CN111463466A - 一种具有复合功能的自适应燃料电池装配结构 - Google Patents

一种具有复合功能的自适应燃料电池装配结构 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种具有复合功能的自适应燃料电池装配结构，包括由壳体(1)，盖板(2)，可调端板(3)和缓冲端板(4)组成的箱体式装配壳体，待装配双极板和膜电极组(6)置于所述箱体式装配壳体内，其中，所述的壳体(1)内设有限位条(5)，通过限位条(5)与壳体(1)和盖板(2)的配合对双极板和膜电极组(6)进行定位，通过可调端板(3)对电池总体厚度进行微调，通过缓冲端板(4)提供装配压力。与现有技术相比，本发明实现了装配过程中电堆装配力的均匀，可以实时进行泄露检测，该装置操作简单，装配效率高，集成化程度高，可满足燃料电池的快速装配。

Description

一种具有复合功能的自适应燃料电池装配结构
技术领域
本发明属于燃料电池技术领域，涉及一种具有复合功能的自适应燃料电池装配结构，尤其是涉及一种利用装配结构本身进行外定位固定并将巡检集成在结构中，装配过程中可对电池总体厚度进行微调并可以随时进行泄漏检测的燃料电池装配结构。
背景技术
燃料电池是一种能量转换装置，将贮存在燃料和氧化剂中的化学能直接转化为电能。质子交换膜燃料电池(proton exchange membrane fuel cell,PEMFC)是以全氟磺酸型固体聚合物为电解质，铂/炭或铂-钌/炭等为电催化剂，氢或净化重整气为氧化剂，带有流动通道的石墨或表面改性的金属板为双极板。其反应原理是阳极催化层中的氢气在催化剂作用下发生电极反应，电极反应产生的电子经外电路到达阴极，氢离子则经质子交换膜到达阴极，氧气与氢离子及电子在阴极发生反应生成水。一节典型的燃料电池的输出电压约为1伏，为了达到一个较高的电压通常将多节燃料电池集成在一起串联形成燃料电池堆。
现有的燃料电池由多个单电池串联而成，每块单电池由单极板和膜电极组成。目前的燃料电池堆装配技术将相邻单电池的上下单极板合并为双极板，双极板和膜电极交错堆叠，通过前端板、后端板和拉杆紧固在一起，形成燃料电池电堆。但是这种装配方式在存在很多问题：由于电极和双极板厚度存在一定的偏差，且受集中载荷夹紧，电堆的装配力分布会存在一定不均匀的情况；且单元电池电压信号通常采用巡检线检测，安装复杂，运行一段时间后又会由于组件老化等引起电堆压力不足的情况。因此，需要在电堆安装过程中实时监测泄露情况，同时要对老化造成的压力不足进行补充。
经对现有技术的文献检索发现，中国发明专利CN105304925A通过四周增加垂直的限位条确保极板和膜电极安装位置正确，但未能解决装配力不均匀等问题。中国发明专利CN104538663A通过设计可调节长度的侧面杆件施加额外压力，以应对使用过程中密封组件的老化松动导致装配力不足的问题，但仍未解决螺杆装配受力点单一导致的分布不均匀问题。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种具有复合功能的自适应燃料电池装配结构。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种具有复合功能的自适应燃料电池装配结构，其特征在于，包括由壳体(1)，盖板(2)，可调端板(3)和缓冲端板(4)组成的箱体式装配壳体，待装配双极板和膜电极组(6)置于所述箱体式装配壳体内，电池内部主体部分采用外定位的方式进行固定，即通过将限位条安装在壳体和盖板的沟槽中，与双极板和膜电极组中设计的沟槽相匹配实现定位。具体来说，所述的壳体(1)内设有限位条(5)，通过限位条(5)与壳体(1)和盖板(2)的配合对双极板和膜电极组(6)进行定位，通过可调端板(3)对电池总体厚度进行微调，通过缓冲端板(4)提供合适的装配压力。
