CN115832382B - 一种氢燃料电池电堆的快速装堆装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种氢燃料电池电堆的快速装堆装置，该装置的液压缸驱动压头组件在竖直工作台面的方向运动，压头组件包括压具以及受液压缸驱动的顶杆；顶杆底端插入压具上侧的凹槽中，且顶杆下端顶持在凹槽的槽底，顶杆位于凹槽内的杆体上设有垂直顶杆轴心的螺孔，且凹槽的槽壁上设有通孔，螺孔、通孔对齐后拧入螺栓连接，压具的侧壁设有水平仪，且压具远离顶杆方向的下侧设有两个以顶杆轴心对称分布的凸起压头，凸起压头下方正对工作台面，且凸起压头靠近工作台面方向的下侧设有压力传感器；通过压力传感器的感应压力值控制液压缸的工作。本发明安装容易，更换便捷，达到快速装配电堆的效果。

Description

一种氢燃料电池电堆的快速装堆装置

技术领域

本发明属于燃料电池领域，尤其涉及一种氢燃料电池电堆的快速装堆装置。

背景技术

氢燃料电池是一种将氢燃料和氧化剂的化学能直接转化成电能的装置。由于效率高、噪声小、启动温度低、零污染等优点，被广泛应用于固定式发电、交通运输以及便携式电源等领域。

氢燃料电池电堆是发生电化学反应的场所，为燃料电池系统（或燃料电池发动机）的核心部分。氢燃料电池电堆由多个燃料电池单体以串联方式层叠组合构成。双极板与膜电极MEA交替叠合，各单体之间嵌入密封件，经前、后端板压紧后用螺杆紧固或者用包扎钢带拴牢，即构成氢燃料电池电堆。

氢燃料电池电堆装配先经过堆叠和预装配，然后压缩、张紧，接着进行测漏测试，下一步定型装配，最后进行活化和测试形成成品。燃料电池膜电极由阳极催化剂层、阳极碳纤层、质子交换膜、阴极碳纤层、阴极催化剂层构成，一共5层，又薄、又脆，装配时需要维持一定的湿度，以免膜电极在装配过程中损坏。

现有的电堆装配设备体积庞大，价格昂贵，操作繁琐，不能满足快速装堆的要求。此外，由于设备庞大，测试时比较笨重，并且如果电堆不能通过测漏测试，返修非常麻烦，操作不便捷。

发明内容

为克服上述背景技术中现有技术所存在的不足之处，本发明的目的在于提供一种氢燃料电池电堆的快速装堆装置。

本发明是这样实现的，一种氢燃料电池电堆的快速装堆装置，该装置包括机架、压头组件以及安装在机架上的液压缸、工作台面，所述液压缸驱动压头组件在竖直工作台面的方向运动；所述压头组件包括压具以及受液压缸驱动的顶杆；其中，所述顶杆底端插入压具上侧的凹槽中，且顶杆下端顶持在凹槽的槽底，所述顶杆位于所述凹槽内的杆体上设有垂直顶杆轴心的螺孔，且所述凹槽的槽壁上设有通孔，所述螺孔、通孔对齐后拧入螺栓连接，所述压具的侧壁设有水平仪，且所述压具远离顶杆方向的下侧设有两个以所述顶杆轴心为中心对称分布的凸起压头，所述凸起压头下方正对工作台面，且所述凸起压头靠近所述工作台面方向的下侧设有压力传感器；通过所述压力传感器的感应压力值控制所述液压缸的工作。

优选地，所述装置还包括稳定液压缸的稳定结构，所述稳定结构包括导向横梁，所述液压缸的驱动端顶持在导向横梁上侧，导向横梁下侧为与液压缸的驱动端共轴心的所述顶杆；所述机架包括两竖梁；所述竖梁为槽钢结构，且两竖梁的槽口彼此相对，其中，所述导向横梁两端分别位于两竖梁的凹槽内、且沿凹槽滑动。

优选地，所述机架还包括位于两竖梁顶部且用于固定两竖梁的顶梁；所述液压缸底座固定在顶梁下侧；所述稳定结构还包括设置在导向横梁上的导向套、与所述导向套适配的导向滑杆；其中，所述导向滑杆顶端固定在顶梁上、底端作为自由端穿过所述导向套。

