專利名稱：一種適合燃料電池堆大規(guī)模快速裝配與測試的裝配架的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及燃料電池，尤其涉及一種適合燃料電池堆大規(guī)模快速裝配與測試的裝配架。
背景技術(shù)：
電化學(xué)燃料電池是一種能夠?qū)浼把趸瘎┺D(zhuǎn)化成電能及反應(yīng)產(chǎn)物的裝置。該裝置的內(nèi)部核心部件是膜電極(Membrane Electrode Assembly，簡稱MEA)，膜電極(MEA)由一張質(zhì)子交換膜、膜兩面夾兩張多孔性的可導(dǎo)電的材料，如碳紙組成。在膜與碳紙的兩邊界面上含有均勻細小分散的引發(fā)電化學(xué)反應(yīng)的催化劑，如金屬鉑催化劑。膜電極兩邊可用導(dǎo)電物體將發(fā)生電化學(xué)發(fā)應(yīng)過程中生成的電子，通過外電路引出，構(gòu)成電流回路。
在膜電極的陽極端，燃料可以通過滲透穿過多孔性擴散材料(碳紙)，并在催化劑表面上發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，失去電子，形成正離子，正離子可通過遷移穿過質(zhì)子交換膜，到達膜電極的另一端陰極端。在膜電極的陰極端，含有氧化劑(如氧氣)的氣體，如空氣，通過滲透穿過多孔性擴散材料(碳紙)，并在催化劑表面上發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)得到電子，形成負離子。在陰極端形成的陰離子與陽極端遷移過來的正離子發(fā)生反應(yīng)，形成反應(yīng)產(chǎn)物。
在采用氫氣為燃料，含有氧氣的空氣為氧化劑(或純氧為氧化劑)的質(zhì)子交換膜燃料電池中，燃料氫氣在陽極區(qū)的催化電化學(xué)反應(yīng)就產(chǎn)生了氫正離子(或叫質(zhì)子)。質(zhì)子交換膜幫助氫正離子從陽極區(qū)遷移到陰極區(qū)。除此之外，質(zhì)子交換膜將含氫氣燃料的氣流與含氧的氣流分隔開來，使它們不會相互混合而產(chǎn)生爆發(fā)式反應(yīng)。
在陰極區(qū)，氧氣在催化劑表面上得到電子，形成負離子，并與陽極區(qū)遷移過來的氫正離子反應(yīng)，生成反應(yīng)產(chǎn)物水。在采用氫氣、空氣(氧氣)的質(zhì)子交換膜燃料電池中，陽極反應(yīng)與陰極反應(yīng)可以用以下方程式表達
陽極反應(yīng)陰極反應(yīng)在典型的質(zhì)子交換膜燃料電池中，膜電極(MEA)一般均放在兩塊導(dǎo)電的極板中間，每塊導(dǎo)流極板與膜電極接觸的表面通過壓鑄、沖壓或機械銑刻，形成至少一條以上的導(dǎo)流槽。這些導(dǎo)流極板可以上金屬材料的極板，也可以是石墨材料的極板。這些導(dǎo)流極板上的流體孔道與導(dǎo)流槽分別將燃料和氧化劑導(dǎo)入膜電極兩邊的陽極區(qū)與陰極區(qū)。在一個質(zhì)子交換膜燃料電池單電池的構(gòu)造中，只存在一個膜電極，膜電極兩邊分別是陽極燃料的導(dǎo)流板與陰極氧化劑的導(dǎo)流板。這些導(dǎo)流板既作為電流集流板，也作為膜電極兩邊的機械支撐，導(dǎo)流板上的導(dǎo)流槽又作為燃料與氧化劑進入陽極、陰極表面的通道，并作為帶走燃料電池運行過程中生成的水的通道。
為了增大整個質(zhì)子交換膜燃料電池的總功率，兩個或兩個以上的單電池通?？赏ㄟ^直疊的方式串聯(lián)成電池組或通過平鋪的方式聯(lián)成電池組。在直疊、串聯(lián)式的電池組中，一塊極板的兩面都可以有導(dǎo)流槽，其中一面可以作為一個膜電極的陽極導(dǎo)流面，而另一面又可作為另一個相鄰膜電極的陰極導(dǎo)流面，這種極板叫做雙極板。一連串的單電池通過一定方式連在一起而組成一個電池組。電池組通常通過前端板、后端板及拉桿緊固在一起成為一體。
