用于堆叠燃料电池的系统的制作方法

用于堆叠燃料电池的系统
1.相关申请的交叉引用
2.本技术要求于2020年12月10日在韩国知识产权局提出的韩国专利申请号为10-2020-0172013的优先权和权益，其全部内容通过引用纳入本文。
技术领域
3.本发明涉及一种用于堆叠燃料电池的系统。


背景技术：

4.一般来说，电解水时会产生氢气和氧气，而氢燃料电池就是利用这种电解的逆反应的装置。
5.氢燃料电池是指以氢气为燃料，与空气中的氧气反应产生电能。
6.与一般的化学电池不同，这些氢燃料电池只要提供燃料和空气就可以持续产生电力，并且与使用化石燃料的涡轮动力产生方法相比具有更高的能效并且无噪音。
7.此外，氢燃料电池是一种温室气体产生较少的环保能源，是一种可以应用于交通、发电、家庭、便携使用等各个领域的新能源。
8.氢燃料电池的典型术语是用来表示多个电池的组合而不是单个电池，也称为燃料电池组、燃料电池堆等。
9.用于氢燃料电池组的电池通过堆叠负极、负极垫片、气体扩散层、膜电极组件以及正极来制造。
10.然而，在根据现有技术制造用于氢燃料电池的电池中，阴极电极、阴极电极垫片、气体扩散层、膜电极组件以及阳极电极由操作人员手工一一堆叠，或者只能局部自动化堆叠。因此，氢燃料电池的制造不是完全自动化的。
11.通常，将大量例如超过1000片负极、负极垫片、气体扩散层、膜电极组件以及正极堆叠以形成氢燃料电池堆，增加了循环时间。因此，循环时间较长，生产率较低。
12.公开于背景技术部分的上述信息仅仅旨在加深对本技术背景技术的理解，因此其可以包含的信息并不构成在本国已为本领域技术人员所公知的现有技术。


技术实现要素：

13.一种用于堆叠燃料电池的系统，燃料电池用于燃料电池堆，所述系统可以包括：组成部件存储区域、成品存储区域以及多个堆叠区域，所述组成部件存储区域配置为存储燃料电池；所述成品存储区域配置为存储由至少一个自动导引载具(agv，automated guided vehicle)搬运的完成的燃料电池堆；多个堆叠区域设置在所述组成部件存储区域和所述成品存储区域之间，其中，在每个堆叠区域的中央部分设置有第一搬运机械手，每个堆叠区域的对应于所述成品存储区域的一侧形成为用于燃料电池堆的至少一个自动导引载具的入口和出口，在堆叠区域的每个其余侧设置有堆叠单元，堆叠区域通过至少一个自动导引载具从所述组成部件存储区域被供应燃料电池，以依次堆叠燃料电池来制造燃料电池堆。
14.所述组成部件存储区域可以包括多层的第一托架以存储多种类型的燃料电池。
15.所述成品存储区域可以包括多层的第二托架以存储燃料电池堆。
16.所述第一搬运机械手可以配置为组装和包装在堆叠区域中堆叠的燃料电池堆，并将燃料电池堆搬运到至少一个自动导引载具。
17.至少一个自动导引载具可以包括在所述组成部件存储区域与堆叠区域之间移动的第一自动导引载具和在所述第一搬运机械手与所述成品存储区域之间移动的第二自动导引载具。
18.所述堆叠单元可以包括：一对装载部分、堆叠部分以及搬运部分，每个装载部分配置为安置从至少一个自动导引载具供应的燃料电池；所述堆叠部分设置在一对装载部分之间，并配置为依次堆叠从装载部分搬运的燃料电池；所述搬运部分可滑动地安装在设置于一对装载部分上方的框架上，并配置为在装载部分与所述堆叠部分之间移动的同时，同时地夹持在装载部分中装载的燃料电池，并将所夹持的燃料电池在所述堆叠部分进行堆叠。
19.装载部分可以包括：多个装载台、真空吸附器以及视觉相机，当燃料电池堆叠时多个装载台竖直地操作；所述真空吸附器与装载台相邻设置，并配置为通过真空吸附去除从相应装载台搬运的燃料电池的滑托板；所述视觉相机与所述真空吸附器相邻设置，并配置为拍摄去除所述滑托板的燃料电池。
