CN102157747B - 燃料电池电堆的自动化装配装置 - Google Patents

Abstract

一种燃料电池技术领域的燃料电池电堆的自动化装配装置，包括：机架、压力可调压紧装置、自动拔定位导杆装置和自动拧螺母装置，压力可调压装置和自动拔定位导杆装置分别固定在机架的两端，自动拧螺母装置活动设置于机架上。本发明可实现电堆部件组合与装配的一体化，自动化程度更高，操作方便快速，可提高燃料电池装配效率；通过更换上压块和托盘可以适用于多种规格尺寸的燃料电池电堆，通用性强，可降低不同型号燃料电池装配的设备成本；通过上压块可以提供均匀装配压力，从而使得电堆内部双极板与MEA接触均匀，减小接触电阻，提高燃料电池性能。

Description

燃料电池电堆的自动化装配装置

技术领域

本发明涉及的是一种燃料电池技术领域的装置，具体是一种燃料电池电堆的自动化装配装置。

背景技术

燃料电池在原理和结构上不同于常规意义上的电池，它是一种按电化学方式直接将贮存在燃料和氧化剂的化学能转化为电能的装置。在环境污染和能源紧张的今天，燃料电池由于其环境友好、能量转化效率高等特点，有望作为化石燃料的替代能源而越来越受到各国政府的重视。燃料电池的分类方法很多，通常按照电池所采用的电解质分类，燃料电池可分为碱性燃料电池、磷酸型燃料电池、质子交换膜燃料电池、熔融碳酸盐型燃料电池、固体氧化物燃料电池。质子交换膜燃料电池由于采用固态电解质高分子膜作为电解质，工作过程中无电解质无泄露，安全、能量密度高，且可在低温(80℃左右)环境下工作，因此成为未来移动电源及固定电站等领域的首选电源，也成为燃料电池领域的研究热点。

质子交换膜燃料电池电堆主要由膜电极组件(即membrane-electrode-membrane，MEA)、双极板、密封元件、两侧端板和紧固螺栓等组成。其中双极板广泛采用石墨极板或金属极板，双极板两侧的流场分别是氧化剂(如氧气)与燃料(如氢气)的通道，以确保氧化剂和燃料能均匀分配到MEA各处，发生还原和氧化反应而产生电流。运行过程中，燃料电池内部发生的氧化还原反应会产生大量的热量，因而在电堆端板和双极板上设置冷却剂通道来散热。在燃料电池内部，氧化剂、燃料和冷却剂必须严格隔离，不能互窜。

在实际应用中，通常需要将多个单体电池通过串联的方式组装到一起形成燃料电池电堆来使用。燃料电池装配技术决定电堆密封性能、接触性能和传质特性等，最终影响电池输出特性。如图1所示为现有的质子交换膜燃料电池电堆，多个单电池1串联，被两侧的端板2夹在中间，电堆的紧固是依靠端板之间的紧固螺栓3压紧实现，在电堆部件组合时需要定位导杆4对数量众多的单电池1进行定位。传统的电堆装配采用扭力扳手上紧螺母的办法，但由于螺母上紧的次序有先后，各个螺栓最终的紧固力难以平衡控制，导致端板不能均匀下压，电堆内部MEA与双极板之间接触压力难以均匀；再加上双极板存在制造公差，多个单电池组装引起的公差累积更为严重，使得电堆内部各处压力不均匀程度增加。一方面，如果电堆内部某些区域接触压力过大，则容易使双极板变形，甚至损坏质子交换膜而导致电堆失效；另一方面，某些区域接触压力过小，密封不牢固，容易发生氧化剂、燃料、冷却剂的泄露或串气，此外MEA与双极板接触电阻会增大，电堆内阻增加，最终影响整个电池的性能。可见，如果要使质子交换膜燃料电池能够高效、安全稳定地运行，必须保证端板各处装配压力尽量均匀。另外，由于端板的紧固螺栓数量一般很多，其目前的装配工艺都依靠扭力扳手依次拧紧，工艺过程繁琐，装配压力难以准确控制，且装配效率很低。通常情况下，在燃料电池电堆装配过程中，为防止数量众多的双极板和MEA发生错位，需要采用定位导杆进行定位。而定位导杆一般为金属杆，如果在对电堆进行测试前不将定位导杆拔出，则单电池之间就会发生短路。在实际电堆装配的过程中，定位导杆的拔出往往需要较大的拉力，同时定位导杆拔出的先后顺序容易导致双极板和MEA的错位，因此如何同步、平稳的拔出定位导杆也将影响电堆最终装配质量。

