CN116207322A - 电池堆加压定位装置和电池堆加压定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电池装配测试技术领域，公开了一种电池堆加压定位装置和电池堆加压定位方法。该装置包括供压单元和均压单元，均压单元包括基座，基座的加压端面上设有多个通孔，孔内填装有活塞，活塞设置为能够在孔内活塞运动并密封通孔；供压单元包括上腔体和与上腔体连通的下腔体，基座可拆卸地固定至下腔体中，上、下腔体和均压单元共同形成一个封闭的气体容室；上腔体通过进出口管道与气泵连接，气泵设置为能够对气体容室进行抽气或充气以控制活塞在通孔内位置。该装置施加压力均匀且可实现变压调节，同时对电池堆进行夹紧定位，能够保证电池堆在升降温和测试过程中的位置稳定且受力均匀；适用于多种形式电池堆及电池堆组合，操作简便，灵活性高。

Description

电池堆加压定位装置和电池堆加压定位方法

技术领域

本发明涉及电池装配测试技术领域，具体地涉及一种电池堆加压定位装置和电池堆加压定位方法。

背景技术

固体氧化物燃料电池(SOFC)是一种直接将燃料和氧化物中的化学能转化成电能的全固态化学发电装置。SOFC单电池主要由阳极、电解质和阴极三层组件构成，其中，阳极是燃料气体氧化和产生电子的场所，电解质的功能是将氧离子从阴极传导至阳极，同时其致密结构可以隔绝阳极和阴极气体，阴极则是氧分子消耗电子变成氧离子的场所，在阳极中产生的电子沿外电路传输到阴极形成电流。

平板式SOFC具有结构简单、功率密度高、电性能好等优点，是目前国内外研究SOFC的主流和热点。平板式SOFC电池堆通常由多个单电池堆叠组合而成，需要引入适当的荷载对电池堆中单电池、密封件、连接体等元件进行施压，以保证电池堆内单电池界面间的紧密接触。另一方面，使用压实性密封材料进行电池堆封接时，也需要施加额外的压力来保证整个电池堆的密封性，因而密封难度大是制约平板式SOFC的主要难题之一。由于固体氧化物燃料电池通常在600～800℃下工作，工作温度高且需要反复热循环，为了保证燃料电池正常高效的运行，对电堆施加的载荷需要均匀稳定，且在工作中可以实现压力调节，保证电堆在不同温度下均能保持良好的密封性。

现有技术中用于SOFC电池堆的加压方式通常为刚性加压，传统的刚性加压无法有效保证应力加载的均匀性，进而影响电池堆的密封效果。基于现有技术的不足，急需一种新型电池堆加压定位装置和电池堆加压定位方法。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术存在的固体氧化物燃料电池堆加压时施压不均匀导致电池堆密封性不足的问题，提供一种电池堆加压定位装置，该电池堆加压定位装置施加压力均匀且可实现变压调节，能够保证电池堆在升降温和测试过程中的压力稳定；同时，该电池堆加压定位装置能够对电池堆进行定位，避免电池堆在装配和运行时发生移位。该电池堆加压定位装置可用于对多种形式的电池堆及电池堆组合进行加压定位，适用性广，操作简便，灵活性高。

为了实现上述目的，本发明一方面提供一种电池堆加压定位装置，该电池堆加压定位装置包括供压单元和均压单元，供压单元设置为能够给均压单元施加压力并由均压单元将压力传递并均匀施加至待加压定位的电池堆上；