20.装载台可以包括：第一上板、多个第一导杆、第一下板、第一螺杆轴以及第一伺服马达，燃料电池堆叠在所述第一上板上；多个第一导杆安装成穿过所述第一上板，并且配置为将堆叠在所述第一上板上的燃料电池对齐；所述第一下板设置在所述第一上板的下方并且固定至多个第一导杆；所述第一螺杆轴安装在所述第一上板的下表面的中央部分，并与第一螺杆壳体啮合，所述第一螺杆壳体通过第一轴承座可旋转地安装在所述第一下板上，所述第一螺杆轴形成有第一锥齿轮；所述第一伺服马达与所述第一螺杆轴的所述第一锥齿轮啮合，并且配置为通过所述第一螺杆壳体向所述第一螺杆轴施加扭矩以竖直地操作所述第一上板。
21.装载台可以进一步包括第一高度传感器，所述第一高度传感器配置为相对于固定到所述第一上板的第一辅助板前后操作，并测量第一上板的高度。
22.所述堆叠部分可以包括：旋转板、一对堆叠台以及测试器，所述旋转板设置在一对装载部分之间，并且配置为通过旋转部分旋转，所述旋转部分配置在所述旋转板的中央部分处，在所述旋转板的中央部分处形成有穿孔；一对堆叠台设置在所述旋转板的相对侧，并配置为将所述搬运部分搬运的燃料电池依次堆叠至预设数量，并随着燃料电池堆叠而竖直地操作；所述测试器配置为当通过所述旋转板的旋转而连接到堆叠有预设数量的燃料电池的堆叠台时，对在堆叠台上堆叠的燃料电池执行泄漏测试。
23.所述旋转部分可以包括：第一齿条、第一驱动齿轮、第三伺服马达以及减速器，所述第一齿条形成在所述穿孔的内圆周处；所述第一驱动齿轮与所述第一齿条啮合；所述第三伺服马达连接到所述第一驱动齿轮，并且配置为将驱动扭矩传递到所述第一驱动齿轮；所述减速器连接到所述第三伺服马达，并且配置为降低所述第三伺服马达的转速。
24.堆叠台可以包括：第二上板、多个第二导杆、第二下板、第二螺杆轴、以及第二伺服马达，燃料电池堆叠在所述第二上板上；多个第二导杆安装成穿过所述第二上板，并且配置为将堆叠在第二上板上的燃料电池对齐；所述第二下板设置在所述第二上板的下方，并且
固定至多个第二导杆；所述第二螺杆轴安装在所述第二上板的下表面的中央部分，并配置为通过与第二螺杆壳体啮合而竖直地操作，所述第二螺杆壳体通过第二轴承座可旋转地安装在所述第二下板上；所述第二伺服马达与形成在所述第二螺杆壳体的前端部分处的第二锥齿轮啮合，并且配置为通过所述第二螺杆壳体向所述第二螺杆轴施加扭矩以竖直地操作所述第二上板。
25.堆叠台可以进一步包括第二高度传感器，所述第二高度传感器配置为相对于固定到所述第二上板的第二辅助板前后操作，并且测量所述第二上板的位置。
26.所述测试器可以安装在所述框架上，并配置为当堆叠台通过所述旋转板的旋转而定位到起始位置时，所述测试器向下移动到堆叠台以连接到堆叠台，并将气体注入到在堆叠台上堆叠的燃料电池10中。
27.所述搬运部分可以包括：线性运动导引件、水平运动块、第四伺服马达以及多个吸附器，所述线性运动导引件可滑动地安装在所述框架的导轨上；所述水平运动块安装在所述线性运动导引件上，并且配置为能够通过第二齿条以及与所述第二齿条啮合的第二驱动齿轮移动；所述第四伺服马达安装在所述水平运动块上，并且配置为向所述第二驱动齿轮施加驱动扭矩；多个吸附器安装在所述水平运动块上，并且配置为同时地真空吸附在装载部分中装载的燃料电池，并将所述吸附的燃料电池在所述堆叠部分中进行堆叠。
28.吸附器可以包括：吸附板、竖直运动块以及第五伺服马达，所述吸附板配置为通过真空吸附和释放来夹持和松开燃料电池；所述竖直运动块连接到所述吸附板的上部，并且配置为通过第三齿条以及与所述第三齿条啮合的第三驱动齿轮来竖直地操作；所述第五伺服马达固定至所述水平运动块，并且配置为向所述第三驱动齿轮施加驱动扭矩。
29.根据示例性实施方案的用于堆叠燃料电池的系统，可以形成从燃料电池的供应到存储完成的燃料电池堆的生产线，从而可以降低人工成本并提高生产质量。
30.此外，基于根据示例性实施方案的用于堆叠燃料电池10的系统，通过优化设计工作区域的布置，可以最小化第一搬运机械手30的运动。此外，通过在堆叠部分的两侧设置装载部分并采用旋转板，可以降低整体循环时间，并且可以提高生产率。