优选地，所述稳定结构还包括对称设置在液压缸两相对侧的回位弹簧，所述回位弹簧两端分别固定在顶梁和导向横梁上。

优选地，在竖直方向上，所述竖梁的槽壁上均布若干定位孔，所述定位孔内插入定位销轴；其中，所述工作台面架设并固定在所述定位销轴上。

优选地，该装置还包括若干定位治具，所述定位治具包括定位块以及竖直设置的定位块上的挡板；所述工作台面周边对称设有滑槽；其中，所述定位块沿滑槽滑动且配合螺栓紧固。

优选地，该装置还包括铰接在一竖梁上的观察镜。

优选地，该装置还包括铰接在一竖梁上且用于为工作区提供湿润空气环境的加湿器。

优选地，所述装置还包括用于对单片膜电极或电堆中的电极进行测漏的测漏板，所述测漏板的板体内设有三条进气流道，该三条进气流道在板体边缘侧对应形成三个进气口、底侧对应形成三个排气口；其中，三个进气口用于分别与电极的阳极进气口、冷却液入口、阴极入口对接，三个排气口分别对接设有压力表的管路上，通过检测压力表的压力值变化判断电极是否存在泄露。

相比于现有技术的缺点和不足，本发明具有以下有益效果：

（1）本发明设计巧妙，结构简单，成本低廉，尤其适用于新品试制和小批量生产；

（2）本发明重量轻、强度高、体积小；

（3）本发明集成了加湿功能，确保膜电极在装配过程中维持一定的湿度，以免损坏膜电极；

（4）本发明工作台面集成了定位治具，确保极板定位准确；

（5）本发明压头组件具有自动调平功能，可快速分辨压具两边压头的压力是否均衡，并可精准控制压头压力；

（6）本发明安装容易，更换便捷，达到快速装配电堆的效果；

（7）本发明定位治具具有可调功能，适用于多种规格电堆的装配；

（8）本发明集成了观察镜，可以快速观察到电堆背侧的装配情况，及时发现问题；

（9）本发明在实际应用过程中，测漏测试时无需用螺栓紧固或钢带扎紧，电堆测漏时携带设备一起测试，方便快捷。

附图说明

图1是本发明装置的立体结构示意图；

图2是图1的正面结构示意图；

图3是本发明装置中压头组件的正面结构示意图；

图4是图3中压头组件的侧面剖视结构示意图；

图5是图4中A部分的放大结构示意图；

图6是本发明装置在进行装堆和测漏操作下的装配示意图；

图7是本发明装置中测漏板的正面结构示意图；

图8是图7中A-A’剖面示意图；

图9是本发明装置在进行单片电机的测漏操作下的装配示意图；

图10是图9中B部分的放大结构示意图；

其中，1、机架，1-1、竖梁，1-2、顶梁，1-3、定位孔，1-4、定位销轴，1-5、支脚，1-6、横梁；2、压头组件，2-1、压具，2-2、顶杆，2-3、螺栓，2-4、水平仪，2-5、凸起压头，2-6、左侧压力传感器，2-7、右侧压力传感器；3、液压缸；4、工作台面；5、稳定结构，5-1、导向横梁，5-2、导向套，5-3、导向滑杆，5-4、回位弹簧；6、定位治具，6-1、定位块，6-2、挡板；7、观察镜；8、加湿器；9、下端板；10、电堆；11、上端板；12、测漏板，12-11、第一进气流道，12-21、第二进气流道，12-31、第三进气流道，12-12、第一进气口，12-22、第二进气口，12-32、第三进气口，12-13、第一排气口，12-23、第二排气口，12-33、第三排气口，12-4、硅胶密封垫；13、金属垫板；14、膜电极板，14-1、硅胶密封圈。

实施方式

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仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1~10所示，其中，图1是本发明装置的立体结构示意图；图2是图1的正面结构示意图；图3是本发明装置中压头组件的正面结构示意图；图4是图3中压头组件的侧面剖视结构示意图；图5是图4中A部分的放大结构示意图；图6是本发明装置在进行装堆和测漏操作下的装配示意图；图7是本发明装置中测漏板的正面结构示意图；图8是图7中A-A’剖面示意图；图9是本发明装置在进行单片电机的测漏操作下的装配示意图；图10是图9中B部分的放大结构示意图。

本发明公开了一种氢燃料电池电堆的快速装堆装置，如图1~5所示，该装置包括机架1、压头组件2以及安装在机架1上的液压缸3、工作台面4，所述液压缸3驱动压头组件2在工作台面4的竖直方向上运动；所述压头组件2包括压具2-1以及受液压缸3驱动的顶杆2-2；其中，所述顶杆2-2底端插入压具2-1上侧的凹槽中，且顶杆2-2下端顶持在凹槽的槽底，所述顶杆2-2位于所述凹槽内的杆体上设有垂直顶杆2-2轴心的螺孔，且所述凹槽的槽壁上设有通孔，所述螺孔、通孔对齐后拧入螺栓2-3连接，所述压具2-1的侧壁设有水平仪2-4，且所述压具2-1远离顶杆2-2方向的下侧设有两个以所述顶杆2-2轴心为中心对称分布的凸起压头2-5，所述凸起压头2-5下方正对工作台面4，且所述凸起压头2-5靠近所述工作台面4方向的下侧设有压力传感器（对应为左侧压力传感器2-6、右侧压力传感器2-7）；通过所述压力传感器2-6、2-7的感应压力值控制所述液压缸3的工作。

