CN110289440B - 一种燃料电池组装装置及组装方法 - Google Patents

一种燃料电池组装装置及组装方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种燃料电池组装装置，包括下压装板、上压装板、内定位工装和施压装置，下压装板放置于施压装置上，燃料电池组装时，燃料电池电堆各个组成部件置于上压装板和下压装板之间，上压装板、燃料电池电堆各个组成部件以及下压装板通过内定位工装实现定位和固定。本发明同时提供了一种燃料电池组装方法。本发明利用内定位工装实现对角定位，保证电堆各组成部件对正的同时，提升了电堆组成部件的堆叠效率，精度高，密封配合偏差小，只需简单操作即可实现单体数很多的燃料电池电堆的组装和在线检测，同时当密封测试不合格时，直接在组装台上即可进行测试替换，可显著缩短电堆的组装和测试周期。

Description

一种燃料电池组装装置及组装方法
技术领域
本发明涉及一种质子交换膜燃料电池电堆的组装装置及组装方法，属于燃料电池技术领域。
背景技术
现有技术中，燃料电池集成主要依靠经验和手工装配，燃料电池堆组装通常是加压后紧固，工艺效率低、失误多。一般是将端板、缓冲板、导电板和多节单电池压紧后，通过拉条紧固，取出电堆后进行密封性能测试。
其不足是：1)电堆密封测试不合格时只能重新搬回压装台，卸除预紧力后进行检测，一般大功率电堆单体数量较多而且质量较重，容易导致装配反复，甚至损坏电池不具有检测的便利性，而且增加成本；2)外定位工装通过侧面挡板实现电堆的定位和固定，精度较低，密封配合偏差大，增大电堆接触电阻，气密效果差，影响电堆性能和使用寿命。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种燃料电池组装装置及组装方法。
本发明的技术解决方案是：
一种燃料电池组装装置，包括下压装板、上压装板、内定位工装和施压装置；
下压装板放置于施压装置上，下压装板中心与施压装置下压头对准；燃料电池组装时，燃料电池电堆各个组成部件置于上压装板和下压装板之间，上压装板、燃料电池电堆各个组成部件以及下压装板通过内定位工装实现定位和固定。
所述下压装板的四个角上加工有第一内定位孔；上压装板的四个角上，与下压装板内定位孔相对应的位置加工有第二内定位孔，内定位工装安装在下压装板四个第一内定位孔上，燃料电池组装时，内定位工装穿过燃料电池电堆各个组成部件上的组装定位孔，插入上压装板的第二内定位孔实现定位和固定。
所述下压装板上表面加工有三个密封盲孔，上压装板下表面上加工有三个密封盲孔，组装到位后，所述上压装板下表面的三个密封盲孔与燃料电池电堆上端板上的空气通道、氢气通道、液体通道一一对应，下压装板上表面的三个密封盲孔与燃料电池电堆下端板上的空气通道、氢气通道、液体通道一一对应。
所述每个密封盲孔由一个盲孔和一个与该盲孔同轴心的密封槽组成，且密封槽半径大于盲孔半径，密封槽内安装有密封圈；
组装到位后，所述上压装板下表面密封盲孔的密封圈分别与对应的燃料电池电堆上端板的空气通道、氢气通道、液体通道外端面贴合，下压装板上表面三个密封盲孔的密封圈分别与对应的燃料电池电堆下端板的空气通道、氢气通道、液体通道外端面贴合。
在所述上压装板的侧面加工有液体气密检测口、氢气气密检测口和空气气密检测口，所述液体气密检测口与上压装板下表面的第一密封盲孔相连通，所述第一密封盲孔与燃料电池电堆上端板的液体通道相对应；所述氢气密检测口与上压装板下表面的第二密封盲孔相连通，所述第二密封盲孔与燃料电池电堆上端板的氢气通道相对应；所述空气气密检测口与上压装板下表面的第三密封盲孔相连通，所述第三密封盲孔与燃料电池电堆上端板的空气通道相对应。
