燃料电池叠堆的制造布置和用于制造燃料电池叠堆的方法与流程

[0001]
本发明涉及一种燃料电池叠堆的制造布置，还涉及一种用于制造燃料电池叠堆的方法以及一种燃料电池叠堆，藉由所述布置和/或方法已经制造出该燃料电池叠堆。


背景技术：

[0002]
燃料电池叠堆通常包括两个单极板，其间布置有多个膜电极组件，这些膜电极组件继而通过双极板来分开。膜电极组件(mea)自身至少包括阴极、阳极和位于阴阳极之间的膜，以用于使氢气和氧气反应来产生电能和水。关于将反应物(氢气和氧气)提供至相应电极，布置于mea的两侧处的双极板具有流体流场，该流体流场将反应物的流体流引导至相应电极。
[0003]
因为单个mea中的反应通常产生不足以用于操作大多数应用的电压，所以需要将多个mea堆叠并且电气地串联连接以实现期望电压。电流收集于燃料电池叠堆并被用于驱动负载。
[0004]
燃料电池叠堆的效率取决于反应物横穿mea表面的流动以及燃料电池叠堆中的各个燃料电池内的各种接触和密封界面的完整性。此类接触和密封界面包括那些与叠堆的燃料电池之内和之间的燃料、冷却剂和流出物的输送相关联的界面。因此，燃料电池叠堆内的燃料电池部件和组件的位置的适当对准对于确保燃料电池系统的有效操作是至关重要的。
[0005]
关于对准和堆叠，通常使用对准工具，例如具有至少一个引导元件的对准框架，该对准工具在堆叠过程中确保了mea和双极板的预限定布置。在期望量的mea和双极板已堆叠之后，将所得燃料电池叠堆压缩(例如，拧紧)在一起或以其它方式粘合，使得燃料电池叠堆可用于期望应用。
[0006]
关于确保mea和双极板的适当对准，现有技术已提出，向mea和双极板两者提供对准特征，诸如对准框架的引导元件可插入或整合于其中的凹陷部。
[0007]
已知对准的缺点在于，mea和双极板两者都必须提供有相应的对准特征，这使得mea和双极板的制造成本极其高昂，并且制造仅可容许极窄的公差。此外，堆叠过程是极其耗时的，并且在仅单个双极板或mea未适当对准的情况下，完整的叠堆也将必然地解散。


技术实现要素：

[0008]
因此，本发明的目的是提供一种燃料电池叠堆的制造布置和一种用于制造燃料电池叠堆的方法，该方法允许快速、可靠和成本有效地堆叠燃料电池叠堆。
[0009]
该目的通过根据权利要求1所述的制造布置、根据权利要求7所述的制造方法和根据权利要求11所述的燃料电池叠堆得以解决。
[0010]
在下文中，提出了一种燃料电池叠堆的制造布置，该制造布置至少包括第一对准工位(station)，该第一对准工位具有第一对准结构和第二对准结构，该第一对准结构用于接收双极板，该第二对准结构用于将膜电极组件(mea)以预限定取向布置于双极板的一侧上，优选地布置于双极板的顶部上。因而，双极板和膜电极组件得以对准，并且所谓预组装
燃料电池单元得以提供。
[0011]
因而，应当注意，对准结构的“第一”和“第二”指示非必然地涉及其中燃料电池部件的搬运次序。因此，还可能的是，mea首先放置于第二对准结构中，并且仅在随后步骤中，双极板放置于mea的顶部上。
[0012]
该布置还包括紧固工位以用于将膜电极组件紧固至双极板，从而提供了组装燃料电池单元。这确保了，预组装燃料电池单元的部件的空间取向得以保留。应当注意，在紧固工位处，仅需确保双极板和mea的空间取向。mea和双极板的流体密封性通常通过压缩所述完整组装的燃料电池叠堆来实现。
[0013]
该布置还包括第二对准工位，该第二对准工位具有至少一个第三对准结构以用于对准所述组装燃料电池单元来提供燃料电池叠堆。