在本发明实施例中，顶杆2-2与压具2-1的结构关系表现在，顶杆2-2端部与压具2-1凹槽之间通过垂直顶杆2-2轴心的螺栓2-3连接，既保证压具2-1不会脱落，又能使得两凸起压头2-5受力时能自动调平，保证传导到左右两侧的压力均衡，此外，由于顶杆2-2下端顶持在凹槽的槽底，在压具2-1压紧状态时，螺栓2-3并不受力，压力由顶杆2-2承受。此外，压具2-1上的水平仪2-4可以让操作员迅速辨别压具2-1两凸起压头2-5是否处于水平状态，以利于后续操作的及时调整。另外，压具2-1可以设置为拱形结构，既保证了强度，又减轻了重量。

在进一步的实施过程中，为保证压头组件2的稳定，尤其是确保压头组件2受力后的竖轴方向的稳定性上，也就是避免压头组件2受力后出现摆动，作为一种可优选的结构设计，在本发明实施例中，所述装置还包括稳定液压缸3的稳定结构5，所述稳定结构5包括导向横梁5-1，所述液压缸3驱动端顶持在导向横梁5-1上侧，导向横梁5-1下侧设为与液压缸3驱动端共轴心的所述顶杆2-2；其中，所述机架1包括两竖梁1-1；所述竖梁1-1为槽钢结构，且两竖梁1-1的槽口彼此相对，其中，所述导向横梁5-1两端分别位于两竖梁1-1的凹槽内、且沿凹槽滑动。在本发明实施例中，两竖梁1-1的凹槽与导向横梁5-1精密配合，起到稳定导向作用，压头组件2只能在左侧竖梁、右侧竖梁1-1之间做竖直运动，不可以左右摆动。

在进一步的实施过程中，为保证液压缸3的稳定输出，优选地，所述机架1还包括位于两竖梁1-1顶部且用于固定两竖梁1-1的顶梁1-2；所述液压缸3底座固定在顶梁1-2下侧；所述稳定结构5还包括设置在导向横梁5-1上的导向套5-2、与所述导向套5-2适配的导向滑杆5-3；其中，所述导向滑杆5-3顶端固定在顶梁1-2上、底端作为自由端穿过所述导向套5-2。

在进一步的实施过程中，为确保液压缸3在失压后能准确回位，所述稳定结构5还包括对称设置在液压缸3两相对侧的回位弹簧5-4，所述回位弹簧5-4两端分别固定在顶梁1-2和导向横梁5-1上。

在进一步的实施过程中，为适应不同高度的氢燃料电池电堆的装堆操作，在本发明实施例中，优选地，在竖直方向上，所述竖梁1-1的槽壁上均布若干定位孔1-3，所述定位孔1-3内插入定位销轴1-4；其中，所述工作台面4架设并固定在所述定位销轴1-4上。该设计可使工作台面4根据电堆的高度进行上下调整。

容易理解的是，为确保机架1整体稳定，在本发明实施例中，优选地，所述机架1还包括焊接在竖梁1-1底端的支脚1-5以及底部横梁1-6。

在进一步的实施过程中，为适应不同大小的电池电极板的操作需要，该装置还包括若干定位治具6，所述定位治具6包括定位块6-1以及竖直设置的定位块6-1上的挡板6-2；所述工作台面4周边对称设有滑槽（图中省略标号）；其中，所述定位块6-1沿滑槽滑动且配合螺栓紧固。在本发明实施例中，工作台面4上位于若干定位治具6之间的区域为工作区域，该工作区域内放置电池电堆等，其正上方为压头组件2。

在进一步的实施过程中，为方便操作员在前面就能观察到后面的装配情况，避免操作过程中来回走动，从而能进一步提高装配效率，在本发明实施例中，优选地，该装置还包括铰接在一竖梁1-1上的观察镜7。在本发明实施例中，观察镜7的镜面位于工作台面4的工作区的前侧或后侧，操作员可以旋转观察镜7，从不同角度观察电堆背侧的装配情况。此外，观察镜7还可以设计成折叠式的。