均压单元包括基座和基座盖板，基座和基座盖板的加压端面上设有多个通孔，每个通孔内填装有活塞，活塞设置为能够在通孔内活塞运动并密封通孔；

供压单元包括上腔体和与上腔体连通的下腔体，基座可拆卸地固定至下腔体中，并且，上腔体、下腔体和均压单元共同形成一个封闭的气体容室；

上腔体通过进出口管道与气泵连接，气泵设置为能够对气体容室进行抽气或充气以控制活塞在通孔内位置。

优选地，进出口管道通过阀门与气泵连接，阀门用于控制气泵开启或关闭。

优选地，基座的侧壁上开设有螺栓孔，通过连接体和螺栓配合固接至下腔体上。

优选地，下腔体内壁设有定位凸台，用以对基座在下腔体中位置进行定位。

优选地，供压单元还包括设置在进出口管道上的压力传感器，压力传感器用于测定气体容室内的气压；其中，

当压力传感器输出为负值时，活塞处于通孔内的最上端，关闭阀门，气泵停止抽气；

开启阀门，气泵向气体容室内充气，当压力传感器输出为所需的运行压力时，活塞在通孔内向下移动至电池堆上表面并对电池堆进行均匀加压。

优选地，同时，位于电池堆侧壁的活塞贴合在电池堆的侧壁，并对电池堆进行夹紧定位。

优选地，电池堆加压定位装置还包括上支架和下支架，上支架和下支架可拆卸地安装至上腔体上，并且，设置为当上腔体安装至热箱上时，上支架和下支架能够分别从热箱外部和内部夹持固定上腔体的位置。

优选地，上腔体的外壁上形成有多层螺纹，用于根据电池堆的高度调整上支架和下支架的安装位置，以保证活塞下端与电池堆上表面紧密接触。

优选地，活塞包括活塞头和与活塞头端部连接的活塞杆，活塞头的外表面开设有多条环形槽，用于与通孔迷宫式间隙密封。

优选地，通孔包括上通孔、中通孔和下通孔；其中，上通孔与气体容室相连通，中通孔用于容纳活塞头，下通孔与活塞杆配合封闭通孔。

本发明第二方面提供一种使用上述电池堆加压定位装置进行电池堆加压定位方法，该方法包括：

首先，根据电池堆的尺寸选择与之相匹配的基座、基座盖板与活塞，将基座与下腔体通过连接体进行固定，打开进出口管道的阀门，利用气泵将气体容室内抽成负压，使得活塞处于基座通孔内最上端后，关闭进出口管道的阀门；

然后，在上腔体安装上支架和下支架，将整个支架放入电堆运行的热箱内，根据电堆的高度调整上支架和下支架的位置，即将上支架和下支架沿上腔体外壁螺纹安装至合适位置，使得此时活塞下端接触到电堆上表面；同时，上支架和下支架分别紧贴热箱顶部外壳的内外壁，此时加压定位装置固定至热箱上；

当需要对电池堆加压时，打开进出口管道的阀门，利用气泵向气体容室内充气至所需压力，气体容室内压力推动电池堆上端活塞对电池堆进行压紧，电池堆侧壁的活塞对电池堆进行夹紧定位；并且，在运行过程中，通过压力传感器实时监控气体容室内的压力变化，根据运行工况条件，利用气泵对压力进行调节。

通过上述技术方案，将供压单元与均压单元连接，通过供压单元施加压力，传递至均压单元后，由均压单元将该压力均匀施加至待加压定位的电池堆上。这样，就可以实现对电池堆顶部进行均匀加压，并能够进行变压调节，保证电池堆在升降温和测试过程中的压力稳定；同时，均压单元还可以对电池堆进行定位，避免电池堆移位，并且该电池堆加压定位装置能够适用于对多种形式的电池堆及电池堆组合进行加压定位，适用性广，操作简便，灵活性较高。

附图说明

图1是根据本发明提供的一种电池堆加压定位装置的仰视角结构示意图；

图2是根据本发明提供的一种电池堆加压定位装置的俯视角结构示意图；

图3是根据本发明提供的一种电池堆加压定位装置的剖视图；

图4是根据本发明提供的一种电池堆加压定位装置中基座的剖视图；

图5是根据本发明提供的一种电池堆加压定位装置的局部结构剖视图；

图6是根据本发明提供的一种电池堆加压定位装置中活塞的结构示意图；

图7是根据本发明提供的实施例1的剖视图；

图8是根据本发明提供的实施例2的局部剖视图；

图9是根据本发明提供的实施例3的局部剖视图。

附图标记说明

1-上腔体 2-下腔体

21-定位凸台

3-压力传感器 4-进出口管道

5-阀门 6-上支架

7-下支架 8-基座

81-通孔811-上通孔

812-中通孔 813-下通孔

82-螺栓孔83-基座盖板

9-活塞91-活塞头

92-活塞杆10-连接体

101-螺栓11-气体容室

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

在本发明中，在未作相反说明的情况下，“上、下、内、外”等包含在术语中的方位词仅代表该术语在常规使用状态下的方位，或为本领域技术人员理解的俗称，而不应视为对该术语的限制。