[0014]
有利地，通过提供具有至少两个独立对准工位的制造布置，堆叠过程可进行加速和自动化。这是由于这样的事实：以如此方式堆叠燃料电池叠堆(第二对准)，可使用其中双极板和mea已对准并固定的已组装燃料电池单元。此外，因为mea仅布置于双极板的一侧上，所以堆叠过程得以促进。
[0015]
特别地，当在第二制造工位将燃料电池单元堆叠至燃料电池叠堆时，燃料电池单元可由双极板进行抓持(例如，通过真空抓持)并且然后可上下颠倒(即，在mea的顶部上具有双极板)放置于第三对准结构中。在此期间，mea通过紧固工位所提供的固定而保持其预组装空间取向，使得在第三对准结构中，燃料电池单元的对准可仅基于mea的空间取向。
[0016]
当堆叠燃料电池单元时，重要的是在mea的顶部上具有双极板。这降低了将mea从双极板撕散的风险，并且其还降低了在堆叠时弯曲mea的风险。mea的弯曲始终是一项风险，特别是当堆叠未组装部件时，因为mea相比于刚性双极板而言是更加柔性的。弯曲的mea会在堆叠过程期间导致燃料电池叠堆对准不良和性能劣化。
[0017]
另一优点在于，即使mea仅放置于双极板的一侧上，双极板的刚性也会将mea的刚性增强至mea可独自用作燃料电池单元的对准的基础的程度。关于燃料电池叠堆的对准，双极板自身可以被完全忽略。在现有技术中，燃料电池单元通常包括由两个流场板所夹持的mea。这始终会导致流场板在堆叠过程期间的对准存在不期望但必然的接触。
[0018]
所提出的制造布置具有另一优点：即，甚至是较软材料也可用于mea和/或可制成更薄的mea，这允许使用能够提供较高电力产出的材料和/或将更多的燃料电池单元堆叠成叠堆，该叠堆具有与已知燃料电池叠堆相同的尺寸。这是由于这样的事实：mea通过双极板进行稳定，该双极板继而紧固至mea以用于保持适当的对准。
[0019]
根据又一个优选实施例，制造布置还至少包括第一搬运装置以用于将预组装燃料电池单元传送至紧固工位，其中该第一搬运装置优选为可移动元件(特别是旋转台)，该可移动元件包括第一和第二结构以用于对准双极板和膜电极组件。另选地，可移动元件为可移动对准结构(例如，固定装置)，该可移动对准结构牢固地保持双极板和/或mea。
[0020]
通过利用搬运装置，第一对准工位和紧固工位不需要布置于相同的位置。这允许加快堆叠过程，因为对准工位已是操作自由的，即使双极板和mea尚未紧固来提供组装燃料电池单元。
[0021]
因而，其为优选的，而在预组装燃料电池单元未以此类方式进行搬运的情况下，其预限定空间取向则可能丢失。例如，这可藉由可移动元件或旋转台进行确保，该可移动元件
或旋转台使预组装燃料电池单元移动/旋转至紧固工位而不危及mea和双极板的空间取向。
[0022]
除了将预组装燃料电池单元从对准工位移动紧固工位之外，还可能的是将第一对准工位和紧固工位组合至燃料电池单元组装工位，双极板和mea在该燃料电池单元组装工位首先进行对准并且然后进行紧固。为此，组合燃料电池组装工位可包括对准操纵器和紧固操纵器(特别是焊接操纵器)，该对准操纵器用于对准双极板和mea，该紧固操纵器用于将膜电极组件紧固至双极板。替代焊接操纵器，可使用任何其它紧固操作，例如，双极板还可胶粘、通过热塑性塑料热组合，或锡焊至mea。
[0023]
对于保持双极板和mea之间的预限定取向，组合组装工位提供了甚至更高的可靠性。
[0024]
根据又一个实施例，紧固工位和/或组合组装工位包括超声焊接操纵器。替代利用超声焊接操纵器，可使用任何其它紧固操纵器/操作，例如，双极板还可胶粘、通过热塑性塑料热组合，或锡焊至mea。