在进一步的实施过程中，根据装堆操作需要，在本发明实施例中，优选地，该装置还包括铰接在又一竖梁1-1上的加湿器8，操作员可以旋转加湿器8使其出风口正对工作台面4以对工作区提供湿润空气环境，能确保膜电极板在装配过程中维持一定的湿度，以免损坏膜电极板。容易理解的是，加湿器8也可以作为独立部件设置在机架1旁边，加湿器8的出风口通过软管连接至所述机架1上即可，以使空气流向更加精准。

上述实施方式所公开的快速装堆装置主要用于对氢燃料电池电堆的装堆操作，在实际应用过程中，如图6所示，本发明通过以下步骤完成快速装堆的操作：

（1）根据预装电堆的高度选择合适的定位孔1-3，将定位销轴1-4插入定位孔1-3中；

（2）将工作台面4置于定位销轴1-4之上，紧固工作台面4的螺栓；

（3）放入下端板9，调整定位治具6的定位块6-1，使挡板6-2与下端板9定位面紧密贴合；

（4）开启加湿器8，依次放入双极板与膜电极板，双极板与膜电极板MEA交替叠合为电堆10，同时观察双极板与膜电极板的装配情况，利用观察镜7观察背面的装配情况，并及时进行调整；

（5）放入上端板11，操作液压缸3，使得压头组件2按预设的预紧力作用在上端板上，读取压具2-1的凸起压头2-5上左、右两侧压力传感器的数值，同时观察水平仪2-4的气泡，确定凸起压头2-5是否水平，两侧压力传感器作用力是否在允许的偏差内。

通过上述操作即可完成电堆10的装堆操作。本发明采用巧妙的设计，结构小巧，紧凑，集成了加湿功能，并且凸起压头2-5具有自动调平功能，电堆10在装配时，尾板受力均匀，并且可以通过压力传感器的显示屏，快速准确地分辨尾板两边的受力情况，通过液压缸3精准控制凸起压头2-5的压力。工作台面4集成了定位治具6，确保电堆10在堆叠和预装配过程中，各部件精准对齐。该设备集成了观察镜7，可以方便的观察到电堆10背面的装配情况，及时发现电堆10堆叠过程中是否存在问题。

在进一步的实施过程中，电堆10在进行上述装堆操作后，通常还需要进行测漏测试，因此，为使本发明装置功能更齐全，以及更便于操作，在本发明实施例中，优选地，如图7~8所示，所述装置还包括用于对单片膜电极板或电堆10中的电极进行测漏的测漏板12，所述测漏板12的板体内设有第一进气流道12-11、第二进气流道12-21、第三进气流道12-31，该三条进气流道在板体边缘侧对应形成第一进气口12-12、第二进气口12-22、第三进气口12-32，以及底侧对应形成第一排气口12-13、第二排气口12-23、第三排气口12-33；其中，在测漏测试中，第一进气口12-12、第二进气口12-22、第三进气口12-32用于分别与电极的阳极进气口、冷却液入口、阴极入口对接，第一排气口12-13、第二排气口12-23、第三排气口12-33分别对接设有压力表的管路上，通过检测压力表的压力值变化判断电极是否存在泄露。此外，为使测漏板12与电极表面的密封对接，测漏板12底部设有硅胶密封垫12-4。

具体来说，如图6所示，在上述装堆操作的基础上进行如下步骤的测漏测试操作：

（6）放置测漏板12，使第一排气口12-13、第二排气口12-23、第三排气口12-33与极板的阳极进气口（氢气入口）、极板冷却液入口，极板阴极（空气）入口一一对应；

（7）对整堆进行测漏测试：给测漏板12的第一进气口12-12、第二进气口12-22、第三进气口12-32缓慢通气，达到试验压力后按试验规定的保压时间保压，然后观察设在三个进气管路的压力表是否有压力降，从而判定整堆是否存在泄漏。测试时无需用螺栓紧固或钢带扎紧，电堆10测漏时携带设备一起测试；

（8）若电堆10存在泄漏，采用气泡法找出泄漏的单片膜电极板；更换膜电极板时，只需要松开压头，更换泄漏的膜电极板，安装新的膜电极板，压紧后重新测试；测试无问题，进行下一步；

（9）定型装配，用螺杆紧固或者用包扎钢带拴牢，即构成氢燃料电池电堆10。

在本发明实施例中，测漏测试时无需用螺栓紧固或钢带扎紧，电堆10测漏时携带设备一起测试，若有泄漏更换膜电极板时，只需要松开压头组件2，更换泄漏膜电极板，压紧后直接可以测试。

