CN110492163A - 一种燃料电池电堆及其装配方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种燃料电池电堆及其装配方法，其中燃料电池电堆包括下端板、上端板以及设于两者之间的集流板、双极板、密封垫和膜电极组件；所述下端板和上端板上对应设有多个限位孔，所述限位孔至少分布在下端板和上端板的相邻长边和窄边上，且每边的数量至少为两个；所述集流板、双极板和膜电极组件上设有与限位孔相对应的多个限位槽；还包括限位杆和螺栓组件，所述限位杆与限位孔、限位槽配合实现电堆装配定位，所述螺栓组件对装配后的电堆进行压紧。该电堆能够实现无需装配台进行装配，组装方便快捷，便于柔性生产及售后维修，且能够实现端板设计不受装配台和双极板等零部件尺寸限制，端板设计具有更大的灵活性。

Description

一种燃料电池电堆及其装配方法

技术领域

本发明涉及燃料电池领域，具体涉及一种自带定位的燃料电池电堆及其装配方法。

背景技术

燃料电池电堆主要由端板、绝缘板、集流板、双极板、密封垫、膜电极组件、紧固螺栓组成；其中双极板、密封垫、膜电极组件的数量重复越多，对应的燃料电池电堆功率越大，三者的数量也就越多。在装配过程中，需要保证所有的零件整齐归一的堆叠起来，然后进行压紧并锁紧；零件数量越多，对堆叠的要求越高。

现有的电堆装配主要依托专用的装配台进行装配。装配台主要由底板、限位挡板等组成，限位挡板通过螺栓等固定连接到底板上，至少在相邻的两面都设置限位挡板，确保电堆零部件的长边和窄边都能同时依靠，然后依次堆叠电堆的零部件。如专利CN201510839778.6中所述，装配前组装好装配用工装，包括底板固定板、限位部件、固定框，然后将电堆零部件依次放进去进行装配；装配完成后在拆解装配工装。

现有技术中的电堆在装配过程中都需要借助装配台，而装配台成本高，组装要求也非常高，组装耗时较长，同时一个装配台只能装一个类型的电堆，不利于多工位同时工作和柔性生产，离开装配台无法进行装配，不利于售后维修；由于借助装配台进行装配，电堆的端板与双极板在长边和窄边上都设计有尺寸相同的区域，用于装配过程中依靠在装配台的限位挡板上，使端板的设计受到装配台和双极板等零部件尺寸的限制。

发明内容

本发明目的在于：针对现有技术中的电堆在组装时必须依赖装配台，而装配台成本高，组装耗时长，不利于柔性生产及售后维修，且使端板的设计受到装配台和双极板等零部件尺寸限制的问题，提供一种燃料电池电堆及其装配方法，该电堆能够实现无需装配台进行装配，组装方便快捷，便于柔性生产及售后维修，且能够实现端板设计不受装配台和双极板等零部件尺寸限制。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种燃料电池电堆，包括下端板、上端板以及设于两者之间的集流板、双极板、密封垫和膜电极组件；所述下端板和上端板上对应设有多个限位孔，所述限位孔至少分布在下端板和上端板的相邻长边和窄边上，且每边的数量至少为两个；所述集流板、双极板和膜电极组件上设有与限位孔相对应的多个限位槽；还包括限位杆和螺栓组件，所述限位杆与限位孔、限位槽配合实现电堆装配定位，所述螺栓组件对装配后的电堆进行压紧。

本发明通过在下端板和上端板上对应设置多个限位孔，所述限位孔至少分布在下端板和上端板的相邻长边和窄边上，且每边的数量至少为两个；并在集流板、双极板和膜电极组件上设置与限位孔相对应的多个限位槽；装配时通过限位杆与限位孔、限位槽配合实现电堆零件定位，并采用螺栓组件对装配后的电堆进行压紧；该电堆通过在各零部件上设计限位孔或限位槽，并设置少量的限位杆，从而实现可无需依赖装配台进行装配，组装方便快捷，装配成本较低，且便于柔性生产及售后维修，同时能够实现端板设计不受装配台和双极板等零部件尺寸限制，端板设计具有更大的灵活性。

