一种电堆堆芯、燃料电池、车辆及电堆堆芯的组装方法与流程

1.本发明涉及燃料电池技术领域，尤其涉及一种电堆堆芯、燃料电池、车辆及电堆堆芯的组装方法。


背景技术：

2.燃料电池的电堆堆芯是由多个双极板和多个膜电极依次堆叠装配而成，为了保证装配精度，现有电堆堆芯在组装时，通常采用定位柱或视觉检测来确定堆叠过程中各个双极板的装配位置，而定位柱和视觉检都是通过双极板的尺寸外形来控制，由于双极板在加工时因尺寸公差的存在无法保证各个双极板完全一致，各个双极板的质心的位置会有所差异，从而电堆堆芯在装配完成后，电堆堆芯的多个双极板易发生质心偏移，当电堆堆芯受到外力作用时容易发生变形，以致失去平衡。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于：提供一种电堆堆芯、燃料电池、车辆及电堆堆芯的组装方法，以解决相关技术中由于双极板在加工时因尺寸公差的存在无法保证各个双极板完全一致，导致电堆堆芯装配后质心发生偏移，进而导致抗变形能力较差的问题。
4.本发明提供一种电堆堆芯，该电堆堆芯包括：
5.包括多个双极板、多个膜电极、第一端板和第二端板，所述第一端板和所述第二端板间隔设置，多个所述双极板和多个所述膜电极均位于所述第一端板和所述第二端板之间，任意相邻的两个所述双极板之间均设置有一个所述膜电极，且任意相邻的两个所述膜电极之间均设置有一个所述双极板，其特征在于，多个所述双极板的质心位于同一直线上。
6.作为电堆堆芯的优选技术方案，多个所述双极板的质心所在的直线垂直于所述第一端板。
7.作为电堆堆芯的优选技术方案，所述双极板还具有定位面，所述定位面与多个所述双极板的质心所在的直线平行，，多个所述双极板的所述定位面相互平行。
8.本发明还提供一种燃料电池，包括任一上述方案中所述的电堆堆芯。
9.本发明还提供一种车辆，包括上述方案中所述的燃料电池。
10.本发明还提供一种电堆堆芯的组装方法，用于组装任一上述方案中所述的电堆堆芯，包括：
11.将第一端板放置于堆叠平台；
12.在所述第一端板的上方交替堆叠多个双极板和多个膜电极，并且交替堆叠多个双极板和多个膜电极的过程中使多个双极板的质心位于同一直线上；
13.将第二端板安装至最上方的双极板上。
14.作为电堆堆芯的组装方法的优选技术方案，在所述第一端板的上方交替堆叠多个双极板和多个膜电极包括：
15.s1：确定第一个双极板的质心位置，将第一个双极板安装至第一端板上方；
16.s2：将第一个膜电极安装至第一个双极板的上方；
17.s3：确定第二个双极板的质心位置，将第二个双极板安装至第一个膜电极的上方，并且第二个双极板的质心位置和第一个双极板的质心位置位于装配直线上；
18.……
19.s2n：将第n个膜电极安装至第n个双极板的上方，n为不小于2的正整数；
20.s2n+1：确定第n+1个双极板的质心位置，将第n+1个双极板安装至第n个膜电极的上方，并且第n+1个双极板的质心位置和第n个双极板的质心位置位于装配直线上。
21.作为电堆堆芯的组装方法的优选技术方案，通过质心测量装置对所述双极板进行测量以确定所述双极板的质心位置。
22.作为电堆堆芯的组装方法的优选技术方案，确定所述双极板的质心位置后，采用机械手从质心测量装置抓取所述双极板，并将所述双极板放置于所述第一端板上方或所述膜电极上方。
23.作为电堆堆芯的组装方法的优选技术方案，所述双极板还具有定位面，在步骤s2i+1中，i为大于等于1且小于等于n的正整数；
24.将第i+1个双极板安装至第i个膜电极的上方，并且第i+1个双极板的质心位置和第i个双极板的质心位置位于装配直线上后，以所述装配直线为中心转动所述第i+1个双极板，以使第i+1个双极板的定位面与第i个双极板的定位面平行。
25.本发明的有益效果为：
26.本发明提供一种电堆堆芯、燃料电池、车辆及电堆堆芯的组装方法，该电堆堆芯包括多个双极板、多个膜电极、第一端板和第二端板，第一端板和第二端板间隔设置，多个双极板和多个膜电极均位于第一端板和第二端板之间，任意相邻的两个双极板之间均设置有一个膜电极，且任意相邻的两个膜电极之间均设置有一个双极板，多个双极板的质心位于同一直线上，从而当电堆堆芯的端板承受外力作用时，双极板之间不容易发生错位，进而增强该电堆堆芯的抗变形能力，以保证其平衡性。
附图说明
27.图1为本发明实施例中电堆堆芯的结构示意图；
28.图2为本发明实施例中电堆堆芯受外力作用时的示意图；