[0025]
进一步优选的是，制造布置还包括第二搬运装置以用于将组装燃料电池单元传送至第二对准工位，其中该第二搬运装置优选地适于在膜电极组件处仅接触所述组装燃料电池单元。
[0026]
通过提供第二搬运装置，紧固工位或组合组装工位和第二对准工位不需要分别布置于相同的位置。这允许加快堆叠过程，因为第一对准工位/紧固工位或组合组装工位已是操作自由的，即使尚未完全地完成燃料电池的堆叠。此外，独立对准工位可精确地适于相应对准要求。因为接触双极板是不期望的，因此，第一和第二对准结构可进行优化以用于对准双极板和mea，其中第三对准结构可进行优化以用于对准所述组装燃料电池单元(特别地，所述组装燃料电池单元的mea)。
[0027]
根据另一个优选实施例，膜电极组件可双极板上方延伸至少一个区域。这确保双极板彼此电气分离，继而允许避免燃料电池叠堆中的任何短路。在mea重叠双极板的情况下，双极板和mea的正确对准已极具挑战性。在现有技术中，已存在能够实现双极板和mea的正确对准的特定对准特征，诸如双极板中的凹陷部和mea中的开口。然而，这些对准特征的提供和使用费时费钱。此外，关于mea和双极板的正确对准，必需的是至少在对准特征的区域中，mea和双极板彼此齐平以确保mea和双极板均可对准，这继而增加了短路的风险。
[0028]
通过利用制造布置的两个对准工位，甚至可以允许mea在各个地方重叠双极板。因为双极板和mea的对准是通过mea和双极板在预限定空间取向上的紧固进行固定的，所以可能双极板在第二对准步骤/工位的对准被完全忽略，并且对准燃料电池单元可能仅相关于mea。为此，优选地，膜电极组件的突出周边用于对准，并且第二对准工位的至少一个第三对准结构适于通过在所述至少一个区域中对准膜电极组件的突出周边而对准燃料电池单元。
[0029]
本发明的另一个方面涉及一种用于制造燃料电池叠堆的方法，该方法至少包括以下步骤：
[0030]
—通过以预限定空间取向将膜电极组件布置于双极板的一侧上，优选地布置于双极板的顶部上来提供预组装燃料电池单元，优选地通过利用第一对准工位来提供预组装燃料电池单元，该第一对准工位具有第一结构以用于接收双极板，和第二结构以用于将膜电极组件布置于双极板的一侧上；
[0031]
—通过将膜电极组件紧固至双极板，以提供组装燃料电池单元；和
[0032]
—通过优选地在具有至少一个第三对准结构的第二对准工位中对准组装燃料电池单元，以提供燃料电池叠堆。
[0033]
前文相对于装置所描述的特征和优点还适用于本方法。
[0034]
因此，该方法还可包括步骤：将膜电极组件超声焊接至双极板。
[0035]
根据又一个优选实施例，该方法包括步骤：通过仅接触所组装燃料电池单元的膜电极组件而在第二对准工位中对准所述组装燃料电池单元。
[0036]
有利地，该方法还包括以下步骤：提供在双极板上方延伸至少一个区域的膜电极组件，将膜电极组件布置于双极板使得膜电极组件的周边在所述至少一个区域中突出于双极板上方，和通过在所述至少一个区域中对准膜电极组件的突出周边而对准燃料电池单元。
[0037]
根据另一个方面，本发明涉及一种燃料电池叠堆，该燃料电池叠堆包括多个燃料电池单元，这些燃料电池单元各自包括膜电极组件，该膜电极组件优选地通过超声焊接紧固至双极板，其中该燃料电池叠堆已通过如上文所讨论的布置和/或藉由如上文所讨论的方法被制造。
[0038]
根据又一个实施例，燃料电池叠堆还包括至少一个燃料电池单元，其中mea在双极板上方延伸至少一个区域。
[0039]