31.在本发明的详细描述中将明确地或隐含地描述可以通过示例性实施方案获得或预测的其他效果。也就是说，在下面的详细描述中将描述根据示例性实施方案预测的各种效果。
附图说明
32.图1是通过根据示例性实施方案的用于堆叠燃料电池的系统制造的氢燃料电池堆的大体示意图。
33.图2是根据示例性实施方案的用于堆叠燃料电池的系统的整体示意图。
34.图3是应用于根据示例性实施方案的用于堆叠燃料电池的系统的堆叠区域的示意图。
35.图4是应用于根据示例性实施方案的用于堆叠燃料电池的系统的堆叠单元的示意图。
36.图5和图6是应用于根据示例性实施方案的用于堆叠燃料电池的系统的装载部分的示意图。
37.图7是应用于根据示例性实施方案的用于堆叠燃料电池的系统的堆叠部分的示意图。
38.图8是应用于根据示例性实施方案的用于堆叠燃料电池的系统的搬运部分的示意图。
具体实施方式
39.下文将参考所附附图对本发明进行更为全面的描述，在这些附图中显示了示例性实施方案。本领域技术人员将意识到，可以对所描述的实施方案进行各种不同方式的修改，所有这些修改将不脱离本技术的精神或范围。
40.为了阐明本发明，与描述无关的部分将被省略，并且在整个说明书中相同的元件或等同物用相同的附图标记指代。
41.在接下来的描述中，将组件名称区分为第一、第二等等是为了区分名称，因为组件名称是彼此相同的，而它们的次序并不进行特别的限定。
42.根据示例性实施方案的用于堆叠燃料电池10的系统可以用于制造燃料电池堆1。
43.特别地，根据示例性实施方案的用于堆叠燃料电池10的系统可以应用于制造氢燃料电池堆1。
44.图1是通过根据示例性实施方案的用于堆叠燃料电池10的系统制造的氢燃料电池堆1的大体示意图。
45.参考图1，氢燃料电池堆1可以通过堆叠通常由气体扩散层11、正极12、聚合物电解质膜13、负极14以及氧扩散层15形成的600至1000片燃料电池10来制造。
46.也就是说，每个燃料电池10包括气体扩散层11、正极12、聚合物电解质膜13、负极14以及氧扩散层15，并且假设燃料电池堆1通常由600至1000片燃料电池10堆叠而形成。
47.图2是根据示例性实施方案的用于堆叠燃料电池10的系统的整体示意图。
48.参考图2，根据示例性实施方案的用于堆叠燃料电池10的系统包括组成部件存储区域40、成品存储区域50以及堆叠区域60。
49.组成部件存储区域40是存储燃料电池10的区域。
50.组成部件存储区域40可以包括多层的第一托架41以存储各种类型的燃料电池10。
51.第一托架41包括多个水平和竖直设置的隔间，并且每个燃料电池10可以存储在每个隔间内。
52.此外，成品存储区域50是存储燃料电池堆1的区域，燃料电池堆1在堆叠区域60中完成并由自动导引载具(agv，automated guided vehicle)20搬运。
53.成品存储区域50可以包括多层的第二托架51以存储多种类型的燃料电池堆1。
54.第二托架51包括多个水平和竖直设置的隔间，并且每个燃料电池堆1可以存储在每个隔间中。
55.此时，第一搬运机械手30将堆叠在堆叠区域60中的燃料电池堆1组装并包装，并将燃料电池堆1搬运到自动导引载具20。
56.第一搬运机械手30可以在堆叠单元61之间移动的同时通过机械手臂夹持燃料电池堆1。
57.在一个变型中，第一搬运机械手30可以固定到堆叠单元61的预设位置，例如中央
部分，并且配置为通过机械手臂夹持燃料电池堆1。
58.此外，自动导引载具20可以包括第一自动导引载具20和第二自动导引载具20，第一自动导引载具20在组成部件存储区域40与堆叠区域60之间移动，第二自动导引载具20在第一搬运机械手30与成品存储区域50之间移动。
