一种燃料电池堆自动化气密性检测设备的制作方法

本实用新型涉及燃料电池堆自动化生产技术领域，特别是一种燃料电池堆自动化气密性检测设备。

背景技术：

在燃料电池堆自动化生产过程中，可能因密封体受损、装配不当或其他因素等造成燃料电池堆气密性受损，导致在运行过程中发生反应气体泄漏，从而降低燃料电池堆的效率和性能，甚至会出现安全问题，因此在完成电堆的装配及封装下线前均需要对电堆的气密性进行检测。在现有技术中，对燃料电池堆的气密性检测主要由人工完成，需要在电堆上反复插拔，不仅过程过于繁琐，还会对接头造成损坏。此外，由于燃料电池堆的体积较大，重量较重，在测试台上搬上搬下不仅耗费人力物力，工作效率低下，而且在搬运过程中可能会出现碰撞和剧烈振动，很容易对电堆造成损坏。

公布号为CN103900773A的实用新型专利，提供了一种燃料电池堆在线气密性检测装置及方法，包括压力表、气密性便利测试箱和气体泄漏速度测试计，其检测对象为被压机施压到组装压力但尚未旋紧螺母的电池堆。由于燃料电池堆尚未旋紧螺母紧固，在此种状态下进行气密性测试，可能发生堆叠的电池单元在施压中发生错位，无法保证各个电池单元的流道在测试过程中一直对齐，因此检测出的电堆气密性数值可能并不完全准确。

授权公告号为CN207703414U的实用新型专利，提供了一种用于燃料电池堆的气密性检测装置，包括移动式框架、设置在移动式支撑框架顶部的固定板以及设置在固定板上的气密性检测单元，移动式支撑框架内设有储气瓶，底部设有万向轮。通过万向轮将装置移动至预设位置，使装置能够根据需要，对不同位置处的燃料电池堆进行气密性检测。每次检测前，需要人工将可移动式框架移动至待测的燃料电池堆附近，工作效率较为低下，且这种检测模式不适用于大规模批量的自动化生产，而且移动式的结构不稳定性较为突出，容易造成测试结果产生偏差。

授权公告号为CN207649856U的实用新型专利，提供了一种燃料电池双极板气密性检测设备，仅仅是针对单个燃料电池双极板的气密性检测，无法用于检测组装好的燃料电池堆。

技术实现要素：

针对以上不足，本实用新型提供了一种燃料电池堆自动化气密性检测设备和检测方法，检测全过程由设备自动完成，在设置好各项参数的前提下，无需人工参与其中，有效解决了燃料电池堆体积过大、重量过重，在测试装置上取送较为困难等问题，提高了检测的自动化程度和精密度。

本实用新型的技术方案为：

一种燃料电池堆自动化气密性检测设备，包括机架、升降压力机构、气密检测机构、机械手和控制机构；

所述机架包括上顶板、下底板和支座，所述下底板为U字形，通过支架固定在支座上表面，所述上顶板位于下底板正上方，两者的四角通过支撑柱相连接固定；

所述升降压力机构包括驱动电机、压力机、推杆、下压板和升降套管，所述压力机固定在上顶板上表面，压力机与驱动电机的驱动轴相连接，所述上顶板在压力机固定处开孔，压力机下端连接推杆，推杆自孔中向下伸出，推杆下端面连接下压板，所述下压板位于上顶板和下底板中间，下压板四角设置升降套管，所述升降套管套设在对应的支撑柱上，所述下压板在压力机的驱动下、可沿支撑柱上下升降；

所述气密检测机构包括标气瓶、6个气动阀、进气管、出气管、阳极腔体进口气密接头、阳极腔体出口气密接头、阴极腔体进口气密接头、阴极腔体出口气密接头、水冷腔体进口气密接头、水冷腔体出口气密接头、压力传感器和通风系统，所述标气瓶安放于支座内，进气管一端连接标气瓶，另一端通过3个气动阀分别连接阳极腔体进口气密接头、阴极腔体进口气密接头和水冷腔体进口气密接头，所述出气管一端连接通风系统，另一端通过3 个气动阀分别连接阳极腔体出口气密接头、阴极腔体出口气密接头和水冷腔体出口气密接头；所述气密接头设于下压板的下表面，其位置与燃料电池堆上表面的腔体进出口位置相对应，所述阳极腔体进、出口气密接头、阴极腔体进、出口气密接头和水冷腔体进、出口气密接头分别用于连接燃料电池堆的阳极腔体进、出口、阴极腔体进、出口和水冷腔体进、出口，各气密接头的接口处均设有密封圈，所述阳极腔体出口气密接头、阴极腔体出口气密接头和水冷腔体出口气密接头处均安装有压力传感器；