其它优点和优选实施例公开于权利要求书、说明书和附图中。还应当注意，本领域的技术人员可单个地考虑或使用这些特征，或以所示之外的其它方式组合这些特征而不扩展本发明的范围。
[0040]
在下文中，本发明将藉由附图所示的实施例进行描述。所示实施例仅为示例性的，并且非旨在限制保护范围。保护范围仅由附属权利要求书限定。
附图说明
[0041]
附图示出：
[0042]
图1为燃料电池叠堆的制造布置的第一实施例的示意性透视图；
[0043]
图2为组装燃料电池单元的细节的示意图；和
[0044]
图3为制造布置的第二实施例的示意性透视图。
具体实施方式
[0045]
在下文中，相同或类似的功能元件以相同附图标号来指示。
[0046]
图1示出了制造布置1的透视图，该制造布置1通过堆叠多个组装燃料电池单元4而制造燃料电池叠堆2。如所示，制造布置包括第一对准工位6和第二对准工位8。在所示实施例中，存在适于搬运燃料电池元件的两个操纵装置10和12。制造布置1还包括紧固工位14，和用于将燃料电池元件从对准工位6传送至紧固工位14的搬运装置16。图1所示实施例的搬运装置16为可旋转台。
[0047]
如图1进一步所示，紧固工位14包括焊接操纵器18，焊接操纵器18适于将膜电极组件26紧固或焊接至双极板22。另外，制造布置1包括对准操纵器20以用于使膜电极组件26对准至双极板22。
[0048]
在下文中，将描述制造布置1的操作。在第一步骤中，搬运操纵器10将双极板22传
送至布置于旋转台16上的第一对准结构24(例如，固定装置)。然后，台16旋转使得双极板22(布置于对准结构24中)输送至第一对准工位6，其中对准操纵器20将膜电极组件(mea)26放置于双极板22的一侧上，即，在图1的所示实施例中放置于双极板22的顶部上。然而，还可能的是，mea放置于双极板下方和/或第一对准结构随后布置至第二对准结构。
[0049]
在双极板22的一侧上对准mea 26可通过任何合适对准方法来执行，不论mea或双极板是否首先被搬运。例如，可能的是，对准操纵器26包括相机，该相机用作第二对准结构并且确定双极板22的位置，并且基于所确定位置，该操纵器将mea 26放置于双极板上/定向该mea 26。另选地或此外，还可能的是，存在第二机械对准结构；当mea 26被放置于双极板22的顶部上时，该第二机械对准结构向mea 26提供关于双极板22的预定空间取向。当然，任何其它对准过程也是可能的。
[0050]
在mea 26放置于双极板22的顶部上之后，提供了所谓预组装燃料电池单元28，该预组装燃料电池单元28藉由旋转台16传送至紧固工位14。在紧固工位14处，mea 26紧固至双极板22。该紧固可通过超声焊接进行，但也可使用任何其它合适紧固方法，诸如胶粘、热塑性塑料的热组合、锡焊等。然而，超声焊接提供了一种快速且廉价的紧固方法，因为它无需添加特殊材料。
[0051]
在紧固工位14之后，mea 26相对于双极板22的空间取向被固定，使得现组装燃料电池单元4可从第一对准工位移除以用于进一步处理。
[0052]
在所示实施例中，组装燃料电池单元4藉由第二搬运操纵器12从旋转台16移除并且输送至第二对准工位8(堆叠)。应当注意，第二对准工位8不必要靠近于第一对准工位6布置。因为mea 26和双极板22的空间取向由于紧固步骤而固定，所以组装燃料电池单元4可输送至远程位置以用于堆叠过程。还可能的是，将组装燃料电池单元4置于仓库中并且之后再执行堆叠过程。
[0053]