燃料电池电堆上端板和下端板的四个角上均设置有拉杆定位孔，组装到位后，拉杆通过紧固件固定在下端板和上端板的拉杆定位孔中，所述拉杆定位孔位于组装定位孔外侧。
内定位工装由四根立柱组成。
所述施压装置是压力机。
一种燃料电池组装方法，包括如下步骤：
(1)将下压装板放置于施压装置上，下压装板中心与施压装置下压头对准，下压装板四个角上的内定位孔上安装内定位工装；
(2)将燃料电池电堆下端板放置在下压装板上，内定位工装穿过燃料电池电堆下端板四个角上的组装定位孔；
(3)在燃料电池电堆下端板上依次堆叠下缓冲板、下导电板、电堆单体、上导电板、上缓冲板、上端板，每堆叠一个部件，内定位工装穿过该部件四个角上的组装定位孔；
(4)拉杆通过紧固件固定在燃料电池电堆下端板和上端板的拉杆定位孔中；
(5)在上端板的上方放置上压装板，内定位工装穿过上压装板四个角上的内定位盲孔，实现固定；
(6)施压装置向上压装板、内定位工装内的上端板、上缓冲板、上导电板、电堆单体、下导电板、下缓冲板、下端板和下压装板施压至设定压力，并保持压力；
(7)对拉杆和紧固件施加力矩至目标值；
(8)通过上压装板的液体气密检测口、氢气密检测口和空气气密检测口，测试电堆密封性能，测试通过，则进入步骤(9)，否则进行故障定位，并将故障单体替换；
(9)在保持设定压力值下，撤出内定位工装；
(10)撤掉施压装置的压力，拆卸上压装板，取出组装完的燃料电池堆，得到组装完成的燃料电池。
所述步骤(8)中，进行故障定位的方法如下：
(s1)在保持设定压力值下，拆卸拉杆和紧固件；
(s2)撤掉施压装置的压力，拆卸上压装板，取出燃料电池堆一半的电堆单体，安装拉杆和紧固件、上压装板；
(s3)利用施压装置施压至设定压力，并保持压力，进入(s4)；
(s4)对拉杆和紧固件施加力矩至目标值，进入(s5)；
(s5)通过上压装板的液体气密检测口、氢气密检测口和空气气密检测口，测试电堆密封性能，如果测试不通过，则再取出当前电堆单体的一半，执行(s3)；测试通过，则将电堆单体替换为当前测试电堆单体对应的另一半的一半，执行(s3)；直到找到有问题的电堆单体。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
(1)本发明利用内定位工装实现对角定位，保证电堆各组成部件对正的同时，大幅提升了电堆组成部件的堆叠效率，精度高，密封配合偏差小，提升了气密效果，提高了电堆性能和使用寿命。
(2)本发明上压装板与上端板四侧贴合，在保证拉杆紧固件施加力矩便捷的同时，施压装置上压头施加的压力通过上压装板作用在上端板上，实现了压力的均匀分配。
(3)本发明只需简单操作即可实现单体数很多的燃料电池电堆的组装和在线检测，同时当密封测试不合格时，不需要重新搬回压装台，而是直接在组装台上进行测试替换，可显著缩短电堆的组装和测试周期。
(4)在电堆装配过程中，施压装置对上压装板施加压力后，对拉杆和紧固件施加力矩至目标值，电堆整体平整度有较大幅度的提升，不易引起隆起，有利保证电堆组装后电堆组成部件间受力分布均匀，降低接触电阻，提升电堆寿命。
附图说明
图1为本发明燃料电池组装装置示意图；
图2为下压装板上表面示意图；
图3为上压装板示意图，其中(a)为上压装板下表面示意图，(b)为上压装板左侧面示意图，(c)为上压装板前侧面或后侧面示意图，(d)为上压装板右侧面示意图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