所述机械手用于夹持燃料电池堆，放到下底板上，所述控制机构用于控制机械手的动作，以及驱动电机和气动阀的开闭。

所述升降压力机构还包括位置感应器，所述位置感应器设置于下压板的下表面，用于感应下压板的下降位置，位置感应器与驱动电机相连，将检测信号传输到驱动电机，驱动电机根据检测信号停止运行。

还包括光敏传感器，所述光敏传感器设于下底板的上表面，用于感应燃料电池堆是否已经放置到位，光敏传感器与控制机构相连接，将检测信号传输到控制机构，所述控制机构根据光敏传感器的检测信号自动启动驱动电机。

所述压力传感器与控制机构相连接，将压力结果传输到控制机构，当某压力值超过预设值时，控制机构自动关闭相应气动阀。

还包括限位机构，所述限位机构包括若干固定式限位块和弹性限位块，所述固定式限位块设于U字形下底板的三条边上表面，包括斜块和固定块；所述弹性限位块设于下压板下表面靠近四角处，包括弹性斜块、连接板、滑轨和平衡弹簧，所述连接板与下压板连接固定，连接板上设有滑轨，所述弹性斜块与滑轨滑动连接，弹性斜块的两端通过两根平衡弹簧分别连接到下压板下表面；所述斜块和弹性斜块的斜面均朝向内侧，与燃料电池堆边缘接触时均产生过盈配合。

还包括缓冲机构，所述缓冲机构设于下底板的上表面，包括减震座和弹簧销，所述减震座和弹簧销均为左右对称设置，弹簧销沿燃料电池堆的下表面边缘处排列，弹簧销未压下时其高度高于减震座。

所述下底板两侧的固定块上表面也设有弹簧销。

本实用新型在机架上设置升降压力机构，下压板位于上顶板和下底板中间，驱动电机驱动下压板上下移动，气密接头设置于下压板的下表面，标气瓶储存于机架内，机械手抓取燃料电池堆，放置于下底板上进行气密性测试。当下压板下降至与燃料电池堆上表面相接触时，相应位置的气密接头与燃料电池堆的腔体进出口相卡接，控制机构控制气动阀打开和关闭，对燃料电堆的气密性进行测试。

本装置的检测对象是已经装配好的燃料电池堆，检测过程中电池单元位置固定，不会发生位移和错位，检测结果更为准确。本检测设备无需人工搬移燃料电池堆或移动检测设备，不仅减轻了工作负担，提高了工作效率。电堆从气密性检测设备上取送均由机械手来完成，起降过程平稳，机械手工装上均装有减震垫，不会对燃料电池堆造成损坏。

检测过程中插拔气密接头和开闭气动阀完全由硬件系统控制完成，人工可对硬件系统参数进行设定调试，使其维持在最适宜的参数范围，避免人工操作的压力不均造成的接头易损坏的问题，设备的故障和维修率低。设备设有位置感应器和光敏传感器，根据位置感应器和光敏传感器的检测信号自动控制驱动电机运行以及电动阀开闭，实行整个检测过程自动化完成，适合配合燃料电池堆的自动化装配生产线使用，提高了生产效率，降低生产成本。

本实用新型的燃料电池堆气密性检测设备占地面积小，可适用于同等尺寸下、不同高度的电堆，应用范围广，接入速度快，易于操作，且检测精确度高。

附图说明

图1为本实用新型燃料电池堆自动化气密性检测设备立体图；

图2为本实用新型燃料电池堆自动化气密性检测设备正视图；

图3为本实用新型气密检测机构的结构示意图；

图4为本实用新型上顶板仰视立体图；

图5为本实用新型燃料电池堆立体俯视图；

图6为本实用新型下底板立体俯视图；

图7为本实用新型下底板俯视图；

图8为本实用新型弹性限位块的立体放大图；

图9为本实用新型燃料电池堆外泄露自动检测方法流程图；

图10为本实用新型燃料电池堆内泄露自动检测方法流程图。

具体实施方式

以下将结合附图对本实用新型的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本实用新型的目的、特征和效果。