本发明提供一种电池堆加压定位装置，该电池堆加压定位装置包括供压单元和均压单元，供压单元设置为能够给均压单元施加压力并由均压单元将压力传递并均匀施加至待加压定位的电池堆上。

参见图1和图2，上述均压单元包括基座8和基座盖板83，基座8和基座盖板83的加压端面上设有多个通孔81，每个通孔81内填装有活塞9，在基座8上方覆盖基座盖板83以限制活塞9仅在通孔内运动，活塞9设置为能够在通孔81内活塞运动并密封通孔81。

供压单元包括上腔体1和与上腔体1连通的下腔体2，基座8可拆卸地固定至下腔体2中，并且，上腔体1、下腔体2和均压单元共同形成一个封闭的气体容室11(如图3所示)；

上腔体1通过进出口管道4与气泵连接，气泵设置为能够对气体容室11进行抽气或充气以控制活塞9在通孔81内位置。

具体的，如图4所示，基座8可以为具有多个通孔的长方体，基座盖板83的尺寸与基座8上表面一致。下腔体内壁设有定位凸台21，用以对基座在下腔体中位置进行定位，基座8外侧壁与下腔体2内表面紧密贴合。基座8侧壁开设有螺栓孔82，通过连接体10和螺栓101配合固接至下腔体2上。具体的，基座8与下腔体2的连接体10可以是方形护板，方形护板的切面为L型，护板的下部横边抵靠基座8的下表面，护板的上部竖边与下腔体2的外表面贴合，护板竖边上设有带螺纹的通孔，通过紧固螺栓101与下腔体2进行紧固。基座8与下腔体2通过紧固螺栓101紧固后，基座2与下腔体2的接触面紧密贴合且能保证足够密封。

具体的，如图4和图5所示，所述通孔81由形状不同的三部分组成，上通孔811开设于基座盖板83中，中通孔812和下通孔813开设于基座8中，相应上下通孔的位置对应匹配。上通孔811和中通孔812为直径不同的圆柱状，下通孔813为方形。通孔81内放置活塞9，活塞9与中通孔812和下通孔813的尺寸匹配，从而对通孔81下端进行封闭，上通孔811与气体容室11连通，随着气体容室11内的压力变化，活塞9可以在基座8的通孔81内上下往返移动。

为了提升活塞9运动时的密封性能，优选地，活塞9具有圆柱活塞头且圆柱活塞头的外表面开设有多条环形槽，用于与通孔81迷宫式间隙密封。具体的，如图6所示，活塞9包含活塞头91和活塞杆92，活塞头91为圆柱体，活塞杆92为方柱体，并且在圆柱体活塞头侧壁开设多条环形槽与通孔中部形成迷宫式密封结构，如此可以大大提高密封性，使得气体容室11内的气压调整可以更加高效地带动活塞机械运动。

在使用该电池堆加压定位装置的过程中，为了便于监测和控制气体容室11内的气压，并实现针对不同电池堆的精准加压和定位，优选地，供压单元还包括设置在进出口管道4上的压力传感器3，压力传感器3用于测定气体容室11内的气压；并且，进出口管道4通过阀门5与气泵连接，阀门5用于控制气泵开启或关闭。采用上述结构，当压力传感器3输出为负值时，活塞9处于通孔81内的最上端，关闭阀门5，气泵停止抽气；

开启阀门5，气泵向气体容室11内充气，当压力传感器3输出为电池堆所需的运行压力时，活塞9在通孔81内向下移动至电池堆上表面并对电池堆进行均匀加压。

此外，本发明可以根据所需加压的电池堆形式调整基座8、基座盖板83与活塞9，以对电池堆进行夹紧定位。利用均压单元中的部分活塞作为电池堆的定位柱，此处的部分活塞是指不对电池堆进行直接施压且其侧壁与电堆侧壁贴合的活塞9，当气体容室11充压时，所述的部分活塞向下移动至电池堆的侧壁，从侧壁对电池堆进行夹紧定位。同时，可以根据实际电池堆形状调整基座8与活塞9的具体位置和不同形状，使得该部分活塞能够满足对多种电池堆及电池堆组合进行定位，进一步地提高使用灵活性，大大拓广其适用性。