一個典型電池組通常包括(1)燃料及氧化劑氣體的導(dǎo)流進口和導(dǎo)流通道，將燃料(如氫氣、甲醇或甲醇、天然氣、汽油經(jīng)重整后得到的富氫氣體)和氧化劑(主要是氧氣或空氣)均勻地分布到各個陽極、陰極面的導(dǎo)流槽中；(2)冷卻流體(如水)的進出口與導(dǎo)流通道，將冷卻流體均勻分布到各個電池組內(nèi)冷卻通道中，將燃料電池內(nèi)氫、氧電化學(xué)放熱反應(yīng)生成的熱吸收并帶出電池組進行散熱；(3)燃料與氧化劑氣體的出口與相應(yīng)的導(dǎo)流通道，燃料氣體與氧化劑氣體在排出時，可攜帶出燃料電池中生成的液、汽態(tài)的水。通常，將所有燃料、氧化劑、冷卻流體的進出口都開在燃料電池組的一個端板上或兩個端板上。
質(zhì)子交換膜燃料電池既可以用作車、船等運載工具的動力系統(tǒng)，又可以用作移動式或固定式發(fā)電站。
質(zhì)子交換膜燃料電池一般由若干個單電池通過串聯(lián)或并聯(lián)的方式組裝在一起成為燃料電池堆。
如圖1是現(xiàn)有燃料電池單電池中的導(dǎo)流極板，它包括空氣進氣口1a，進水口2a，氫氣進氣口3a，流道4a，空氣出氣口5a，出水口6a，氫氣出氣口7a；如圖2是現(xiàn)有燃料電池單電池中的三合一膜電極，它包括空氣進氣口1a，進水口2a，電極活性區(qū)域8a，空氣出氣口5a，出水口6a，氫氣出氣口7a；如圖3是現(xiàn)有的燃料電池堆，它包括燃料電池堆9a，集流母板10a、10b，端板11a、11b，金屬拉桿12a，螺帽13a。
現(xiàn)有燃料電池堆一般由若干單電池(單電池由導(dǎo)流極板、三合一膜電極構(gòu)成)，集流母板，前、后端板組裝而成，前、后端板上有許多條拉桿，一般用緊固件使拉桿將前、后端板壓緊成為一個燃料電池堆；緊固件拉桿加螺絲的方法是通常的緊固方法。
燃料電池堆必須用緊固件將前、后端板充分壓緊，但又必須均勻地壓緊到某一合適的壓力范圍內(nèi)，確保燃料電池堆安全、高效運行。
在燃料電池大規(guī)模生產(chǎn)時，必須首先實現(xiàn)可以對大量的單電池(單電池一般由導(dǎo)流極板、三合一膜電極構(gòu)成)，正、負集流導(dǎo)電母板以及前、后端板的大規(guī)模裝配成為燃料電池堆，并且對燃料電池堆進行運行測試。主要是對初次裝配成功的燃料電池堆按產(chǎn)品設(shè)計技術(shù)指標進行運行測試，主要是在不同壓力、流量、溫度等運行參數(shù)下檢測燃料電池堆輸出的電流、電壓，甚至是燃料電池堆中的每個單電池的工作電壓。
一般來說，在初次裝配成功的燃料電池堆組成的每個單電池或其它部件可能沒有達到產(chǎn)品設(shè)計的技術(shù)指標，所以必須將整個燃料電池堆重新拆卸下來，更換掉質(zhì)量次的單電池或部件，重新裝配，直至通過運行測試要求為止。
目前，這種通常的用拉桿加緊固件的緊固裝配的燃料電池堆對反復(fù)裝配非常不利，對實現(xiàn)大規(guī)模的燃料電池堆裝配與測試帶來巨大障礙。
1.對燃料電池堆拉桿緊固裝配要求特別高，必須達到整個燃料電池堆的前、后端板上每個區(qū)域受到基本一致及相同的緊固力，這種要求是非常困難的，實際操作往往會使整個燃料電池堆的前、后端板上某個區(qū)域受到的緊固力比較小，而某個區(qū)域受到的緊固力較大，而導(dǎo)致燃料電池極板上的某些區(qū)域受到壓緊力不夠，導(dǎo)致電極與導(dǎo)流極板接觸電阻太大，而某些區(qū)域受到壓緊力太大，導(dǎo)致極板變形或碎裂，或?qū)е码姌O受傷。