作为本发明的优选方案，所述限位杆为圆柱体，所述限位槽为与限位杆适配的半圆槽。通过采用圆柱体限位杆以及半圆形限位槽，从而在电堆装配时实现对集流板、双极板和膜电极组件的定位。

作为本发明的优选方案，所述限位槽的圆心位于集流板、双极板和膜电极组件对应的长边或窄边的边线上。在装配集流板、双极板和膜电极组件时，便于限位槽卡在限位杆上实现定位。

作为本发明的优选方案，所述限位杆包括杆头、杆体和杆尾三段，其中，所述杆头连于下端板上的限位孔中，所述杆体与集流板、双极板和膜电极组件上的限位槽配合。通过将限位杆设计为杆头、杆体和杆尾三段，而杆头用于与下端板上的限位孔相连，杆体用于与集流板、双极板和膜电极组件上的限位槽接触配合，杆尾用于在电堆装配完毕后将限位杆从电堆取出。

作为本发明的优选方案，所述杆体上设置有减磨涂层或者套管，用于装配定位时减少电堆各零件与杆体之间的磨损。

作为本发明的优选方案，所述杆头与下端板上的限位孔可拆卸式连接，便于在电堆装配完毕后将限位杆从电堆取出。

作为本发明的优选方案，所述杆体的直径大于杆头的直径，且杆体的直径小于或等于杆尾的直径，杆尾的直径小于上端板上的限位孔直径，使限位杆能够便捷的从限位孔中穿过，便于电堆装配完毕后取出限位杆。

作为本发明的优选方案，所述杆头的长度小于下端板上限位孔的深度，所述限位杆的长度大于电堆所有零部件堆叠完成以后的高度，且杆尾位于上端板以外，既满足限位杆与下端板的连接，又便于用工具拆卸限位杆。

作为本发明的优选方案，所述集流板为覆铜板，用于收集电流及阻断电流传向下端板和上端板。

一种燃料电池电堆装配方法，包括以下步骤：

步骤一、将限位杆与下端板上的限位孔相连；

步骤二、将集流板、双极板、密封垫、膜电极组件装配到下端板上，装配时通过限位槽与限位杆配合对集流板、双极板和膜电极组件进行定位；

步骤三、将上端板上的限位孔穿过限位杆，并通过螺栓组件连接上端板与下端板将电堆的所有零部件压紧；

步骤四、将限位杆从电堆取出。

本方法通过步骤一～步骤四实现燃料电池电堆的装配，且装配时通过各零件上的限位孔或限位槽，并设置少量的限位杆，从而无需依赖装配台进行装配，组装方便快捷，装配成本较低，且便于柔性生产及售后维修，同时能保证电堆各零件的装配定位准确。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

1、本发明通过在下端板和上端板上对应设置多个限位孔，所述限位孔至少分布在下端板和上端板的相邻长边和窄边上，且每边的数量至少为两个；并在集流板、双极板和膜电极组件上设置与限位孔相对应的多个限位槽；装配时通过限位杆与限位孔、限位槽配合实现电堆零件定位，并采用螺栓组件对装配后的电堆进行压紧；该电堆通过在各零部件上设计限位孔或限位槽，并设置少量的限位杆，从而实现可无需依赖装配台进行装配，组装方便快捷，装配成本较低，且便于柔性生产及售后维修，同时能够实现端板设计不受装配台和双极板等零部件尺寸限制，端板设计具有更大的灵活性；

2、通过将限位杆设计为杆头、杆体和杆尾三段，而杆头用于与下端板上的限位孔相连，杆体用于与集流板、双极板和膜电极组件上的限位槽接触配合，杆尾用于在电堆装配完毕后将限位杆从电堆取出；

