一种燃料电池的成组装配结构及装配方法与流程

本发明涉及燃料电池技术领域，特别涉及一种燃料电池的成组装配结构及装配方法。

背景技术：

随着环境问题日益严重，新能源技术不断涌现，氢能源作为一种环保高效的能源技术，逐渐受到广泛关注。其中质子交换膜燃料电池直接将氢气和氧气反应生成水并产生电能的装置，具有高效率、无污染、启动快等特点，将成为汽车、潜艇、基站、便携式电源等未来理想能源。典型的燃料电池主要由双极板、膜电极、密封组件、端板等通过层叠式装配组装成一个整体电堆。双极板起到收集电子，分配反应气体，支撑膜电极，排出反应水与冷却水等作用。膜电极为五合一的结构，包括两层碳纸、阴阳极催化剂和质子交换膜。传统的燃料电池双极板通常又石墨极板经过铣削加工而成，成本较高，同时石墨极板较脆，抗振性差，近年来逐步被不锈钢或钛材料的金属双极板所取代。金属薄片经过冲压、焊接、涂层、密封等工艺环节制成双极板，金属双极板在加工过程中存在尺寸偏差，给燃料电池长堆装配带来一定的困难。

目前现有的燃料电池装配过程主要通过内定位或外定位的方法实现组装。内定位方法通过双极板和膜电极定位孔依次插入螺栓杆中，之后将端板合压，拧紧螺栓，组成燃料电池电堆。由于极板和膜电极在制造过程中存在尺寸偏差，这种层叠式装配过程偏差不断积累，造成长堆装配困难，因此常规装配过程对极板和膜电极定位精度要求更为严格。专利cn105655609a公开了一种用于燃料电池装配的结构，由2个以上的定位节组成，定位节的一端设有凸出结构，另一端设有凹进结构，凸出结构嵌入到凹进结构中，依次连接后构成一段长的定位杆。专利cn101228658公开了一种用于燃料电池叠组的对准系统和方法,该发明在装配过程中通过对准装配部件到预定的位置上，同时改进在装配期间对各构件的接近途径实现装配过程。综上分析，现有的燃料电池装配过程都是通过定位的方法层级装配，组装成一个长堆，容易造成如果电堆某一节出现故障需要将整个电堆全部拆解，之后再次组装便尤为困难。

技术实现要素：

本发明针对上述问题，提供一种燃料电池的成组装配结构及装配方法。

本发明的目的可以通过下述技术方案来实现：一种燃料电池的成组装配结构，包括短堆组件、电堆端板和连接杆；所述短堆组件包括极板、膜电极和矩形抱箍，多个所述极板和膜电极一一间隔地层叠装配成一短堆电池体，其中，相邻两个极板中的一个极板上设有第一凸起结构和/或第一插槽结构，另一个极板上设有与第一凸起结构相对应的第二插槽结构和/或与第一插槽结构相对应的第二凸起结构，所述膜电极上设有嵌套结构，所述短堆电池体的两端分别设置一矩形抱箍；多个所述短堆组件层叠装配于两块电堆端板之间，两块电堆端板通过多根连接杆相连接。

进一步地，所述第一凸起结构、第一插槽结构、第二凸起结构、第二插槽结构布置于所在极板的外轮廓上，所述嵌套结构布置于膜电极的的外轮廓上。更进一步地，所述第一凸起结构、第一插槽结构、第二凸起结构、第二插槽结构采用冲压工艺与所在极板一体成形或采用注塑工艺制备后连接于所在极板上，所述嵌套结构采用冲压工艺与所在膜电极一体成形或采用注塑工艺制备后连接于所在膜电极上。

进一步地，所述第一凸起结构、第二凸起结构为异型结构或膨胀头，所述嵌套结构包括与第一凸起结构、第二凸起结构相对应的异型槽或配合孔。

进一步地，所述短堆组件的矩形抱箍上设有定位结构，相邻两个短堆组件通过各自矩形抱箍上的定位结构配合而层叠装配。

进一步地，多根所述连接杆呈包围状地布置于多个短堆组件的周侧。

一种燃料电池的成组装配方法，包括如下步骤：

（1）将多个极板和膜电极一一间隔地层叠并预紧装配成一短堆电池体，短堆电池体的两端分别环抱一矩形抱箍来进一步预紧，进而组成单个短堆组件；

（2）将多个短堆组件层叠装配；

（3）层叠装配好的多个短堆组件装配于两块电堆端板之间，两块电堆端板通过多根连接杆相连接。

其中，所述步骤（1）中，相邻两个极板上设有预紧配合的凸起结构和插槽结构，相邻两个极板中间的膜电极上设有供凸起结构穿过的嵌套结构，矩形抱箍上设有定位结构。

所述步骤（2）中，相邻两个短堆组件通过各自矩形抱箍上的定位结构配合而相连接。

所述步骤（3）中，先将多根连接杆中的一部分连接杆的一端与一块电堆端板连接，将层叠装配好的多个短堆组件设置于该电堆端板上并通过该部分连接杆预定位，再将多根连接杆中的剩余部分连接杆的一端与一块电堆端板连接，使得多根连接杆整体呈包围状地布置于层叠装配好的多个短堆组件的周侧，将另一块电堆端板盖上并与多根连接杆的另一端连接而装配成完整的燃料电池。