为了便于使用时安装和定位该电池堆加压定位装置，优选电池堆加压定位装置还包括上支架6和下支架7，上支架6和下支架7可拆卸地安装至上腔体1上，并且，设置为当上腔体1安装至热箱上时，上支架6和下支架7能够分别从热箱外部和内部夹持固定上腔体1的位置。

进一步的，上腔体1的外壁上形成有多层螺纹，用于根据电池堆的高度调整上支架6和下支架7的安装位置，以保证活塞9下端与电池堆上表面紧密接触。

更进一步的，上支架6和下支架7平行设置。

本发明在使用时，如图7所示，首先，根据电池堆的尺寸选择与之相匹配的基座8、基座盖板83与活塞9，将活塞9填装入通孔81后，在基座8上覆盖基座盖板83，将基座8与下腔体2通过连接体10进行固定，打开进出口管道4的阀门5，利用气泵将气体容室11内抽成负压，使得活塞9处于基座通孔81内最上端后，关闭进出口管道4的阀门5；在上腔体1外壁安装上支架6和下支架7，将整个支架放入电堆运行的热箱内，根据电堆的高度调整上支架6和下支架7的位置，即将上支架6和下支架7沿上腔体1外壁螺纹至合适位置，使得此时活塞9下端接触到电堆上表面。同时，上支架6和下支架7分别紧贴热箱顶部外壳的内外壁，加压定位装置此时固定至热箱上。当需要对电池堆加压时，打开进出口管道4的阀门5，利用气泵向气体容室11内充气至所需压力，气体容室11内压力推动电池堆上端活塞对电池堆进行加压，电池堆侧壁的活塞对电池堆进行定位。并且，在运行过程中，可通过压力传感器3随时监控气体容室11内的压力变化，并根据运行工况条件，通过气泵对压力进行调节。

由此可见，气体容室11内充压后，气体容室11内各处压力一致，施加于各活塞9上的压力也相同，在活塞9的推动下将电池堆均匀加压，可以实现电池堆顶部各处受力均匀。

其次，压力传感器3和进出口管道4远离电池堆所在的高温区，可以在电池堆测试过程中根据测试工况灵活调节施加压力，利用压力传感装置准确并实时显示和记录电池堆所承受的压力，对电池堆的压紧力实现有效监控。

再其次，通过可移动的活塞9对电池堆进行加压，可以随升降温过程电池堆热膨胀性能变化调整活塞9位置，保证施加压力荷载稳定，避免如使用钢板加压时的刚性接触，减少高温工作时由于热膨胀导致的电池堆损坏。

同时，均压单元中的基座8、基座盖板83与活塞9均可以根据电池堆结构进行拆换，可实现对不同形式规格的电池堆的适配，还可以满足多个电池堆的同时加压使用。

进一步的，部分活塞用于对电池堆进行定位，通过选择具有合适开口位置的基座8与合适数量的活塞9，对电池堆侧壁进行定位和夹紧，保证电池堆位置固定且准确，防止工作中电池堆的晃动和倾倒，保证电池堆的位置稳定且受力均匀。