经对现有文献检索发现，中国专利文献号CN200969374Y，授权日期为2007年10月31日，记载了“一种用于装配燃料电池堆的压紧设备”。该技术的特点在于：设备工作时，压力可调压紧装置推动第二模板以及垫块和燃料电池堆一起向第一模板方向运动，将燃料电池堆得两端板压紧。该压紧设备虽然适于装配多种尺寸规格的燃料电池堆，能够保证装配过程中燃料电池堆端板上每个区域的受力均匀性。但是，必须在电堆部件组合后再放在压紧设备中，且定位导杆若为金属导杆，则需另行拔定位导杆、拧螺母，工艺繁琐，装配效率低。

进一步检索发现，美国专利号US7,435,501，名称为：燃料电池压紧装置(Fuel cellcompression assembly)，该技术包括箱体单元、顶部压紧单元、底部基座，所述的箱体单元至少两相对面有挡板，用来固定燃料电池电堆。所述的顶部压紧装置和挡板有锯齿，可以相互扣合，从而保证将电堆压紧，且不会反向回复。该装置虽然实现了压紧装置和燃料电池电堆的一体化，结构简单，且端板上每个区域受力基本均匀，但是在锯齿的间距固定的情况下，压紧电堆时，顶部压紧单元每下降一格锯齿，所需的力越大，因此，压紧力呈非连续变化，难以达到最佳压紧力。此外，该装置拆装复杂，不利于电堆的维修。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种燃料电池电堆的自动化装配装置，可实现电堆部件组合与装配的一体化，自动化程度更高，操作方便快速，可提高燃料电池装配效率；通过更换上压块和托盘可以适用于多种规格尺寸的燃料电池电堆，通用性强，可降低不同型号燃料电池装配的设备成本；通过上压块可以提供均匀装配压力，从而使得电堆内部双极板与MEA接触均匀，减小接触电阻，提高燃料电池性能。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括：机架、压力可调压紧装置、自动拔定位导杆装置和自动拧螺母装置，其中：压力可调压装置和自动拔定位导杆装置分别固定在机架的两端，自动拧螺母装置活动设置于机架上。

所述的机架包括：导轨、气缸底座、导向立柱和滑块，其中：两根导向立柱分别与气缸底座垂直连接，滑块水平活动设置于两个垂直设置的导向立柱上，两个导轨分别固定设置于滑块的水平两侧。

所述的导向立柱与滑块之间设有直线轴承。

所述的压力可调压紧装置包括：气缸、顶杆和压头，其中：气缸固定设置于机架上并依次与顶杆和压头相连，压头与机架相连接并实现气缸的压紧和回复动作。

所述的气缸为活塞式气缸或液压式气缸。

所述的自动拔定位导杆装置包括：上压块、拉板和用于盛放燃料电池电堆的端板及托盘，其中：上压块与机架固定连接，两块端板设置于燃料电池电堆的上、下侧面并位于托盘内，拉板的两端分别与上压块和托盘固定连接并实现燃料电池电堆的位移。

所述的托盘下方设有下垫块，该下垫块正对托盘的一侧设有凸台且与所述托盘的下表面设有的凹槽相匹配。

本发明通过以下方式进行工作：根据设定的压力大小，气缸充入气体，顶杆通过压头推动滑块下移，从而以设定的压力将电堆压紧；保持气缸压力，自动拧螺母装置以设定的扭矩将电堆螺母拧紧；气缸活塞另一侧充气，顶杆回复，带动电堆上移，电堆与定位导杆分离，完成燃料电池电堆的装配。

与现有技术相比，本发明具有以下特点：可以实现组合和装配电堆在同一设备中完成，工序更简单；采用活塞式气缸按照设定的压力将燃料电池电堆压紧，采用自动拧螺母装置按设定的力矩将螺母拧紧，操作简单。同时可以通过活塞式气缸的回复动作实现燃料电池电堆与定位导杆的分离，自动化程度更高；通过更换上压块和托盘，适用于多种规格尺寸的燃料电池电堆装配，通用性更强；充分利用活塞式气缸的往复运动对燃料电池端板整体平稳下压，可以保证电堆内部各区域受力均匀，使得接触电阻更均匀，电池性能更优。

附图说明

图1为质子交换膜燃料电池电堆的结构示意图。

图2为本发明结构示意图。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图2所述，本实施例包括：机架1、压力可调压紧装置2、自动拔定位导杆装置3、导轨4和自动拧螺母装置5，其中所述的机架1固定在工作台上，所述压力可调压紧装置2设在滑块13的一端，且连接到机架1上，所述自动拔定位导杆装置3设置在滑块13的另一端，所述导轨4固定在滑块13的两侧，所述自动拧螺母装置5可沿导轨4滑动。

所述的机架1包括：气缸底座11、导向立柱12和滑块13，其中：所述的导向立柱12与滑块13之间安装有直线轴承，以保证压力可调压紧装置2能够平滑地推动滑块13沿导向立柱12移动，减少移动阻力，