2.這種燃料電池堆靠拉桿緊固裝配在燃料電池受熱膨脹或冷縮時，燃料電池堆的前、后端板上受到的壓力大不一樣，嚴重時會導(dǎo)致極板或電極受傷。
3.每次這種燃料電池堆靠拉桿緊固裝配時都必須花大量時間，無法實現(xiàn)大規(guī)模地快速裝配與測試。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷而提供一種拆裝方便、單電池受力均勻的適合燃料電池堆大規(guī)模快速裝配與測試的裝配架。
本發(fā)明的目的可以通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)一種適合燃料電池堆大規(guī)?？焖傺b配與測試的裝配架，其特征在于，該裝配架包括工作臺、壓力可調(diào)壓緊裝置、定位導(dǎo)桿，所述的工作臺設(shè)有板式臺面，用于支承壓力可調(diào)壓緊裝置和需裝配與測試的燃料電池堆，所述的壓力可調(diào)壓緊裝置設(shè)在臺面的一端，所述的燃料電池堆設(shè)在臺面的另一端，所述的定位導(dǎo)桿至少設(shè)有兩根，該定位導(dǎo)桿沿軸向垂直穿設(shè)于燃料電池堆的前后端板上，所述的壓力可調(diào)壓緊裝置設(shè)有頂桿，該頂桿推動燃料電池堆的后端板沿軸向向前端板方向做壓緊動作。
所述的壓力可調(diào)壓緊裝置包括活塞式氣缸、氣缸固定前端板、氣缸固定后端板、頂桿、固定拉桿、連接套筒，所述的頂桿為與汽缸活塞連接的頂出機構(gòu)，所述的固定拉桿沿軸向穿設(shè)于氣缸固定前、后端板的四個角部并予以固定，所述的連接套筒將固定拉桿與燃料電池堆的金屬拉桿套接，所述的頂桿推動燃料電池堆后端板沿軸向向前端板方向做壓緊動作。
所述的壓力可調(diào)壓緊裝置采用液壓千斤頂代替活塞式氣缸。
所述的定位導(dǎo)桿設(shè)有四根，分別設(shè)在需裝配與測試的燃料電池堆前后端板的左右與底部，其中，左右兩根為定位導(dǎo)桿，底部兩根為除了定位之外，還具有支撐燃料電池堆作用的表面光滑的導(dǎo)桿。
所述的需裝配與測試的燃料電池堆的前端板上集中設(shè)有氫氣進出口、空氣進出口以及冷卻流體進出口。
本發(fā)明的以上技術(shù)方案為燃料電池堆的大規(guī)模快速裝配與測試提供了保證。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下特點1.可以準確無誤地將前、后端板、正負集流導(dǎo)電母板及數(shù)個單電池等部件按次序裝入裝配架。裝配架上有精確度很高的二根以上的導(dǎo)桿組成，可以讓上述所有部件自動對齊；2.裝配架后端有一自動、壓力可調(diào)的壓緊裝置，可以由采用一種液壓千斤頂式的壓緊裝置或充氣氣壓活塞式氣缸壓緊裝置；3.按上述預(yù)設(shè)壓力要求壓緊后，壓緊壓力一般在單電池每平方厘米受力2～10公斤左右，可以將上述燃料電池堆前、后端板穿上拉桿，并用手擰上緊固螺帽，當松開上述壓緊裝置時，也就是說壓緊裝置去掉對燃料電池堆的壓力時，拉桿與緊固螺帽繼續(xù)對前、后端板壓緊，所施壓力與上述壓緊裝置相同；4.燃料電池堆在上述裝配架上，并按預(yù)設(shè)壓力壓緊后，也可以暫時不穿上拉桿與緊固螺帽，直接進行燃料電池堆的運行測試。如發(fā)現(xiàn)有質(zhì)量問題的單電池或部件，可以立即解除壓緊裝置中的壓力，并且進行快速更換，隨后又重新施加壓緊裝置上的壓力，并繼續(xù)進行運行測試，直至整個燃料電池堆運行性能達到產(chǎn)品技術(shù)指標要求。最后可以穿上拉桿與緊固螺帽，并從裝配架上取下。