29.图3为本发明实施例中电堆堆芯组装时的示意图。
30.图中：
31.1、第一端板；2、双极板；3、膜电极；4、第二端板。
具体实施方式
32.下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
33.在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、
以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。其中，术语“第一位置”和“第二位置”为两个不同的位置，而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
34.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
35.下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
36.燃料电池的电堆堆芯是由多个双极板2和多个膜电极3依次堆叠装配而成，为了保证装配精度，现有电堆堆芯在组装时，通常采用定位柱或视觉检测来确定堆叠过程中各个双极板2的装配位置，而定位柱和视觉检都是通过双极板2的尺寸外形来控制，由于双极板2在加工时因尺寸公差的存在无法保证各个双极板2完全一致，各个双极板2的质心的位置会有所差异，从而电堆堆芯在装配完成后，电堆堆芯的多个双极板2易发生质心偏移，当电堆堆芯受到外力作用时容易发生变形，以致失去平衡。
37.对此，如图1所示，本实施例提供一种电堆堆芯，该电堆堆芯包括多个双极板2、多个膜电极3、第一端板1和第二端板4，第一端板1和第二端板4沿第一方向间隔设置，多个双极板2和多个膜电极3均位于第一端板1和第二端板4之间，任意相邻的两个双极板2之间均设置有一个膜电极3，且任意相邻的两个膜电极3之间均设置有一个双极板2，多个双极板2的质心位于同一直线上。多个双极板2的质心所在的直线如图1中的l所示，通过将多个双极板2的质心设置于同一直线，能够显著增强该电堆的抗变形能力。
38.本实施例中，双极板2的数量比膜电极3的数量多一个，也就是说，第一端板1和第二端板4均和一个双极板2直接相抵。
39.如图2所示，当第一端板1或第二端板4承受大小为p的作用力时，现有技术中提供的电堆堆芯如图中实线所示，已经发生了变形，本实施例提供的电堆堆芯如图中虚线所示，由于各个双极板2的质心位置同一直线上，不容易发生变形，具有较高的抗冲击能力和抗振动能力，可以取消用于防止电堆堆芯变形的支撑杆或者支撑垫片，减少了零部件的数量，降低了整体重量并能够降低生产成本。
40.需要注意的是，随着电堆堆芯长度的增加，电堆堆芯的稳定性也必然会有所下降，但是相对现有的电堆堆芯，在相同变形度要求的情况下，本实施例提供的电堆堆芯可布置的更长，从而可显著增加该电堆堆芯中单电池的数量，提升功率。
41.可选地，多个双极板2的质心所在的直线垂直于第一端板1，如此设置，当电堆堆芯受到外力作用时，电堆堆芯的抗变形能力也最强。
42.可选地，双极板2还具有定位面，定位面与多个双极板2的质心所在的直线平行，多
个双极板2的定位面相互平行。虽然双极板2相互间质心位于同一直线上，但是质心仅能确定一个点，无法完全定位双极板2的自由度，因此通过定位面作为另一个定位基准，当两个双极板2的质心位于同一直线，且定位面平行后，两个双极板2的相对位置即可完全确定。在本实施例中，双极板2呈方形体结构，定位面可以为双极板2的一个侧面。
43.本实施例还提供一种燃料电池，包括上述燃料电池。
44.本实施还提供一种车辆，包括上述燃料电池。
45.本实施例还提供一种电堆堆芯的组装方法，该电堆堆芯的组装方法用于组装上述电堆堆芯。
46.具体地，如图3所示，该电堆堆芯的组装方法包括如下步骤：
47.s100：将第一端板1放置于堆叠平台。
48.可以人工将第一端板1放置于堆叠平台，也可以通过机械手将第一端板1放置于堆叠平台。可以理解的是，堆叠平台上设置有定位结构，该定位结构用于固定第一端板1，以便于在堆叠过程中使电堆堆芯保持稳定。
49.s200：在第一端板1的上方交替堆叠多个双极板2和多个膜电极3，并且交替堆叠多个双极板2和多个膜电极3的过程中使多个双极板2的质心位于同一直线上。
50.通过将多个双极板2在组装过程中保持质心在同一直线上，能够保证电堆堆芯的平衡性能，以及抗变形能力。