所述的壳体(1)结构为“匚”字型结构，其内表面设有定位槽和安装限位条(5)的沟槽。燃料电池装配时，先将“匚”字型壳体与可调端板和缓冲端板装配好，将双极板和膜电极组通过限位条固定。通过可调端板上设置的调节口与调节机构配合，调节电堆厚度到指定位置后，调节可调端板的调节机构将内部双极板和膜电极组固定。进行预压紧和泄漏测试后将盖板与壳体进行密封。
所述的盖板(2)置于壳体(1)的开口侧，与壳体(1)共同构成箱体式装配壳体的侧面。
优选地，所述的侧面的壳体和盖板具有一定的强度，可以直接提供燃料电池双极板和膜电极组的固定和侧面绝缘并配合限位条实现限位功能。
优选地，所述的可调端板(3)由外端板a(31)，接触板a(32)，和调节机构(33)组成，其中外端板a(31)位于接触板a(32)上方(即电池外侧)，接触板a(32)与双极板和膜电极组(6)直接接触，调节机构(33)对外端板a(31)施加压力，提供电池所需要的装配力，必要时外端板和接触板a可以进行镂空以减轻重量。调节机构的实现可以有多种形式，包括但不限于气压，螺栓，螺旋千斤顶结构等。
优选地，所述的外端板a(31)上设有穿孔，由限位杆(7)穿过外端板a(31)穿孔后与壳体(1)紧固，所述的限位杆(7)包括螺杆螺栓或直杆卡扣形式。
优选地，所述的缓冲端板(4)两端设有预留孔(43)，气体管道穿过预留孔(43)连接电池气体进出孔，可以直接进行泄露检测。
优选地，所述的缓冲端板(4)包括外端板b(41)、接触板b(42)以及位于两者之间的碟簧(44)，其中外端板b(41)侧面设有凸起结构，所述的壳体(1)和盖板(2)上打有对应的通孔槽，采用相扣的方式进行连接；缓冲端板(4)内部通过碟簧缓冲装配时的不平衡压力。
所述的限位条(5)一侧呈方形状，嵌入壳体(1)的凹槽中，另一侧呈半圆柱状，与极板上预设的半圆形凹槽形成间隙配合实现固定，配合的最大间隙应小于预设的最大偏差。
所述的限位条(5)中集成了巡检线，并在其侧面设有多个导电触点(52)，电压采集由带弹性的导电触点(52)与每块极板分别接触实现，导电触点(52)间的间隙与极板间隙一致，装配完成后导电触点(52)自动与极板上的监测点一一对齐，通过限位条(5)内部集成的导线将收集到的电压信号传输到监测设备。
巡检与定位集成方式包括但不限于将限位条与巡检的电压采集装置采用多种方式进行多种方式整合。具体实现方式之一：巡检条通过背部缺口固定在壳体上之后，通过凸起的半圆形结构与双极板和膜电极组中特定的加工凹陷形成配合进行固定。同时，集成了巡检触点与导线的检测条也安装在限位条中。通过有弹性的导电触点与每块极板相互接触采集每块电池的电压等，再将收集到的信号通过预先加工在内部的若干导线传输到外部进行收集和处理，实现了巡检和定位的集成功能。
本发明通过以下方式进行装配：
先将两条限位条安装在侧面壳体中，然后将缓冲端板的外端板与接触板用碟簧连接在一起后通过侧面槽卡入侧面壳体并在外部辅助装置下固定。将双极板和膜电极组装入电池后将可调端板安装在壳体中，通过可调端板的预留孔施加外部压力调节电池厚度，将双极板和膜电极组压紧到预定位置。压紧操作时，将检测装置的气管穿过缓冲端板外端板的预留孔与电池连接进行实时泄漏检测。装配完成通过装配力和泄漏评估后，将侧面的盖板与壳体封闭进行密封。燃料电池长时间运行后，可通过改变调节机构的位移，实现对燃料电池装配力的重新校核。
与现有技术相比，本发明具有以下特点：通过使用侧面壳体使燃料电池和封装结构装配一体化，实现了装配过程中电堆装配力的均匀，可以实时进行泄露检测，且装配过程中将巡检集成在限位条中，省去了逐片安装巡检线的过程，其微调装置也可以在运行一段时间后针对组件老化等出现电堆压力不足的情况进行补正。该装置操作简单，装配效率高，集成化程度高，可满足燃料电池的快速装配。