3、本方法通过步骤一～步骤四实现燃料电池电堆的装配，且装配时通过各零件上的限位孔或限位槽，并设置少量的限位杆，从而无需依赖装配台进行装配，组装方便快捷，装配成本较低，且便于柔性生产及售后维修，同时能保证电堆各零件的装配定位准确。

附图说明

图1是本发明装置的装配完成后的电堆轴向视图；

图2是本发明装置的下端板的正向视图；

图3是本发明装置的集流板的正向视图；

图4是本发明装置的双极板的正向视图；

图5是本发明装置的膜电极组件的正向视图；

图6是本发明装置的上端板的正向视图；

图7是本发明装置的限位杆的第一种结构的轴向视图；

图8是本发明装置的限位杆的第二种结构的轴向视图；

图9是本发明装置的装配开始时的轴向视图；

图10是本发明装置的装配过程中的轴向视图；

图11是本发明装置的装配结束时的轴向视图。

图中标记：下端板1，限位孔11、安装孔12、物料通道13、密封槽14、下端板体15；集流板2，限位槽21、物料通道22、集流板体23；双极板3，限位槽31、物料通道32、流道33、密封槽34、双极板体35；膜电极组件4，限位槽41、物料通道42、密封边框43、活性区域44；上端板5，限位孔51、安装孔52、物料通道53、上端板体55；螺栓组件6，螺杆61、螺母62；限位杆7，杆头71、杆体72、杆尾73；密封垫8。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明作详细的说明。

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1

本实施例提供一种燃料电池电堆；

如图1-图11所示，本实施例中的燃料电池电堆，包括下端板1、上端板5以及设于两者之间的集流板2、双极板3、密封垫8和膜电极组件4；所述下端板1和上端板5上对应设有多个限位孔，所述限位孔至少分布在下端板和上端板的相邻长边和窄边上，且每边的数量至少为两个；所述集流板2、双极板3和膜电极组件4上设有与限位孔相对应的多个限位槽；还包括限位杆7和螺栓组件6，所述限位杆7与限位孔、限位槽配合实现电堆装配定位，所述螺栓组件6对装配后的电堆进行压紧。

本发明通过在下端板和上端板上对应设置多个限位孔，所述限位孔至少分布在下端板和上端板的相邻长边和窄边上，且每边的数量至少为两个；并在集流板、双极板和膜电极组件上设置与限位孔相对应的多个限位槽；装配时通过限位杆与限位孔、限位槽配合实现电堆零件定位，并采用螺栓组件对装配后的电堆进行压紧；该电堆通过在各零部件上设计限位孔或限位槽，并设置少量的限位杆，从而实现可无需依赖装配台进行装配，组装方便快捷，装配成本较低，且便于柔性生产及售后维修，同时能够实现端板设计不受装配台和双极板等零部件尺寸限制，端板设计具有更大的灵活性。

本实施例中，所述下端板1由限位孔11、安装孔12、物料通道13、密封槽14、下端板体15组成。所述限位孔11至少分布在端板体15相邻的长边和窄边上，每边的数量至少为2个；同一边上的两限位孔11之间的距离不做限定，大于5mm即可。

本实施例中，所述集流板2由限位槽21、物料通道22、集流板体23组成。限位槽21分布在集流板体23相邻的长边和窄边上，每边的数量和位置与下端板1上的限位孔11相对应。集流板2具有收集电流和绝缘的功能，贴合双极板3的一侧为导电侧，能够收集电流；对应的贴合下端板1和上端板5的一侧为绝缘侧，能够阻断电流传向下端板1和上端板5；优选为覆铜板，但不限于此。

本实施例中，所述双极板3由限位槽31、物料通道32、流道33、密封槽34、双极板体35组成。限位槽31分布在双极板体35相邻的长边和窄边上，每边的数量和位置与下端板1上的限位孔11相对应。

本实施例中，所述膜电极组件4由限位槽41、物料通道42、密封边框43、活性区域44组成。限位槽41分布在密封边框43相邻的长边和窄边上，每边的数量和位置与下端板1上的限位孔11相对应。