然而，在图1的所示实施例中，第二对准工位8靠近于第一对准工位布置，使得组装燃料电池单元4可直接被传送至第三对准结构30，该第三对准结构30适于对准燃料电池单元4以提供燃料电池叠堆2。因而，第三对准结构30可适于仅对准燃料电池单元4的周边，这允许燃料电池单元4进行快速但精确的布置。这是由于这样的事实：双极板22和mea 26的空间取向的固定是通过将mea 26紧固至双极板22进行的。
[0054]
因此，这允许了其中的mea 26可在至少一个区域34(参见图2)重叠双极板22的燃料电池单元设计，其中该区域34用于对准燃料电池单元4。这同时确保了，第三对准结构与双极板的任何接触可得以避免。另外，可能的是提供一种燃料电池单元设计，其中的mea 26在各个地方重叠双极板22。在该实施例中，第三对准结构30适于仅基于mea 26的周边便对准燃料电池单元4。因而，可提供一种燃料电池叠堆2，其中源于与相邻双极板22接触而产生的短路风险可得到避免，因为mea 26的膜能够可靠地隔离相邻双极板22。
[0055]
图2以详细视图示出了组装燃料电池单元4，该组装燃料电池单元4具有通过超声焊缝32紧固在一起的双极板22和mea 26。还可看出，mea 26在至少所述区域34中重叠双极板22，使得仅mea 26接触第三对准结构30。
[0056]
还有利的是，双极板22在燃料电池叠堆中燃料电池单元的对准期间保持不被任何装置触碰，这允许燃料电池单元进行迅速但精确的对准。
[0057]
图3示出了制造布置1的另一实施例。如可看出，在替代实施例中，对准和紧固在组
合组装工位36处执行，其中两个操纵器臂38和40正搬运、对准和紧固双极板22和mea 26以用于提供组装燃料电池单元4。相比于图1的制造布置，其不存在旋转台，所以由于该台的旋转移动而使双极板22和mea 26未对准的风险得以减小。
[0058]
在紧固之后，组装燃料电池单元4被传送至第二对准工位8，该第二对准工位8包括对准结构30以用于将燃料电池单元4堆叠至燃料电池叠堆2。
[0059]
通过将各个燃料电池元件的对准和燃料电池单元的堆叠分离成至少两个不同的步骤或工位，可对准和堆叠过程进行加速和自动化。另外，通过分别在紧固工位和紧固步骤将mea紧固至双极板，燃料电池元件的空间取向可得以了保留。这继而允许了一种其中mea与双极板重叠的燃料电池单元设计，并且因为堆叠(或第二对准)可仅基于mea的取向而执行，所以同等地允许了快速且精确的堆叠过程。因此，双极板自身的空间取向可忽略，因为其通过mea的取向已限定。还有利的是，通过将mea放置于双极板的一侧上和在其它步骤中仅搬运mea，双极板在其它组装过程中无需接触，这确保了堆叠过程迅速且精确。
[0060]
附图标记
[0061]1ꢀꢀ
制造布置
[0062]2ꢀꢀ
燃料电池叠堆
[0063]4ꢀꢀ
燃料电池单元
[0064]6ꢀꢀ
第一对准工位
[0065]8ꢀꢀ
第二对准工位
[0066]
10,12
ꢀꢀ
搬运装置
[0067]
14
ꢀꢀ
紧固工位
[0068]
16
ꢀꢀ
旋转台
[0069]
18
ꢀꢀ
紧固操纵器
[0070]
20
ꢀꢀ
对准操纵器
[0071]
22
ꢀꢀ
双极板
[0072]
24
ꢀꢀ
第一对准结构
[0073]
26
ꢀꢀ
膜电极组件(mea)
[0074]
28
ꢀꢀ
预组装燃料电池单元
[0075]
30
ꢀꢀ
第三对准结构
[0076]
32
ꢀꢀ
焊缝
[0077]
34
ꢀꢀ
其中mea在双极板上方延伸的区域
[0078]
36
ꢀꢀ
组合组装工位
[0079]
38,40 操纵器臂