所述的压力可调压紧装置2包括：气缸21、顶杆22和压头23，其中：所述气缸21为活塞式气缸。所述压头23用来连接顶杆22和滑块13，从而使活塞式气缸21通过滑块13对燃料电池电堆6做压紧和回复动作，压紧动作可以给端板施加一个最佳装配压力，将燃料电池电堆6压紧，回复动作可以带动燃料电池电堆6与定位导杆(图未示)分离。

本实施例中，燃料电池电堆6由50个单电池组成，上下端板61、62长225mm，宽225mm。电堆部件组合时所用的定位导杆(图未示)至少为两根，表面要做得非常光滑，有利于当电堆受到压力可调压紧装置压力时可以滑动，以及电堆与定位导杆的分离。

所述的自动拔定位导杆装置3包括：上压块31、拉板32、托盘33、连接销34和下垫块35，其中：所述的上压块31最大左右长度应比燃料电池电堆端板61、62的左右长度225mm大4-6mm，这样压紧电堆6时，可以防止拉板32与电堆端板61、62运动干涉。在设计上压块31与电堆的相近面的尺寸时，应注意尽量避免压紧电堆过程中，上压块31与定位导杆运动干涉，也可在上压块31上开与定位导杆相应的深孔。

所述的下垫块35的上表面有凸台，托盘33下表面有凹槽，两者相互配合，防止操作时燃料电池电堆6及托盘33左右晃动。托盘33四周各开有两个孔，左右两侧的孔用来连接下降后的拉板32，前后两侧的螺孔用来固定电堆6。所述的上压块31、托盘33、下垫块35的中心在一条竖直轴线上。

所述的燃料电池电堆的定位导杆为平头型定位导杆，与下垫块35的沉孔过盈配合实现固定，目的是当托盘33随气缸顶杆22上移时，定位导杆与燃料电池电堆6分离。

所述的自动拧螺母装置5在导轨4上滑动时，与燃料电池电堆6的紧固螺栓可实现两者轴线重合，目的是完成自动拧螺母的动作。滑块13两侧各有一个自动拧螺母装置5，自动拧螺母装置5移动距离的大小可根据燃料电池电堆6的紧固螺栓的位置确定，尽量保证同时拧对侧螺母。

所述的压力可调压紧装置2和自动拧螺母装置5应外接控制器，控制器可根据压紧燃料电池电堆压力的需要，控制气缸21施加压力的大小、顶杆22前进及回复的速度；可控制自动拧螺母装置5在导轨4上移动的方向及位移大小；可控制自动拧螺母装置5施加扭矩的大小；控制器上有压力显示仪，显示当前气缸施加的压力大小。控制器应用可以使该设备方便地实现自动化控制。

本装置组装过程如下：将机架1、下垫块35及定位导杆的组合体固定在工作台上，放好托盘33及电堆下端板62，下端板62与托盘33的连接常采用螺栓，组合电堆。设定气缸21输出压力和自动拧螺母装置5的扭矩大小，当气体充入气缸21后，顶杆22推动滑块13以及上压块31一起向电堆上端板61方向移动，当上压块31与电堆上端板61接触后，利用气缸21提供的压力将电堆6压好。保持气缸6压力，提供给电堆持续的压力。接着，利用控制器控制滑块13两侧的自动拧螺母装置5先拧紧对角的螺母，再拧紧其他对侧的螺母。然后，利用连接销34将托盘33和拉板32对应的孔连接起来，可设置为螺孔也可是普通孔。气缸活塞另一侧通入气体，顶杆22回复，带动托盘33上升，将电堆6与定位导杆分离。最后取下装配好的电堆6，从而完成整个装配过程。

Claims (3)

1.一种燃料电池电堆的自动化装配装置，其特征在于，包括：机架、压力可调压紧装置、自动拔定位导杆装置和自动拧螺母装置，其中：压力可调压装置和自动拔定位导杆装置分别固定在机架的两端，自动拧螺母装置活动设置于机架上。

2.根据权利要求1所述的燃料电池电堆的自动化装配装置，其特征是，所述的机架包括：导轨、气缸底座、导向立柱和滑块，其中：导向立柱为两根，分别与气缸底座垂直连接，滑块水平活动设置于两个垂直设置的导向立柱上，两个导轨分别固定设置于滑块的两侧，气缸底座设置于滑块的上方，电堆装配位置设置于滑块的下方。

3.根据权利要求1所述的燃料电池电堆的自动化装配装置，其特征是，所述的自动拔定位导杆装置包括：上压块、拉板和用于盛放燃料电池电堆的端板及托盘，其中：上压块与机架固定连接，两块端板设置于燃料电池电堆的上、下面并位于托盘内，拉板的两端分别与上压块和托盘固定连接，利用气缸顶杆的回复实现燃料电池电堆的位移，同步拔出定位导杆。

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