本实施例中，所述上端板5由限位孔51、安装孔52、物料通道53、上端板体55组成。限位孔51为通孔，分布在上端板体55相邻的长边和窄边上，每边的数量和位置与下端板1上的限位孔11相对应。

本实施例中，所述螺栓组件6由螺杆61、螺母62组成。螺杆61位于下端板1和上端板5之间的区域表面带有绝缘层。所述密封垫8根据下端板1上的密封槽14、双极板3上的密封槽34等进行设计。

本实施例中，所述限位杆7包括杆头71、杆体72和杆尾73三段。为了便于拆卸，杆体72的直径大于杆头71的直径，杆体72的直径小于或等于杆尾73的直径。杆头71主要用于固定在下端板的限位孔11中，杆体72用于对集流板2、双极板3、膜电极组件4进行限位装配，杆尾73用于装配完成后取出限位杆。所述限位杆7的杆尾73的直径小于上端板5上的限位孔51的直径；限位杆7能够便捷的从限位孔51中穿过。

本实施例中，所述限位杆7的杆头71与下端板1上的限位孔11为可拆卸式连接，包括但不限于螺纹副连接、过盈配合连接；且连接后限位杆与下端板两者处于垂直状态。限位杆7结构设计上具有非常强的抗弯曲能力，可以采用合金钢、铝合金等材料。

本实施例中，所述限位杆7的杆头71长度小于下端板1的限位孔11的深度；限位杆7的长度大于电堆的所有零部件堆叠完成以后的高度，且杆尾73位于上端板5以外，既满足限位杆与下端板的连接，又便于用工具拆卸限位杆。

本实施例中，所述限位杆7的杆体72的形状与集流板2上的限位槽21、双极板3上的限位槽31、膜电极组件4上的限位槽41形状相同。优选的，杆体72为圆柱体，而集流板2上的限位槽21、双极板3上的限位槽31、膜电极组件4上的限位槽41为对应的半圆槽，圆柱体的直径等于半圆槽的直径；半圆槽的圆心位于对应的长边或窄边的边线上。为了减少杆体72与电堆零部件的摩擦，杆体72上优选的设计有减磨涂层或者套管。

本实施例中，所述下端板1上的限位孔11、集流板2上的限位槽21、双极板3上的限位槽31、膜电极组件4上的限位槽41、上端板5上的限位孔51从下到上一一对应，且同一方向的轴线重合，确保装配之后边缘齐整；同时均设计在密封垫8之外，不影响电堆的气密性为佳。

实施例2

本实施例提供一种如实施例1中所述的燃料电池电堆装配方法，包括以下步骤：

步骤一、将限位杆7与下端板1通过螺纹副进行固联；限位杆7采用图7的设计，杆头71为外螺纹杆、杆尾73为六角头或四角头或其它可旋转结构，因此对应的下端板1上的限位孔11为内螺纹孔；固联完成后如图9所示。

步骤二、将集流板2、双极板3、膜电极组件4、密封垫8装配到下端板1上；装配过程中使所有的限位槽21、限位槽31、限位槽41刚好接触到对应的限位杆7的杆体72；通过圆柱体与半圆槽的自定位，保证了各零部件的边缘整齐；集流板2的数量为至少上下各一块，双极板3、膜电极组件4、密封垫8的数据根据实际设计的电堆功率大小进行确定；装配过程中如图10所示。

步骤三、将上端板5的限位孔51穿过限位杆7的杆尾73；接着螺栓组件6穿过下端板1的安装孔11、上端板5的安装孔51，然后拧紧螺母62，利用下端板1、上端板5之间的夹紧力锁紧电堆的所有零部件；螺栓组件6的预紧力可以通过交叉拧紧螺母62实现，也可以在上端板5上施加一定的压力，压紧上端板5后再拧紧螺母62；装配结束时如图11所示。