如图7所示，在实施例1中，使用该电池堆加压定位装置对矩形单电池堆A进行加压与定位：

根据矩形电池堆A的外形，选择尺寸匹配的基座8和活塞9，将活塞9在基座8中装配好后，覆盖基座盖板83，将基座8放入下腔体2中，通过连接体10将基座8和下腔体2通过螺栓101进行固定。将进出口管道4与气泵连接，打开阀门5，开启气泵对气体容室11进行抽气，直至压力传感器3输出为负值，使得活塞9处于基座通孔81中最上端，再关闭阀门5。矩形电池堆放入热箱内合适位置后，依次将下支架7和上支架6穿入上腔体外壁螺纹区域，把加压定位装置放置于热箱上端，下支架7和上支架6位于在热箱顶部外壳的内外侧。根据电池堆的高度调整上支架的位置，使得活塞9下端与电池堆上表面紧密接触，确定位置后把上支架6沿上腔体1螺纹固定在热箱顶部外壳的外壁，同时将下支架6沿上腔体1螺纹固定在热箱顶部外壳的内壁。电池堆运行加压时，打开进出口管道4的阀门5，向气体容室11内充气，直至压力传感器3输出为所需的运行压力，气体容室11内压力推动活塞9向下移动，与电池堆上表面接触的活塞对电池堆进行均匀加压，同时，对电池堆进行定位的活塞在压力驱动下贴合在电池堆侧壁。在电池堆A升降温或测试过程中，通过压力传感器3可以实时监测气体容室11内的压力变化，并根据电池堆实际运行所需的施压条件，通过气泵对压力进行调节。在电池堆A测试完成后，打开阀门5缓慢泄压至常压后，开启气泵对气体容室11进行抽气，直至压力传感器3输出为负值，使得活塞9处于基座通孔81中最上端后，关闭阀门5。将上支架6和下支架7分别沿上腔体1外壁螺纹旋转，即可从热箱顶部取下加压定位装置。

如图8所示，在实施例2中，使用该电池堆加压定位装置同时对四个同类型电池堆B/C/D/E进行加压与定位，其中电池堆D/E被B/C遮挡。根据电池堆B/C/D/E的尺寸和位置选择与之相匹配的基座8与活塞9，将活塞9在基座8中装配好后，覆盖基座盖板83，将基座8与下腔体2通过连接体10进行固定。其余装配过程和操作方法与实施例1相同。在本实施例中，由于供压单元传递至均压单位中每个活塞9的压力相同，因此施加于各个电池堆表面的压力相同，从而保证各个电池堆受力均匀。

如图9所示，在实施例3中，使用该电池堆加压定位装置同时对两个尺寸不同的电池堆F/G进行加压与定位。根据电池堆F/G的尺寸选择与之相匹配的基座8与活塞9，其中可按照不同电池堆的尺寸和高度调整活塞位置和活塞杆长度，以满足对各电堆均能实现加压与夹紧定位。将活塞9在基座8中装配好后，覆盖基座盖板83，再将基座8与下腔体2通过连接体10进行固定。其余装配过程和操作方法与实施例1相同。在本实施例中，活塞杆的尺寸和长度与电池堆相匹配，可以实现对不同电池堆进行夹紧定位。同时由于供压单元传递至均压单位中每个活塞9的压力相同，从而保证各个电池堆受力均匀。

以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于此。在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，包括各个具体技术特征以任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。但这些简单变型和组合同样应当视为本发明所公开的内容，均属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种电池堆加压定位装置，其特征在于，所述电池堆加压定位装置包括供压单元和均压单元，所述供压单元设置为能够向所述均压单元施加压力，所述均压单元设置为能够将来自所述供压单元的压力传递并均匀施加至待加压定位的电池堆上；其中，

所述均压单元包括基座(8)和基座盖板(83)，所述基座(8)和所述基座盖板(83)的加压端面上设有多个通孔(81)，每个所述通孔(81)内填装有活塞(9)，所述活塞(9)设置为能够在所述通孔(81)内活塞运动并密封所述通孔(81)；

所述供压单元包括上腔体(1)和与所述上腔体(1)连通的下腔体(2)，所述基座(8)可拆卸地固定至所述下腔体(2)中，并且，所述上腔体(1)、所述下腔体(2)和所述均压单元共同形成一个封闭的气体容室(11)；

所述上腔体(1)通过进出口管道(4)与气泵连接，所述气泵设置为能够对所述气体容室(11)进行抽气或充气以控制所述活塞(9)在所述通孔(81)内位置。

2.根据权利要求1所述的电池堆加压定位装置，其特征在于，所述进出口管道(4)通过阀门(5)与所述气泵连接，所述阀门(5)用于控制所述气泵开启或关闭。

3.根据权利要求1所述的电池堆加压定位装置，其特征在于，所述基座(8)的侧壁上开设有螺栓孔(82)，通过连接体(10)和螺栓(101)配合固接至所述下腔体(2)上；所述下腔体(2)的内壁设有定位凸台(21)，所述定位凸台(21)用于定位所述基座(8)在所述下腔体(2)中的位置。