此外，本发明装置不仅可以用于电堆10的装堆操作和测漏测试，还可以单独用于对单片膜电极板14进行测漏，如图9~10所示，其具体的操作包括以下步骤：

（1）选择合适的定位孔1-3，将定位销轴1-4插入定位孔1-3中；

（2）将工作台置于定位销轴1-4之上；

（3）放置金属垫板13，调整定位治具6的定位块6-1，使挡板6-2与金属垫板13定位面紧密贴合；

（4）放置单片膜电极板14（膜电极板14设置有硅胶密封圈14-1，当多片膜电极板14堆叠时起到密封作用）；

（5）放置测漏板12，使第一排气口12-13、第二排气口12-23、第三排气口12-33与极板的阳极进气口（氢气入口）、极板冷却液入口，极板阴极（空气）入口一一对应；

（6）给液压缸3加压，压头组件2压紧在测漏板12上，达到试验规定的预紧力；

（7）给测漏板12的第一进气口12-12、第二进气口12-22、第三进气口12-32缓慢通气，达到试验压力后按试验规定的保压时间保压，然后观察设在三个进气管路的压力表是否有压力降，从而判定单片膜电极板14是否存在泄漏。

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，凡在本发明的精神和原则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 (7)

1.一种氢燃料电池电堆的快速装堆装置，其特征在于，包括机架、压头组件以及安装在机架上的液压缸、工作台面，所述液压缸驱动压头组件在竖直工作台面的方向运动；所述压头组件包括压具以及受液压缸驱动的顶杆；其中，所述顶杆底端插入压具上侧的凹槽中，且顶杆下端顶持在凹槽的槽底，所述顶杆位于所述凹槽内的杆体上设有垂直顶杆轴心的螺孔，且所述凹槽的槽壁上设有通孔，所述螺孔、通孔对齐后拧入螺栓连接，所述压具的侧壁设有水平仪，且所述压具远离顶杆方向的下侧设有两个以所述顶杆轴心为中心对称分布的凸起压头，所述凸起压头下方正对工作台面，且所述凸起压头靠近所述工作台面方向的下侧设有压力传感器；通过所述压力传感器的感应压力值控制所述液压缸的工作；

所述快速装堆装置还包括稳定液压缸的稳定结构，所述稳定结构包括导向横梁，所述液压缸的驱动端顶持在导向横梁上侧，导向横梁下侧为与液压缸的驱动端共轴心的所述顶杆；所述机架包括两竖梁；所述竖梁为槽钢结构，且两竖梁的槽口彼此相对，所述导向横梁两端分别位于两竖梁的凹槽内且沿凹槽滑动；

所述快速装堆装置还包括铰接在一竖梁上且用于为工作区提供湿润空气环境的加湿器。

2.如权利要求1所述的氢燃料电池电堆的快速装堆装置，其特征在于，所述机架还包括位于两竖梁顶部且用于固定两竖梁的顶梁；所述液压缸底座固定在顶梁下侧；所述稳定结构还包括设置在导向横梁上的导向套、与所述导向套适配的导向滑杆；其中，所述导向滑杆顶端固定在顶梁上、底端作为自由端穿过所述导向套。

3.如权利要求2所述的氢燃料电池电堆的快速装堆装置，其特征在于，所述稳定结构还包括对称设置在液压缸两相对侧的回位弹簧，所述回位弹簧两端分别固定在顶梁和导向横梁上。

4.如权利要求1所述的氢燃料电池电堆的快速装堆装置，其特征在于，所述竖梁的槽壁上沿竖直方向均布若干定位孔，所述定位孔内插入定位销轴；所述工作台面架设并固定在所述定位销轴上。

5.如权利要求1所述的氢燃料电池电堆的快速装堆装置，其特征在于，所述快速装堆装置还包括若干定位治具，所述定位治具包括定位块以及竖直设置于定位块上的挡板；所述工作台面周边对称设有滑槽；其中，所述定位块沿滑槽滑动且配合螺栓紧固。

6.如权利要求1所述的氢燃料电池电堆的快速装堆装置，其特征在于，所述快速装堆装置还包括铰接在一竖梁上的观察镜。

7.如权利要求1所述的氢燃料电池电堆的快速装堆装置，其特征在于，所述快速装堆装置还包括用于对单片膜电极或电堆中的电极进行测漏的测漏板，所述测漏板的板体内设有三条进气流道，所述三条进气流道在板体边缘侧对应形成三个进气口、底侧对应形成三个排气口；其中，三个进气口用于分别与电极的阳极进气口、冷却液入口、阴极入口对接，三个排气口分别对接设有压力表的管路上，通过检测压力表的压力值变化判断电极是否存在泄露。

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