附图说明
图1为燃料电池的结构示意图；
图2为缓冲端板4的具体结构图；
图3为实施例1中可调端板的结构示意图；
图4为实施例2中可调端板的结构示意图；
图5为实施例1中限位条的结构图；
图6为实施例2中限位条的结构图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例1
一种可逆燃料电池装配结构，如图1、图3和图5所示，包括侧面的壳体1，盖板2，可调端板3和缓冲端板4。其中，侧面的壳体1为“匚”字型结构，壳体1的一端设有通孔槽与缓冲端板4相扣，另一端设有小孔，与可调节端板3用螺栓螺杆连接。镂空部分如图所示，可以将缓冲端板4沿边缘装入，盖板2为一块平板，用于装配后密封整个电池。缓冲端板4由三部分组成：外端板b41、接触板b42以及位于两者之间的碟簧44，其中外端板b41侧面凸出，壳体1及盖板2上打有对应的通孔槽，采用相扣的方式与壳体1及盖板2相连，接触板b42与双极板和膜电极组6接触，两部分之间的碟簧44作为调节缓冲作用。可调端板3由三部分组成：外端板a31，接触板a32，和调节机构33，外端板a31通过限位杆7(本实施例中为螺栓螺母)壳体1连接，接触板a32与双极板和膜电极组6接触，两部分之间的距离通过调节机构33控制。如图3所示，调节机构33的具体结构为螺纹控制。外端板a31上有孔洞以便于装配时预先设置电池总体厚度。电池侧面安装有集成巡检功能的限位条5，如图5所示，巡检设计为每30片为一组的插针形式，可以卡在塑料限位条5中，巡检条5通过背部缺口固定在壳体1上之后，通过凸起的半圆形结构与双极板和膜电极组6中特定的加工凹陷形成配合进行固定，同时，集成了巡检触点与导线的检测条51也安装在限位条5中，通过有弹性的导电触点52与每块极板相互接触采集每块电池的电压等，再将收集到的信号通过预先加工在内部的若干导线53传输到外部进行收集和处理，实现了巡检和定位的集成功能。
具体地，装配时，如图1所示，先将本实施例中的两条限位条5安装在侧面的壳体1中，然后将缓冲端板4的外端板b41和接触板b42用碟簧44连接后通过侧面槽卡入壳体1并固定。再将可调端板3的外端板a31与接触板a32安装在壳体1上部分，并将外端板a31用螺栓螺母组件(限位杆7)固定在壳体1上。缓冲端板4的外端板b41上预留有3预留孔43，连接在接触板b42的电池气体出入口，可以将泄露检测装置安装在缓冲端板4上，并预先压紧进行测试。测试完毕后进行密封。压紧后将如图1、3所示的调节机构33锁死到指定位置固定好整个电堆，然后将盖板2安装到电池上并进行密封处理。
实施例2
总体结构与实例1类似。如图1、图4和图6所示，包括侧面的壳体1，盖板2，可调端板3和缓冲端板4。其中，侧面的壳体1为“匚”字型结构，壳体1的一端设有通孔槽与缓冲端板4相扣，另一端设有小孔，与可调节端板3用螺栓螺杆连接。镂空部分如图所示，可以将缓冲端板4沿边缘装入，盖板2为一块平板，用于装配后密封整个电池。缓冲端板4由三部分组成，其中外端板b41通过卡扣与壳体1相连，接触板42与双极板和膜电极组6接触，两部分之间有碟簧44作为调节缓冲作用。可调端板3由三部分组成，外端板a31通过螺栓螺母与壳体1连接，接触板a32与双极板和膜电极组6接触，两部分之间的距离通过调节机构33控制。如图4所示，调节机构33通过气阀调节气压控制距离。外侧部分上有孔洞以便于装配时预先设置电池总体厚度。如图5所示，巡检设计为弹性簧片的触点形式，集成在塑料限位条中，并在其侧面设有多个导电触点52，电压采集由带弹性的导电触点52与每块极板分别接触实现，导电触点52间的间隙与极板间隙一致，装配完成后导电触点52自动与极板上的监测点一一对齐，通过限位条5内部集成的导线将收集到的电压信号传输到监测设备。