59.第一自动导引载具20和第二自动导引载具20分别沿着预设路径移动。
60.在本发明中，自动导引载具20被描述为包括第一自动导引载具20和第二自动导引载具20，然而，本实施方案不限于此。可以理解，一个自动导引载具20可以配置为在组成部件存储区域40、堆叠区域60以及成品存储区域50之间移动。
61.图3是应用于根据示例性实施方案的用于堆叠燃料电池10的系统的堆叠区域60的示意图。图4是应用于根据示例性实施方案的用于堆叠燃料电池10的系统的堆叠单元61的示意图。
62.多个堆叠区域60设置在组成部件存储区域40与成品存储区域50之间。
63.堆叠区域60设置为通过自动导引载具20从组成部件存储区域40被供应燃料电池10。
64.也就是说，堆叠区域60可以设置成使得自动导引载具20的运动可以被最小化。
65.多个堆叠区域60可以以相同的配置设置在相邻的位置处。
66.参考图3，堆叠区域60包括多个堆叠单元61，这些堆叠单元61通过自动导引载具20从组成部件存储区域40被供应燃料电池10，并且配置为依次堆叠燃料电池10以制造燃料电池堆1。
67.第一搬运机械手30居中地设置在堆叠区域60中。堆叠区域60的对应于成品存储区域50的一侧形成为用于燃料电池堆1的自动导引载具20的入口和出口。堆叠单元61设置在堆叠区域60的每个其余侧。
68.例如，在堆叠区域60中，每个堆叠区域60的对应于成品存储区域的一侧形成为用于燃料电池堆的至少一个自动导引载具20的入口和出口，并且具有相同配置的堆叠单元61设置在每个堆叠区域60的每个其余侧。
69.堆叠单元61可以配置为提供有燃料电池10并依次堆叠燃料电池10以形成燃料电池堆1，并且通过第一搬运机械手30，例如通过利用螺栓等紧固件的组装来进行包装以完成燃料电池堆1。
70.为此，参考图4，每个堆叠单元61包括一对装载部分63、堆叠部分70以及与堆叠单元61相邻设置的搬运部分80。
71.一对装载部分63中的每一个都配置为安置从至少一个自动导引载具20供应的燃料电池10。
72.此时，可以通过第二搬运机械手31向每个装载部分63供应由自动导引载具20搬运的燃料电池10。
73.一对装载部分63形成为相同的配置，以一个装载部分63为例进行说明。
74.图5和图6分别是应用于根据示例性实施方案的用于堆叠燃料电池10的系统的装载部分63的示意图。
75.参考图5，装载部分63包括多个装载台630，当燃料电池10堆叠时，装载台630竖直地操作。
76.装载台630的数量可以根据燃料电池10的类型来设置。
77.装载台630包括第一上板631、第一导杆632、第一下板633、第一螺杆轴634以及第一伺服马达m1。
78.装载台630配置为在第一上板631上堆叠燃料电池10。
79.多个第一导杆632安装成穿过第一上板631。
80.例如，第一上板631可以形成为对应于燃料电池10的形状，例如矩形。
81.第一导杆632可以安装在第一上板631的每个角上，使得堆叠在第一上板631的上表面上的燃料电池10可以通过第一导杆632对齐。
82.此外，第一下板633设置在第一上板631的下方。
83.第一下板633与第一上板631分开，并且第一下板633固定到第一导杆632。
84.第一螺杆轴634安装在第一上板631的下表面的中央部分。
85.在第一上板631的下方，第一螺杆轴634与第一螺杆壳体636啮合，所述第一螺杆壳体636通过第一轴承座635可旋转地安装在第一下板633上。
86.此时，第一锥齿轮637设置在第一螺杆轴634处，并且连接到第一伺服马达m1。
87.也就是说，第一伺服马达m1与第一锥齿轮637啮合，并且配置为通过第一螺杆壳体636向第一螺杆轴634施加扭矩，以竖直地操作第一上板631。
88.第一上板631的高度随着燃料电池10的堆叠而调整，装载台630设置有用于调整高度的第一高度传感器64。