4.根据权利要求1所述的电池堆加压定位装置，其特征在于，所述供压单元还包括设置在所述进出口管道(4)上的压力传感器(3)，所述压力传感器(3)用于测定所述气体容室(11)内的气压；其中，

当所述压力传感器(3)输出为负值时，所述活塞(9)处于所述通孔(81)内的最上端，关闭所述阀门(5)，所述气泵停止抽气；

开启所述阀门(5)，所述气泵向所述气体容室(11)内充气，所述活塞(9)在所述通孔(81)内向下移动，当所述压力传感器(3)输出为所需的运行压力时，位于所述电池堆上端的所述活塞(9)移动至所述电池堆上表面并对所述电池堆进行均匀加压。

5.根据权利要求4所述的电池堆加压定位装置，其特征在于，同时，位于所述电池堆侧壁的所述活塞(9)贴合在所述电池堆的侧壁并对所述电池堆进行夹紧定位。

6.根据权利要求1所述的电池堆加压定位装置，其特征在于，所述电池堆加压定位装置还包括上支架(6)和下支架(7)，所述上支架(6)和所述下支架(7)可拆卸地安装至所述上腔体(1)上，并且，设置为当所述上腔体(1)安装至热箱上时，所述上支架(6)和所述下支架(7)能够分别从所述热箱外部和内部夹持固定所述上腔体(1)的位置。

7.根据权利要求6所述的电池堆加压定位装置，其特征在于，所述上腔体(1)的外壁上形成有多层螺纹，用于根据所述电池堆的高度调整所述上支架(6)和所述下支架(7)的安装位置，以保证用于加压的所述活塞(9)下端与所述电池堆上表面紧密接触。

8.根据权利要求1所述的电池堆加压定位装置，其特征在于，所述活塞(9)包括活塞头(91)和与所述活塞头(91)端部连接的活塞杆(92)，所述活塞头(91)的外表面开设有多条环形槽，用于与所述通孔(81)迷宫式间隙密封。

9.根据权利要求8所述的电池堆加压定位装置，其特征在于，所述通孔(81)包括上通孔(811)、中通孔(812)和下通孔(813)；其中，

所述上通孔(811)与所述气体容室(11)相连通，所述中通孔(812)用于容纳所述活塞头(91)，所述下通孔(813)与所述活塞杆(92)配合封闭所述通孔(81)。

10.一种使用权利要求1-9中任意一项所述的电池堆加压定位装置进行电池堆加压定位方法，其特征在于，所述方法包括：

首先，根据电池堆的尺寸选择与之相匹配的基座(8)、基座盖板(83)与活塞(9)，将基座(8)与下腔体(2)通过连接体(10)和螺栓(101)进行固定，打开进出口管道(4)上的阀门(5)，利用气泵将气体容室(11)内抽成负压，使得活塞(9)处于基座通孔(81)内最上端后，关闭进出口管道(4)上的阀门(5)；

然后，在上腔体(1)安装上支架(6)和下支架(7)，将整个支架放入电堆运行的热箱内，根据电堆的高度调整上支架(6)和下支架(7)的位置，即将上支架(6)和下支架(7)沿上腔体(1)外壁螺纹安装至合适位置，使得此时活塞(9)下端接触到电堆上表面；同时，上支架(6)和下支架(7)分别紧贴热箱顶部外壳的内外壁，此时加压定位装置固定至热箱上；

当需要对电池堆加压时，打开进出口管道(4)上的阀门(5)，利用气泵向气体容室(11)内充气至所需压力，气体容室(11)内压力推动电池堆上端活塞(9)对电池堆进行加压，电池堆侧壁的活塞(9)对电池堆进行夹紧定位；并且，在电池堆运行过程中，通过压力传感器(3)实时监控气体容室(11)内的压力变化，根据运行工况条件，利用气泵对压力进行调节。

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