆的高度。
8.一种采用定制的焊接带对捆扎式燃料电池堆进行组装的方法，该方法包括以下步骤提供如权利要求1所述的装置；通过降低压板而以预定的压缩力压缩电池堆；将至少一条带放置在位于基部上的带导向件中；围绕压缩电池堆折叠至少一条带；以及采用所述装置的焊接装置焊接每一条带的重叠端部。
9.如权利要求1所述的方法，还包括首先使预压缩的电池堆在电池堆导向件上滑动，以将其设置在所述装置的电池堆支承板上，并且将电池堆定位于操作位置。
10.如权利要求1所述的方法，其中将带绕压缩的电池堆折叠的步骤包括降低电池堆支承板以使带产生初始折叠，致动第一折叠工具从而在第一方向上将带绕电池堆折叠，并且致动第二折叠工具从而在垂直于第一方向的第二方向上将带的两端绕电池堆折叠，以便带的端部重叠。
11.如权利要求1所述的方法，其中至少两个电池堆被组装，并且一个电池堆的高度不同于另一电池堆的高度。
全文摘要
一种采用至少一条定制的带对捆扎式燃料电池堆进行组装的装置，包括框架，在组装时支承电池堆的基部，可朝着和远离该基部运动从而以恒定力压缩电池堆的压板，将带折叠于压缩电池堆周围以使带的端部重叠的带折叠装置，以及对带的重叠端部进行焊接的焊接装置。还描述了一种采用至少一条定制的带对捆扎式燃料电池堆进行组装的方法。所述装置可用于将多个压缩带安装在组装的电池堆周围。
文档编号B65B13/00GK1981405SQ200580023038
公开日2007年6月13日 申请日期2005年7月7日 优先权日2004年7月8日
发明者G·E·希尔, R·哈特维尔, P·F·梅哈格, F·布恩斯特拉 申请人:百拉得动力系统公司