89.第一辅助板638固定到第一上板631的侧表面，第一高度传感器64配置为相对于第一辅助板638前后操作，并通过测量与第一辅助板638的相对距离来测量第一上板631的高度。
90.例如，第一高度传感器64可以包括由第一气动缸640操作的第一线性标尺641。
91.也就是说，第一辅助板638随第一上板631移动的移动距离可以由第一线性标尺641测量。
92.因此，可以测量堆叠在第一上板631的上表面上的燃料电池10的数量。
93.此外，真空吸附器65与装载台630相邻设置。
94.参考图6，真空吸附器65可以通过真空吸附而去除从相邻装载台630搬运的燃料电池10的滑托板16。
95.视觉相机67与真空吸附器65相邻设置，在该实施方案中，具体地，视觉相机67附接到真空吸附器65。
96.视觉相机67配置为对已经去除了滑托板16的燃料电池10进行拍摄，使得可以对滑托板16的去除进行目视检查。
97.真空吸附器65和视觉相机67可以配置为当滑托板16附接到燃料电池10时运行。
98.此外，堆叠部分70形成在一对装载部分63之间。
99.图7是应用于根据示例性实施方案的用于堆叠燃料电池10的系统的堆叠部分70的示意图。
100.参考图7，在堆叠部分70中，从装载部分63搬运的燃料电池10依次堆叠。
101.也就是说，燃料电池10从组成部件存储区域40供应到装载台630，安置在装载台630上的燃料电池10被搬运到堆叠部分70并在堆叠部分70中依次堆叠。
102.堆叠部分70包括旋转板71、堆叠台730以及测试器75。
103.旋转板71设置在一对装载部分63之间。
104.旋转板71通过旋转部分72旋转，旋转部分72配置在旋转板71的中央部分处，在旋转板71的中央部分处形成有穿孔720。
105.旋转部分72包括形成在穿孔720的内圆周上的第一齿条721。
106.此外，第一齿条721与第一驱动齿轮722啮合。
107.第一驱动齿轮722连接到第三伺服马达m3，所述第三伺服马达m3将驱动扭矩传递到第一驱动齿轮722。
108.此外，第三伺服马达m3与第一驱动齿轮722之间设置有减速器723，用以降低第三伺服马达m3的转速，使得第三伺服马达m3可以精细地控制旋转板71的转速。
109.一对堆叠台730相对地设置在旋转板71的上表面上。
110.此时，堆叠台730可以位于搬运部分80的行进路径下方的位置处，搬运部分80在装载部分63和堆叠部分70之间移动。
111.将搬运部分80搬运的燃料电池10依次堆叠在堆叠台730上至预设数量。
112.当燃料电池10堆叠时，堆叠台730竖直地操作。
113.堆叠台730可以形成为与装载台630相同的配置，不再进一步详细描述。
114.如图7所示，堆叠台730包括第二上板731、第二导杆732、第二下板733、第二螺杆轴734、第二轴承座735、第二螺杆壳体736、第二锥齿轮737、第二辅助板738、第二伺服马达m2、第二高度传感器74、第二气动缸740以及第二线性标尺741。
115.第二上板731、第二导杆732、第二下板733、第二螺杆轴734、第二轴承座735、第二螺杆壳体736、第二锥齿轮737、第二辅助板738、第二伺服马达m2、第二高度传感器74、第二气动缸740以及第二线性标尺741的详细说明可以参考上述相关的第一上板631、第一导杆632、第一下板633、第一螺杆轴634、第一轴承座635、第一螺杆壳体636、第一锥齿轮637、第一辅助板638、第一伺服马达m1、第一高度传感器64、第一气动缸640以及第一线性标尺641。
116.当预设数量的燃料电池10堆叠在堆叠台730上时，旋转板71旋转180度以将堆叠有燃料电池10的堆叠台730定位到相对位置。
117.当通过旋转板71的旋转将堆叠有预设数量的燃料电池10的堆叠台730定位到相对位置时，堆叠台730连接到测试器75。