如图1所示，本发明提出一种燃料电池组装装置，包括下压装板1、上压装板2、内定位工装3和施压装置4。下压装板1放置于施压装置4上，下压装板1中心与施压装置4下压头对准。如图2所示，下压装板1的四个角上加工有第一内定位孔11。如图3中(a)所示，上压装板2的四个角上，与下压装板1内定位孔相对应的位置加工有第二内定位孔21，内定位工装3安装在四个第一内定位孔中，燃料电池组装时，内定位工装3穿过燃料电池电堆各个组成部件上的组装定位孔，最终插入上压装板2的第二内定位孔实现定位和固定。
如图2所示，上压装板2下表面上加工有三个密封盲孔，分别记为第一密封盲孔、第二密封盲孔和第三密封盲孔。下压装板1上表面加工有三个密封盲孔，分别记为第四密封盲孔、第五密封盲孔和第六密封盲孔。每个密封盲孔由一个盲孔和一个与该盲孔同轴心的密封槽组成，且密封槽半径大于盲孔半径，密封槽内安装有密封圈。如下压装板上表面的一个密封盲孔就包括盲孔12、密封槽13和密封圈14，如图2所示。上压装板下表面的一个密封盲孔就包括盲孔22、密封槽23和密封圈24，如图3中(a)所示。
组装到位后，上压装板2下表面的三个密封盲孔与燃料电池电堆上端板上的空气通道、氢气通道、液体通道一一对应，下压装板1上表面的三个密封盲孔与燃料电池电堆下端板上的空气通道、氢气通道、液体通道一一对应。
如图3中(b)、(c)、(d)所示，在上压装板2的侧面加工有液体气密检测口25、氢气气密检测口26和空气气密检测口27，液体气密检测口25、氢气气密检测口26和空气气密检测口27分别位于上压装板不同的侧面。设第一密封盲孔与燃料电池电堆上端板的液体通道相对应，第二密封盲孔与燃料电池电堆上端板的氢气通道相对应，第三密封盲孔与燃料电池电堆上端板的空气通道相对应，则液体气密检测口25与上压装板2下表面的第一密封盲孔相连通，氢气密检测口26与上压装板2下表面的第二密封盲孔相连通，空气气密检测口27与上压装板2下表面的第三密封盲孔相连通。
组装到位后，上压装板2下表面第一密封盲孔的密封圈与燃料电池电堆上端板的液体通道外端面贴合，第二密封盲孔与燃料电池电堆上端板的氢气通道外端面贴合，第三密封盲孔与燃料电池电堆上端板的空气通道外端面贴合。
设下压装板1上表面第四密封盲孔与燃料电池电堆下端板的液体通道相对应，第五密封盲孔与燃料电池电堆下端板的氢气通道相对应，第六密封盲孔与燃料电池电堆下端板的空气通道相对应，则第四密封盲孔的密封圈与燃料电池电堆下端板的液体通道外端面贴合，第五密封盲孔的密封圈与燃料电池电堆上端板的氢气通道外端面贴合，第六密封盲孔的密封圈与燃料电池电堆上端板的空气通道外端面贴合。
燃料电池电堆上端板和下端板的四个组装定位孔外侧均设置有拉杆定位孔，组装到位后，拉杆通过紧固件固定在下端板和上端板的拉杆定位孔中。
内定位工装3由四根立柱组成。施压装置4是压力机。
基于上述装置，本发明提出了一种燃料电池组装方法，包括如下步骤：
(1)将下压装板1放置于施压装置4上，下压装板1中心与施压装置4下压头对准，下压装板1四个角上的内定位孔11上安装内定位工装3；
(2)将燃料电池电堆下端板放置在下压装板上，内定位工装3穿过燃料电池电堆下端板四个角上的组装定位孔；
(3)在燃料电池电堆下端板上依次堆叠下缓冲板、下导电板、电堆单体、上导电板、上缓冲板、上端板，每堆叠一个部件，内定位工装3穿过该部件四个角上的组装定位孔；
(4)拉杆通过紧固件固定在燃料电池电堆下端板和上端板的拉杆定位孔中；
(5)在上端板的上方放置上压装板2，内定位工装3穿过上压装板2四个角上的内定位盲孔，实现固定；
(6)施压装置4向上压装板2、内定位工装3内的上端板、上缓冲板、上导电板、电堆单体、下导电板、下缓冲板、下端板和下压装板1施压至设定压力，并保持压力；
(7)对拉杆和紧固件施加力矩至目标值；