51.具体地，本实施例中双极板2的数量为n+1个，膜电极3的数量为n个，n为不小于2的正整数，步骤s200具体包括如下步骤：
52.s1：确定第一个双极板2的质心位置，将第一个双极板2安装至第一端板1上方；
53.s2：将第一个膜电极3安装至第一个双极板2的上方；
54.s3：确定第二个双极板2的质心位置，将第二个双极板2安装至第一个膜电极3的上方，并且第二个双极板2的质心位置和第一个双极板2的质心位置位于装配直线上；
55.……
56.s2n：将第n个膜电极3安装至第n个双极板2的上方，n为不小于2的正整数；
57.s2n+1：确定第n+1个双极板2的质心位置，将第n+1个双极板2安装至第n个膜电极3的上方，并且第n+1个双极板2的质心位置和第n个双极板2的质心位置位于装配直线上。
58.本实施例中，通过质心测量装置对双极板2进行测量以确定双极板2的质心位置。确定双极板2的质心位置后，采用机械手从质心测量装置抓取双极板2，并将双极板2放置于第一端板1上方或膜电极3上方。其中，质心测量装置为现有技术，在此对其具体结构不再赘述。
59.本实施例中，机械手、质心测量装置和堆叠平台均位于同一坐标系内，并且堆叠平台的上表面平行于水平面，装配直线即为各个双极板2质心所处的直线，该装配直线在组装过程中为竖直方向上的直线，并垂直第一端板1。
60.当质心测量装置确定双极板2的质心位置后，先在该坐标系内标定双极板2的质心位置的当前空间坐标，当机械手从质心测量装置抓取双极板2后，依据机械手的运动轨迹可确定双极板2的质心位置的空间运动轨迹，并当机械手将双极板2放置于第一端板1或膜电极3上时，可确定该双极板2的质心位置的最终位置。
61.其中，当机械手将第一个双极板2由质心测量装置搬运至堆叠平台时，可通过视觉
系统控制第一个双极板2和第一端板1的配合位置，比如第一双极板2和第一端板1均呈方形，第一双极板2的四个边和第一端板1的四个边平行，并且第一双极板2和第一端板1阴极进气道口重合，如此可确定第一双极板2和第一端板1的相对位置。
62.当机械手将第二个以及第二个以后的双极板2由质心测量装置搬运至堆叠平台时，依据前一个双极板2的质心位置作为参照，使当前双极板2的质心位置和前一个双极板2的质心位置的空间坐标的z轴重合。
63.可选地，在步骤s1-s2n+1中，对于步骤s2i+1，i为大于等于1且小于等于n的正整数；
64.当将第i+1个双极板2安装至第i个膜电极3的上方，并且第i+1个双极板2的质心位置和第i个双极板2的质心位置位于装配直线上后，以装配直线为中心转动第i+1个双极板2，以使第i+1个双极板2的定位面与第i个双极板2的定位面平行。具体地，机械手将第i+1个双极板2移动至第i个膜电极3的上方时，先使第i+1个双极板2和第i个双极板2在z轴上重合，然后依据视觉检测系统判断第i+1个双极板2的定位面与第i个双极板2的定位面是否平行，如果不平行，则以该装配直线为中心轴机械手带动第i+1个双极板2转动，直至依据视觉检测系统确定第i+1个双极板2的定位面与第i个双极板2的定位面平行后，通过机械手将第i+1个双极板2沿竖直方向放置于第i个膜电极3的上方。如此操作之后，可使两个双极板2直线的相对位置完全确定。
65.s300：将第二端板4安装至最上方的双极板2上。
66.其中，可以人工将第二端板4放置于最上方的双极板2上，也可以通过机械手将第二端板4放置于最上方的双极板2上。
67.需要注意的是，由于膜电极3相对双极板2而言，其质量较小，因此在堆叠过程中没有限定膜电极3的质心和双极板2的质心的相对关系，根据需要亦可将双极板2的质心和膜电极3的质心保持在同一直线上。
68.本实施例提供的电堆堆芯的组装方法，能够保证组装后的电堆堆芯的各个双极板2的质心位于同一直线上，能够保证电堆堆芯的平衡性能，以及抗变形能力，并且在变形度要求一定的情况下，相对现有技术中的电堆堆芯，本实施例提供的电堆堆芯的组装方法能够组装更多的双极板2和膜电极3，可显著提升电堆的功率。
69.显然，本发明的上述实施例仅仅是为了清楚说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。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，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。