参考图1和图2，本实用新型的燃料电池堆自动化气密性检测设备，包括机架、升降压力机构、气密检测机构、机械手和控制机构。机架包括上顶板11、下底板12和支座13，下底板12为U字形，通过支架14固定在支座13上表面，上顶板11位于下底板12正上方，两者的四角通过支撑柱15相连接固定。

升降压力机构包括驱动电机21、压力机22、推杆23、下压板24、升降套管25和位置感应器26，压力机22固定在上顶板11上表面，压力机22与驱动电机21的驱动轴相连接，上顶板11在压力机22固定处开孔，压力机22下端连接推杆23，推杆23自孔中向下伸出，推杆23下端面连接下压板24，下压板24位于上顶板11和下底板12中间，下压板24四角设置升降套管25，升降套管25套设在对应的支撑柱15上，下压板24在压力机22的驱动下、可沿支撑柱15上下升降。位置感应器26设置于下压板24的下表面，用于感应下压板 24的下降位置，位置感应器26与驱动电机21相连，将检测信号传输到驱动电机21，驱动电机21根据检测信号停止运行。

检测时，燃料电池堆80位于下压板24和下底板12之间的空间，由机械手夹持放入。下底板12和支架14均为U字形，其U形开口为燃料电池堆80进出的通道。支座13具有一定的高度和体积，其高度在机械手升降范围内。为了测试燃料电池堆是否已经放置到位，本实用新型的检测设备还设有光敏传感器62，如图7所示，光敏传感器62设于下底板12 的上表面，用于感应燃料电池堆80是否已经放置到位，光敏传感器62与控制机构相连接，将检测信号传输到控制机构，控制机构根据光敏传感器62的检测信号自动启动驱动电机21，驱动下压板24向下运动，开始检测程序。

参考图3，气密检测机构包括标气瓶31、6个气动阀32、进气管33、出气管34、阳极腔体进口气密接头35、阳极腔体出口气密接头36、阴极腔体进口气密接头37、阴极腔体出口气密接头38、水冷腔体进口气密接头39、水冷腔体出口气密接头40、压力传感器41和通风系统42。标气瓶31安放于支座13内，为气密检测机构供气。进气管33一端连接标气瓶31，另一端通过3个气动阀32分别连接阳极腔体进口气密接头35、阴极腔体进口气密接头37和水冷腔体进口气密接头39，出气管34一端连接通风系统42，另一端通过3个气动阀32分别连接阳极腔体出口气密接头36、阴极腔体出口气密接头38和水冷腔体出口气密接头40。气动阀32为Y型气动截止阀，便于安装和连接，安全可靠。

参考图4和图5，气密接头设于下压板24的下表面，其位置与燃料电池堆80上表面的腔体进出口位置相对应，阳极腔体进、出口气密接头35、36、阴极腔体进、出口气密接头 37、38和水冷腔体进、出口气密接头39、40分别对应连接燃料电池堆80的阳极腔体进、出口81、82、阴极腔体进、出口83、84和水冷腔体进、出口85、86，各气密接头的接口处均设有密封圈，阳极腔体出口气密接头36、阴极腔体出口气密接头38和水冷腔体出口气密接头40处均安装有压力传感器41，用于测量各个腔体内压力值，压力传感器41外接数字压力显示仪，以数值的方式显示压力。

控制机构用于控制机械手的动作，以及驱动电机21和气动阀32的开闭。在下压板24 的下降过程中，位置感应器26首先接触到燃料电池堆80的上表面，各气密接头在下压板 24的下降压力下与燃料电池堆80的腔体进/出口自动卡接，气密接头处的密封圈使接口处严丝合缝，防止气体泄漏。当下压板24下降到各气密接头与腔体进/出口互相连接，且二者接触点完全密封的位置时，位置感应器26发出检测信号，驱动电机21停止运行，下压板 24停止下降。