(8)通过上压装板的液体气密检测口25、氢气密检测口26和空气气密检测口27，测试电堆密封性能，测试通过，则进入步骤(9)，否则进行故障定位，并将故障单体替换；
(9)在保持设定压力值下，撤出内定位工装3；
(10)撤掉施压装置4的压力，拆卸上压装板，取出组装完的燃料电池堆，得到组装完成的燃料电池。
步骤(8)中，进行故障定位的方法如下：
(s1)在保持设定压力值下，拆卸拉杆和紧固件；
(s2)撤掉施压装置4的压力，拆卸上压装板，取出燃料电池堆一半的电堆单体，安装拉杆和紧固件、上压装板2；
(s3)利用施压装置4施压至设定压力，并保持压力，进入(s4)；
(s4)对拉杆和紧固件施加力矩至目标值，进入(s5)；
(s5)通过上压装板2的液体气密检测口25、氢气密检测口26和空气气密检测口27，测试电堆密封性能，如果测试不通过，则再取出当前电堆单体的一半，执行(s3)；测试通过，则将电堆单体替换为当前测试电堆单体对应的另一半的一半，执行(s3)；如此重复，直到找到有问题的电堆单体。
本发明提出了一种合理有效的高精度、高可靠、便于在线检测的燃料电池电堆组装装置和组装方法，解决了燃料电池电堆组装的难题。
实施例：
以组装100节单电池的燃料电池电堆为例。
首先在YTK32-8型压力机固定的下压头上，将下压装板1对准固定，将内定位工装3安装在下压装板上，将燃料电池电堆下端板放在下压装板1上，将内定位工装3穿过燃料电池堆下端板四个角的组装定位孔，将电堆下缓冲板、下导电板、电堆单体、上导电板、上缓冲板、上端板等按次序在内定位工装3上整齐堆叠，最后将上压装板2安放在上端板上，通过压力机向上压装板2和上压装板2内的燃料电池电堆施加压装力30kN，对电堆拉杆和紧固件施加力矩至目标值10KN；上压装板2的三类气密检测口分别接入气密测试管，并提供目标压力气源，按照设定检测流程测试电堆气密性，气密测试完成后，撤掉压力气源和气密测试管，缓慢撤掉压装力；气密测试合格则取出上压装板2、内定位工装3和电堆，电堆组装完成；气密测试不合格则按照设计维修流程在压力机上在线进行故障定位，并进行替换，直至电堆组装完成。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。
本发明未详细说明部分属于本领域技术人员公知常识。

Claims (8)

1.一种燃料电池组装方法，其特征在于：利用燃料电池组装装置实现，所述燃料电池组装装置包括下压装板(1)、上压装板(2)、内定位工装(3)和施压装置(4)；
下压装板(1)放置于施压装置(4)上，下压装板(1)中心与施压装置(4)下压头对准；燃料电池组装时，燃料电池电堆各个组成部件置于上压装板(2)和下压装板(1)之间，上压装板(2)、燃料电池电堆各个组成部件以及下压装板(1)通过内定位工装(3)实现定位和固定；
所述下压装板(1)的四个角上加工有第一内定位孔(11)；上压装板(2)的四个角上，与下压装板(1)内定位孔相对应的位置加工有第二内定位孔(21)，内定位工装(3)安装在下压装板(1)四个第一内定位孔上，燃料电池组装时，内定位工装(3)穿过燃料电池电堆各个组成部件上的组装定位孔，插入上压装板(2)的第二内定位孔实现定位和固定；
所述燃料电池组装方法，包括如下步骤：
(1)将下压装板(1)放置于施压装置(4)上，下压装板(1)中心与施压装置(4)下压头对准，下压装板(1)四个角上的内定位孔(11)上安装内定位工装(3)；
(2)将燃料电池电堆下端板放置在下压装板上，内定位工装(3)穿过燃料电池电堆下端板四个角上的组装定位孔；
(3)在燃料电池电堆下端板上依次堆叠下缓冲板、下导电板、电堆单体、上导电板、上缓冲板、上端板，每堆叠一个部件，内定位工装(3)穿过该部件四个角上的组装定位孔；