步骤四、通过工具旋转限位杆7的杆尾73，将限位杆7取出；至此，整个电堆装配生产完成，如图1所示。

实施例3

本实施例提供另一种如实施例1中所述的燃料电池电堆装配方法，包括以下步骤：

步骤一、将限位杆7与下端板1通过过盈配合进行固联；限位杆7采用图8的设计，杆头71为圆柱体、杆尾73为具有一圈环形凹槽或其它可撬结构，因此对应的下端板1上的限位孔11为圆柱孔；固联完成后如图9所示。

步骤二、将集流板2、双极板3、膜电极组件4、密封垫8装配到下端板1上；装配过程中使所有的限位槽21、限位槽31、限位槽41刚好接触到对应的限位杆7的杆体72；通过圆柱体与半圆槽的自定位，保证了各零部件的边缘整齐；集流板2的数量为至少上下各一块，双极板3、膜电极组件4、密封垫8的数据根据实际设计的电堆功率大小进行确定；装配过程中如图10所示。

步骤三、将上端板5的限位孔51穿过限位杆7的杆尾73；接着螺栓组件6穿过下端板1的安装孔11、上端板5的安装孔51，然后拧紧螺母62，利用下端板1、上端板5之间的夹紧力锁紧电堆的所有零部件；螺栓组件6的预紧力可以通过交叉拧紧螺母62实现，也可以在上端板5上施加一定的压力，压紧上端板5后再拧紧螺母62；装配结束时如图11所示。

步骤四、通过工具向上拉限位杆7的杆尾73或者向上撬限位杆7的杆尾73，将限位杆7取出；至此，整个电堆装配生产完成，如图1所示。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的原理之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种燃料电池电堆，其特征在于，包括下端板、上端板以及设于两者之间的集流板、双极板、密封垫和膜电极组件；所述下端板和上端板上对应设有多个限位孔，所述限位孔至少分布在下端板和上端板的相邻长边和窄边上，且每边的数量至少为两个；所述集流板、双极板和膜电极组件上设有与限位孔相对应的多个限位槽；还包括限位杆和螺栓组件，所述限位杆与限位孔、限位槽配合实现电堆装配定位，所述螺栓组件对装配后的电堆进行压紧。

2.根据权利要求1所述的燃料电池电堆，其特征在于，所述限位杆为圆柱体，所述限位槽为与限位杆适配的半圆槽。

3.根据权利要求2所述的燃料电池电堆，其特征在于，所述限位槽的圆心位于集流板、双极板和膜电极组件对应的长边或窄边的边线上。

4.根据权利要求1-3之一所述的燃料电池电堆，其特征在于，所述限位杆包括杆头、杆体和杆尾三段，其中，所述杆头连于下端板上的限位孔中，所述杆体与集流板、双极板和膜电极组件上的限位槽配合。

5.根据权利要求4所述的燃料电池电堆，其特征在于，所述杆体上设置有减磨涂层或者套管。

6.根据权利要求4所述的燃料电池电堆，其特征在于，所述杆头与下端板上的限位孔可拆卸式连接。

7.根据权利要求4所述的燃料电池电堆，其特征在于，所述杆体的直径大于杆头的直径，且杆体的直径小于或等于杆尾的直径，杆尾的直径小于上端板上的限位孔直径。

8.根据权利要求7所述的燃料电池电堆，其特征在于，所述杆头的长度小于下端板上限位孔的深度，所述限位杆的长度大于电堆所有零部件堆叠完成以后的高度，且杆尾位于上端板以外。

9.根据权利要求1所述的燃料电池电堆，其特征在于，所述集流板为覆铜板，用于收集电流及阻断电流传向下端板和上端板。

10.一种如权利要求1-9中任一项所述的燃料电池电堆装配方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、将限位杆与下端板上的限位孔相连；

步骤二、将集流板、双极板、密封垫、膜电极组件装配到下端板上，装配时通过限位槽与限位杆配合对集流板、双极板和膜电极组件进行定位；

步骤三、将上端板上的限位孔穿过限位杆，并通过螺栓组件连接上端板与下端板将电堆的所有零部件压紧；

步骤四、将限位杆从电堆取出。