压力传感器41用于实时反馈相应腔体内压力信号，并与控制机构相连接，将压力结果传输到控制机构，当压力值达到预设值时，控制机构自动关闭相应气动阀32，阻止气体流出相应腔体，用于检测燃料电池堆80是否存在外泄漏或内泄漏。

为了限制燃料电池堆80在下压板24和下底板12之间的滑动位移，本实用新型的检测设备还设有限位机构，限位机构包括若干固定式限位块51和弹性限位块52。参考图6，固定式限位块51设于U字形下底板12的三条边上表面，呈均匀排列，保持各方向均匀受力。固定式限位块51包括固定块512和固定块512上方的斜块511，斜块511具有朝向内侧的斜面，斜面与燃料电池堆80边缘相接触。

参考图4和图8，弹性限位块52设于下压板24下表面靠近四角处，包括弹性斜块521、连接板522、滑轨523和平衡弹簧524，连接板522与下压板24连接固定，连接板522上设有滑轨523，弹性斜块521与滑轨523滑动连接，弹性斜块521的两端通过两根平衡弹簧 524分别连接到下压板24下表面，起到平衡压力的作用。弹性斜块521的斜面也朝向内侧，斜块511和弹性斜块521的斜面与燃料电池堆80边缘接触时均产生过盈配合，将燃料电池堆80固定在中央的位置，防止其在测试过程中产生位置偏移，影响测试结果。

为了防止机械手放置燃料电池堆80的过程中产生震动，造成物理损伤，本实用新型的检测设备还设有缓冲机构，缓冲机构设于下底板12的上表面，包括减震座71和弹簧销72，减震座71和弹簧销72均为左右对称设置，弹簧销72沿燃料电池堆80的下表面边缘处排列，弹簧销72未压下时其高度高于减震座71。当机械手松开燃料电池堆80时，电堆下表面首先接触到弹簧销72，其缓冲力使燃料电池堆缓缓下降，平稳地停在减震座71上。下底板12两侧的固定块512上表面也设有弹簧销72，弹簧销72的缓冲力使燃料电池堆80的下端边缘与斜块511的斜面接触时速度放缓，减少对燃料电池堆80的冲击力。

参考图9，本实用新型的燃料电池堆外泄露自动检测方法，包括以下步骤：

S1：机械手将燃料电池堆80夹起，放入下底板12上表面；

S2：燃料电池堆80凭借自重将弹簧销72压下，停在减震座71上；

S3：光敏传感器62发出检测信号给控制机构；

S4：控制机构控制驱动电机21启动，推杆23带动下压板24下降，向燃料电池堆80 靠近；

S5：阳极腔体进、出口气密接头35、36、阴极腔体进、出口气密接头37、38和水冷腔体进、出口气密接头39、40分别与燃料电池堆80的阳极腔体进、出口81、82、阴极腔体进、出口83、84和水冷腔体进、出口85、86相连接；

S6：位置感应器26发出检测信号给驱动电机21，驱动电机21停止运行；

S7：控制机构控制6个气动阀32全部打开，气体经进气管33从腔体进口进入腔体，再从腔体出口经出气管34排出到通风系统42；

S8：10秒钟后，控制机构关闭与出口气密接头相连的3个气动阀32，气体只能进入腔体，腔体内压力逐渐增大；

S9：压力传感器41显示相应腔体内的压力；

S10：当某个腔体内的压力值达到预设值100KPa时，控制机构关闭与相应腔体的进口气密接头相连的气动阀32，阻止气体继续进入相应腔体，直至关闭所有气动阀32；

S11：经过规定的时间后，若压力传感器41显示的某个腔体压力下降超过预设范围，则说明该燃料电池堆80存在外泄露，进入步骤S12；若全部腔体压力下降均在预设范围内，则该燃料电池堆80不存在外泄露，检测结束；