(4)拉杆通过紧固件固定在燃料电池电堆下端板和上端板的拉杆定位孔中；
(5)在上端板的上方放置上压装板(2)，内定位工装(3)穿过上压装板(2)四个角上的第二内定位孔，实现固定；
(6)施压装置(4)向上压装板(2)、内定位工装(3)内的上端板、上缓冲板、上导电板、电堆单体、下导电板、下缓冲板、下端板和下压装板(1)施压至设定压力，并保持压力；
(7)对拉杆和紧固件施加力矩至目标值；
(8)通过上压装板的液体气密检测口(25)、氢气气密检测口(26)和空气气密检测口(27)，测试电堆密封性能，测试通过，则进入步骤(9)，否则进行故障定位，并将故障单体替换；
(9)在保持设定压力值下，撤出内定位工装(3)；
(10)撤掉施压装置(4)的压力，拆卸上压装板，取出组装完的燃料电池堆，得到组装完成的燃料电池。
2.根据权利要求1所述的一种燃料电池组装方法，其特征在于：所述下压装板(1)上表面加工有三个密封盲孔，上压装板(2)下表面上加工有三个密封盲孔，组装到位后，所述上压装板(2)下表面的三个密封盲孔与燃料电池电堆上端板上的空气通道、氢气通道、液体通道一一对应，下压装板(1)上表面的三个密封盲孔与燃料电池电堆下端板上的空气通道、氢气通道、液体通道一一对应。
3.根据权利要求2所述的一种燃料电池组装方法，其特征在于：所述每个密封盲孔由一个盲孔和一个与该盲孔同轴心的密封槽组成，且密封槽半径大于盲孔半径，密封槽内安装有密封圈；
组装到位后，所述上压装板(2)下表面密封盲孔的密封圈分别与对应的燃料电池电堆上端板的空气通道、氢气通道、液体通道外端面贴合，下压装板(1)上表面三个密封盲孔的密封圈分别与对应的燃料电池电堆下端板的空气通道、氢气通道、液体通道外端面贴合。
4.根据权利要求2所述的一种燃料电池组装方法，其特征在于：在所述上压装板(2)的侧面加工有液体气密检测口(25)、氢气气密检测口(26)和空气气密检测口(27)，所述液体气密检测口与上压装板(2)下表面的第一密封盲孔相连通，所述第一密封盲孔与燃料电池电堆上端板的液体通道相对应；所述氢气气密检测口与上压装板(2)下表面的第二密封盲孔相连通，所述第二密封盲孔与燃料电池电堆上端板的氢气通道相对应；所述空气气密检测口与上压装板(2)下表面的第三密封盲孔相连通，所述第三密封盲孔与燃料电池电堆上端板的空气通道相对应。
5.根据权利要求1所述的一种燃料电池组装方法，其特征在于：燃料电池电堆上端板和下端板的四个角上均设置有拉杆定位孔，组装到位后，拉杆通过紧固件固定在下端板和上端板的拉杆定位孔中，所述拉杆定位孔位于组装定位孔外侧。
6.根据权利要求1所述的一种燃料电池组装方法，其特征在于：内定位工装(3)由四根立柱组成。
7.根据权利要求1所述的一种燃料电池组装方法，其特征在于：所述施压装置(4)是压力机。
8.根据权利要求7所述的一种燃料电池组装方法，其特征在于：所述步骤(8)中，进行故障定位的方法如下：
(s1)在保持设定压力值下，拆卸拉杆和紧固件；
(s2)撤掉施压装置(4)的压力，拆卸上压装板，取出燃料电池堆一半的电堆单体，安装拉杆和紧固件、上压装板2；
(s3)利用施压装置(4)施压至设定压力，并保持压力，进入(s4)；
(s4)对拉杆和紧固件施加力矩至目标值，进入(s5)；
(s5)通过上压装板(2)的液体气密检测口(25)、氢气气密检测口(26)和空气气密检测口(27)，测试电堆密封性能，如果测试不通过，则再取出当前电堆单体的一半，执行(s3)；测试通过，则将电堆单体替换为当前测试电堆单体对应的另一半的一半，执行(s3)；直到找到有问题的电堆单体。
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