圖1為現(xiàn)有燃料電池堆導(dǎo)流極板的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為現(xiàn)有燃料電池堆膜電極的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為現(xiàn)有燃料電池堆的結(jié)構(gòu)示意圖；圖4為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式
實施例1如圖4所示，一種適合燃料電池堆大規(guī)?？焖傺b配與測試的裝配架，該裝配架包括工作臺1、壓力可調(diào)壓緊裝置2、定位導(dǎo)桿3，所述的工作臺設(shè)有板式臺面11，用于支承壓力可調(diào)壓緊裝置2和需裝配與測試的燃料電池堆4，所述的壓力可調(diào)壓緊裝置2設(shè)在臺面11的一端，所述的燃料電池堆4設(shè)在臺面11的另一端，所述的定位導(dǎo)桿3設(shè)有四根，該定位導(dǎo)桿3沿軸向垂直穿設(shè)于燃料電池堆4的前后端板41、42上，其中，四根定位導(dǎo)桿3分別設(shè)在需裝配與測試的燃料電池堆4前后端板41、42的左右與底部，左右兩根為定位導(dǎo)桿，底部兩根為除了定位之外，還具有支撐燃料電池堆作用的表面光滑的導(dǎo)桿。所述的壓力可調(diào)壓緊裝置2設(shè)有頂桿21，該頂桿21推動燃料電池堆的后端板42沿軸向向前端板41方向做壓緊動作。
所述的壓力可調(diào)壓緊裝置2包括活塞式氣缸22、氣缸固定前端板221、氣缸固定后端板222、頂桿21、固定拉桿23、連接套筒24，所述的頂桿21為與汽缸活塞連接的頂出機構(gòu)，所述的固定拉桿23沿軸向穿設(shè)于氣缸固定前、后端板221、222的四個角部并予以固定，所述的連接套筒24將固定拉桿23與燃料電池堆4的金屬拉桿43套接，所述的頂桿21推動燃料電池堆4后端板42沿軸向向前端板41方向做壓緊動作。
所述的需裝配與測試的燃料電池堆4的前端板41上集中設(shè)有氫氣進出口411、411’，空氣進出口412、412’以及冷卻水進出口413、413’。
本實施例中，燃料電池堆4由前端板、正極導(dǎo)電集流母板、100個單電池、負極導(dǎo)電集流母板以及后端板組成。單電池高206mm，寬206mm。裝配架上有四根定位導(dǎo)桿，底部二根定位導(dǎo)桿(圖未示)，左、右二根定位導(dǎo)桿3。其中底部二根供支撐燃料電池堆之用，表面做得非常光滑，有利于當燃料電池堆受到壓緊裝置壓力而緊縮時可以滑動；左、右二根定位導(dǎo)桿3距離比206mm稍寬0.05-0.20mm，有利于各個單電池裝配整齊。
壓緊裝置采用一個活塞式氣缸2，當氣缸22中充入空氣或氮氣六個大氣壓時，活塞向燃料電池堆后端板移動，活塞頂桿21將后端板42壓緊。此時，將燃料電池堆4前端板41上的三種流體進、出口用管子引出，直接進行燃料電池堆運行測試。
實施例2請參照圖4，本實施例中，燃料電池堆4由前端板、正極導(dǎo)電集流母板、100個單電池、負極導(dǎo)電集流母板以及后端板組成。單電池高206mm，寬206mm。裝配架上有四根定位導(dǎo)桿3，底部二根(圖未示)，左、右二根。其中底部二根供支撐燃料電池堆之用，表面做得非常光滑，有利于當燃料電池堆受到壓緊裝置壓力而緊縮時可以滑動，左、右二根距離比206mm稍寬0.05mm-0.20mm，有利于各個單電池裝配整齊。
壓緊裝置2采用一個液壓千斤頂式頂頭21，當手搖液壓桿將頂頭壓強提升到10公斤/每平方厘米時，頂頭21將燃料電池堆后端板42壓緊。
此時，將燃料電池堆前端板41上的三種流體進、出口用管子引出，直接進行燃料電池運行測試。測試完成，各個部件都正常，在前、后端板上的四根拉桿43靠近前、后端板處就已設(shè)置好的緊固螺帽，擰上緊固螺帽后，再松開千斤頂頂頭，并將四個活拆螺桿連接套筒24往燃料電池堆相反的方向旋轉(zhuǎn)，使燃料電池堆與壓緊裝置的連接拉桿斷開，卸下燃料電池堆，完成測試與裝配。