118.测试器75设置在旋转板71的上方，测试器75定位为与搬运部分80的行进路径相对。
119.测试器75用于执行堆叠燃料电池10的泄漏测试，并且测试器75可以安装在框架81上，搬运部分80安装在框架81上。
120.当已经堆叠了预设数量的燃料电池10的堆叠台730通过旋转板71的旋转而定位在起始位置时，测试器75向下移动到堆叠台730并连接到堆叠台730。
121.此时，测试器75可以插入第二导杆732之间。
122.测试器75配置为将气体注入到在堆叠台730上堆叠的燃料电池10中，用于进行泄漏测试。
123.搬运部分80形成在上述装载部分63和堆叠部分70之间。
124.图8是应用于根据示例性实施方案的用于堆叠燃料电池10的系统的搬运部分80的
示意图。
125.参考图8，搬运部分80可以在装载部分63与堆叠部分70之间移动的同时，同时地夹持在装载部分63中装载的燃料电池10，并将夹持的燃料电池10在堆叠部分70中进行堆叠。
126.为此，搬运部分80可滑动地安装在设置于一对装载部分63的上方的框架81上。
127.此时，导轨810沿着长度方向形成在框架81上。
128.搬运部分80包括可滑动地安装在导轨810上的线性运动(linear motion)导引件82。
129.水平运动块83安装在线性运动导引件82上。
130.第二齿条830形成在框架81上，水平运动块83配置为可通过安装在水平运动块83的上部的第四伺服马达m4移动。
131.更详细地，第四伺服马达m4连接到第二驱动齿轮831并且第二驱动齿轮831与第二齿条830啮合。在这个配置中，当第四伺服马达m4对第二驱动齿轮831施加驱动扭矩时，第二驱动齿轮831旋转以在第二齿条830上行进，从而使水平运动块83移动。
132.此外，多个吸附器84安装在水平运动块83中。
133.多个吸附器84直接接触在装载部分63中装载的燃料电池10，并且配置为同时地真空吸附燃料电池10，以搬运燃料电池10至堆叠部分70并在堆叠部分70中进行堆叠。
134.吸附器84包括吸附板840、竖直运动块85以及第五伺服马达m5。
135.吸附板840配置为通过真空吸附来夹持和松开燃料电池10。
136.吸附板840可以形成为对应于燃料电池10的矩形形状。
137.竖直运动块85连接到吸附板840的上部。
138.竖直运动块85形成为竖直对齐的矩形柱形状，并且可以通过竖直布置的第三齿条850以及与第三齿条850啮合的第三驱动齿轮851来竖直地操作。
139.此外，第五伺服马达m5固定到水平运动块83，并且可以对第三驱动齿轮851施加驱动扭矩。
140.相应地，在水平运动块83水平移动并且竖直运动块85竖直操作的同时，搬运部分80可以将燃料电池10搬运到起始位置。
141.当通过测试器75完成泄漏测试时，燃料电池10可以通过第一搬运机械手30组装或包装为完成的燃料电池堆1。
142.因此，基于根据示例性实施方案的用于堆叠燃料电池的系统，可以形成从燃料电池的供应到存储完成的燃料电池堆的生产线，从而可以降低人工成本并提高生产质量。
143.此外，基于根据示例性实施方案的用于堆叠燃料电池10的系统，通过优化设计工作区域的布置，可以最小化第一搬运机械手30的运动。此外，通过在堆叠部分的两侧设置装载部分并采用旋转板，可以降低整体循环时间，并且可以提高生产率。
144.此外，基于根据示例性实施方案的用于堆叠燃料电池10的系统，可以实时测量和控制燃料电池的堆叠高度，从而可以实时检查燃料电池的堆叠状态。
145.此外，基于根据示例性实施方案的用于堆叠燃料电池10的系统，可以进行精益生产，并且在库存管理方面存在优势。
146.虽然参考目前被视为是实际的示例性实施方案来描述本发明，但是应该理解，本发明并不限于所公开的实施方案。相反，本发明构思的观念旨在覆盖包括在所附权利要求
的精神和范围之内的各种修改形式和等效形式。