本发明的装配过程如下：如图1所示，先将本实施例中的两条限位条5安装在侧面的壳体1中，然后将缓冲端板4的外端板b41和接触板42用碟簧连接后通过侧面槽卡入壳体1并固定。再将可调端板3的外端板a31与接触板32安装在壳体1上部分，并将外端板a31用螺栓螺母组件固定在壳体1上。缓冲端板4的外端板b41上预留有预留孔43，可以将泄露检测装置安装在缓冲端板4上，并预先压紧进行测试。压紧后向调节机构33的气阀内充入一定量的气体使侧面压力达到一定值，将限位条5的巡检插针接入双极板和膜电极组6的每片单电池中，压紧并确认距离后将如图4所示的气压控制的调节机构固定在此数值，然后将盖板2安装到电池上并进行密封处理。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种具有复合功能的自适应燃料电池装配结构，其特征在于，包括由壳体(1)，盖板(2)，可调端板(3)和缓冲端板(4)组成的箱体式装配壳体，待装配双极板和膜电极组(6)置于所述箱体式装配壳体内，其中，所述的壳体(1)内设有限位条(5)，通过限位条(5)与壳体(1)和盖板(2)的配合对双极板和膜电极组(6)进行定位，通过可调端板(3)对电池总体厚度进行微调，通过缓冲端板(4)提供装配压力。
2.根据权利要求1所述的一种具有复合功能的自适应燃料电池装配结构，其特征在于，所述的壳体(1)结构为“匚”字型结构，其内表面设有定位槽和安装限位条(5)的沟槽。
3.根据权利要求1所述的一种具有复合功能的自适应燃料电池装配结构，其特征在于，所述的盖板(2)置于壳体(1)的开口侧，与壳体(1)共同构成箱体式装配壳体的侧面。
4.根据权利要求1所述的一种具有复合功能的自适应燃料电池装配结构，其特征在于，所述的可调端板(3)由外端板a(31)，接触板a(32)，和调节机构(33)组成，其中接触板a(32)与双极板和膜电极组(6)直接接触，外端板a(31)位于接触板a(32)上方，调节机构(33)对外端板a(31)施加压力，提供电池所需要的装配力。
5.根据权利要求4所述的一种具有复合功能的自适应燃料电池装配结构，其特征在于，所述的外端板a(31)，接触板a(32)为镂空结构；
所述的调节机构33为气压装置，螺栓或螺旋千斤顶结构。
6.根据权利要求4所述的一种具有复合功能的自适应燃料电池装配结构，其特征在于，所述的外端板a(31)上设有穿孔，由限位杆(7)穿过外端板a(31)穿孔后与壳体(1)紧固，所述的限位杆(7)包括螺杆螺栓或直杆卡扣形式。
7.根据权利要求1所述的一种具有复合功能的自适应燃料电池装配结构，其特征在于，所述的缓冲端板(4)两端设有预留孔(43)，气体管道穿过预留孔(43)连接电池气体进出孔。
8.根据权利要求7所述的一种具有复合功能的自适应燃料电池装配结构，其特征在于，所述的缓冲端板(4)包括外端板b(41)、接触板b(42)以及位于两者之间的碟簧(44)，其中外端板b(41)侧面设有凸起结构，所述的壳体(1)和盖板(2)上打有对应的通孔槽，采用相扣的方式进行连接；缓冲端板(4)内部通过碟簧缓冲装配时的不平衡压力。
9.根据权利要求1所述的一种具有复合功能的自适应燃料电池装配结构，其特征在于，所述的限位条(5)一侧呈方形状，嵌入壳体(1)的凹槽中，另一侧呈半圆柱状，与极板上预设的半圆形凹槽形成间隙配合实现固定。
10.根据权利要求9所述的一种具有复合功能的自适应燃料电池装配结构，其特征在于，所述的限位条(5)中集成了巡检线，并在其侧面设有多个导电触点(52)，电压采集由带弹性的导电触点(52)与每块极板分别接触实现，导电触点(52)间的间隙与极板间隙一致，装配完成后导电触点(52)自动与极板上的监测点一一对齐，通过限位条(5)内部集成的导线将收集到的电压信号传输到监测设备。
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