其余結(jié)構(gòu)與實施例1相同。
權(quán)利要求
1.一種適合燃料電池堆大規(guī)?？焖傺b配與測試的裝配架，其特征在于，該裝配架包括工作臺、壓力可調(diào)壓緊裝置、定位導(dǎo)桿，所述的工作臺設(shè)有板式臺面，用于支承壓力可調(diào)壓緊裝置和需裝配與測試的燃料電池堆，所述的壓力可調(diào)壓緊裝置設(shè)在臺面的一端，所述的燃料電池堆設(shè)在臺面的另一端，所述的定位導(dǎo)桿至少設(shè)有兩根，該定位導(dǎo)桿沿軸向垂直穿設(shè)于燃料電池堆的前后端板上，所述的壓力可調(diào)壓緊裝置設(shè)有頂桿，該頂桿推動燃料電池堆的后端板沿軸向向前端板方向做壓緊動作。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種適合燃料電池堆大規(guī)?？焖傺b配與測試的裝配架，其特征在于，所述的壓力可調(diào)壓緊裝置包括活塞式氣缸、氣缸固定前端板、氣缸固定后端板、頂桿、固定拉桿、連接套筒，所述的頂桿為與汽缸活塞連接的頂出機構(gòu)，所述的固定拉桿沿軸向穿設(shè)于氣缸固定前、后端板的四個角部并予以固定，所述的連接套筒將固定拉桿與燃料電池堆的金屬拉桿套接，所述的頂桿推動燃料電池堆后端板沿軸向向前端板方向做壓緊動作。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種適合燃料電池堆大規(guī)?？焖傺b配與測試的裝配架，其特征在于，所述的壓力可調(diào)壓緊裝置采用液壓千斤頂代替活塞式氣缸。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種適合燃料電池堆大規(guī)?？焖傺b配與測試的裝配架，其特征在于，所述的定位導(dǎo)桿設(shè)有四根，分別設(shè)在需裝配與測試的燃料電池堆前后端板的左右與底部，其中，左右兩根為定位導(dǎo)桿，底部兩根為除了定位之外，還具有支撐燃料電池堆作用的表面光滑的導(dǎo)桿。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種適合燃料電池堆大規(guī)模快速裝配與測試的裝配架，其特征在于，所述的需裝配與測試的燃料電池堆的前端板上集中設(shè)有氫氣進出口、空氣進出口以及冷卻流體進出口。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種適合燃料電池堆大規(guī)?？焖傺b配與測試的裝配架，該裝配架包括工作臺、壓力可調(diào)壓緊裝置、定位導(dǎo)桿，所述的工作臺設(shè)有板式臺面，用于支承壓力可調(diào)壓緊裝置和需裝配與測試的燃料電池堆，所述的壓力可調(diào)壓緊裝置設(shè)在臺面的一端，所述的燃料電池堆設(shè)在臺面的另一端，所述的定位導(dǎo)桿至少設(shè)有兩根，該定位導(dǎo)桿沿軸向垂直穿設(shè)于燃料電池堆的前后端板上，所述的壓力可調(diào)壓緊裝置設(shè)有頂桿，該頂桿推動燃料電池堆的后端板沿軸向向前端板方向做壓緊動作。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有拆裝方便、單電池受力均勻等特點。
文檔編號H01M8/00GK1750303SQ20041006632
公開日2006年3月22日 申請日期2004年9月13日 優(yōu)先權(quán)日2004年9月13日
發(fā)明者胡里清, 夏建偉, 章波 申請人:上海神力科技有限公司