S12：控制系统打开与出口气密接头相连的3个气动阀32，腔体内气体从腔体出口经出气管34排出到通风系统42；

S13：控制系统控制驱动电机21反转，推杆23带动下压板24上升，回到初始位置；

S14：机械手将燃料电池堆80夹起，放入检修工位进行人工检修，修复后，再移至气密性检测设备内进行气密性测试，直至检测合格后进入下一道工序。

参考图10，本实用新型的燃料电池堆内泄露自动检测方法，包括以下步骤：

S1：机械手将燃料电池堆80夹起，放入下底板12上表面；

S2：燃料电池堆80凭借自重将弹簧销72压下，停在减震座71上；

S3：光敏传感器62发出检测信号给控制机构；

S4：控制机构控制驱动电机21启动，推杆23带动下压板24向下移动，向燃料电池堆 80靠近；

S5：阳极腔体进、出口气密接头35、36、阴极腔体进、出口气密接头37、38和水冷腔体进、出口气密接头39、40分别与燃料电池堆80的阳极腔体进、出口81、82、阴极腔体进、出口83、84和水冷腔体进、出口85、86相连接；

S6：位置感应器26发出检测信号给驱动电机21，驱动电机21停止运行；

S7：控制机构控制6个气动阀32全部打开，气体经进气管33从腔体进口进入腔体，再从腔体出口经出气管34排出到通风系统42；

S8：10秒钟后，控制机构关闭与出口气密接头相连的3个气动阀32，气体只能进入腔体，腔体内压力逐渐增大；

S9：压力传感器41显示相应腔体内的压力；

S10：当某个腔体内的压力值达到预设值100KPa时，控制机构关闭与相应腔体的进口气密接头相连的气动阀32，阻止气体继续进入相应腔体，直至关闭所有气动阀；

S11：经过规定的时间后，若压力传感器41显示的某个腔体压力下降超过预设范围，则说明该燃料电池堆80存在外泄露，进入步骤S23；若全部腔体压力下降在预设范围内，进入步骤S12；

S12：控制机构打开与出口气密接头相连的3个气动阀32，腔体内气体从腔体出口经出气管34排出到通风系统42；

S13：各个腔体的压力恢复到常压，控制机构关闭与出口气密接相连的3个气动阀32；

S14：控制机构打开与阳极腔体进口气密接头35相连的气动阀32，气体进入阳极腔体，腔体内压力逐渐增大；

S15：当阳极腔体内的压力值达到预设值100KPa时，控制机构关闭与阳极腔体进口气密接头35相连的气动阀32，气体停止进入阳极腔体；

S16：经过规定的时间后，若阴极腔体或水冷腔体的压力变化超过规定范围，则说明该燃料电池堆80存在内泄露，进入步骤S23；若阴极腔体和水冷腔体的压力变化均在规定范围内，进入步骤S17；

S17：控制机构打开与阴极腔体进口气密接头37相连的气动阀32，气体进入阴极腔体，腔体内压力逐渐增大；

S18：当阴极腔体内的压力值达到预设值100KPa时，控制机构关闭与阴极腔体进口气密接头35相连的气动阀32，气体停止进入阴极腔体；

S19：经过规定的时间后，若阳极腔体或水冷腔体的压力变化超过规定范围，则说明该燃料电池堆80存在内泄露，进入步骤S23；若阳极腔体和水冷腔体的压力变化均在规定范围内，进入步骤S20；

S20：控制机构打开与水冷腔体进口气密接头39相连的气动阀32，气体进入水冷腔体，腔体内压力逐渐增大；

S21：当水冷腔体内的压力值达到预设值100KPa时，控制机构关闭与水冷腔体进口气密接头35相连的气动阀32，气体停止进入水冷腔体；

S22：经过规定的时间后，若阳极腔体或阴极腔体的压力变化超过规定范围，则说明该燃料电池堆80存在内泄露，进入步骤S23；若阳极腔体和阴极腔体的压力变化均在规定范围内，则该燃料电池堆80不存在内泄露，检测结束；

S23：控制系统打开与出口气密接头相连的3个气动阀32，腔体内气体从腔体出口经出气管34排出到通风系统42；

S24：控制系统控制驱动电机21反转，推杆23带动下压板24上升，回到初始位置；

S25：机械手将燃料电池堆80夹起，放入检修工位进行人工检修，修复后，再移至气密性检测设备内进行气密性测试，直至检测合格后进入下一道工序。

以上公开的仅为本实用新型的实施例，但是，本实用新型并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化都应落入本实用新型的保护范围。