与现有技术相比，本发明的有益效果：采用上述短堆组件堆叠装配的结构和方法，显著提高了装配效率，保证电堆的一致性与稳定性，同时在燃料电池电堆后期使用过程中，如果某个短堆组件出现故障问题，可方便、快捷地拆解并更换。

附图说明

图1到图5为本发明的结构及装配过程的示意图。

图中部件标号如下：

1极板

101第一凸起结构

102第一插槽结构

103第二插槽结构

104第二凸起结构

2膜电极

3矩形抱箍

301定位结构

4电堆端板

5连接杆。

具体实施方式

以下结合附图详细说明本发明的具体实施方式，使本领域的技术人员更清楚地理解如何实践本发明。尽管结合其优选的具体实施方案描述了本发明，但这些实施方案只是阐述，而不是限制本发明的范围。

一种燃料电池的成组装配结构，包括短堆组件、电堆端板4和连接杆5。

参见图1和图2，所述短堆组件包括极板1、膜电极2和矩形抱箍3，多个所述极板1和膜电极2一一间隔地层叠并预紧装配成一短堆电池体，相邻两个极板1和中间的膜电极2之间无相对滑动，并有一定的预紧力，其中，相邻两个极板1中的一个极板1上设有第一凸起结构101和/或第一插槽结构102，另一个极板1上设有与第一凸起结构101相对应的第二插槽结构103和/或与第一插槽结构102相对应的第二凸起结构104，所述膜电极2上设有嵌套结构，所述嵌套结构包括与第一凸起结构101、第二凸起结构104相对应的异型槽或配合孔，所述短堆电池体的两端分别设置一矩形抱箍3来进一步预紧。

其中，所述第一凸起结构101、第一插槽结构102、第二凸起结构103、第二插槽结构104布置于所在极板1的外轮廓上，所述嵌套结构布置于膜电极2的的外轮廓上；所述第一凸起结构101、第二凸起结构104为异型结构或膨胀头，第一凸起结构101、第一插槽结构102、第二凸起结构103、第二插槽结构104可以由冲压工艺一体成形，也可以采用注塑或单独制备后粘接、机械连接于极板1上；所述嵌套结构可以是塑性结构，所述异型槽或配合孔与第一凸起结构101、第二凸起结构104间隙或过盈配合，嵌套结构也可以是弹性结构，嵌套结构可以由冲压工艺一体成形，也可以采用注塑或单独制备后粘接、机械连接于膜电极2上。

另外，对于单个短堆组件，最上侧的极板1上的第一凸起结构101和第二凸起结构103由于无装配关系，可以不设置。

参见图3至图5，多个所述短堆组件层叠装配于两块电堆端板4之间，两块电堆端板4通过多根连接杆5相连接。所述短堆组件的矩形抱箍3上设有定位结构301，定位结构301可以是内定位结构301或外定位结构301，相邻两个短堆组件通过各自矩形抱箍3上的定位结构301配合而层叠装配。多根连接杆5布置于多个短堆组件周侧而起到外定位作用。

具体装配步骤如下：（1）参见图1和图2，将多个极板1和膜电极2一一间隔地层叠并预紧装配成一短堆电池体，短堆电池体的两端分别环抱一矩形抱箍3来进一步预紧，进而组成单个短堆组件，其中，相邻两个极板1上设有预紧配合的凸起结构和插槽结构，相邻两个极板1中间的膜电极2上设有供凸起结构穿过的嵌套结构，矩形抱箍3上设有定位结构301；

（2）参见图3，将多个短堆组件层叠装配，其中，相邻两个短堆组件通过各自矩形抱箍3上的定位结构301配合而相连接；

（3）参见图4，先将多根连接杆5中的一部分连接杆5的一端与一块电堆端板4连接，将层叠装配好的多个短堆组件设置于该电堆端板4上并通过该部分连接杆5预定位，参见图5，再将多根连接杆5中的剩余部分连接杆5的一端与一块电堆端板4连接，使得多根连接杆5整体呈包围状地布置于层叠装配好的多个短堆组件的周侧，将另一块电堆端板4盖上并与多根连接杆5的另一端连接而装配成完整的燃料电池。

采用上述短堆组件堆叠装配的结构和方法，显著提高了装配效率，保证电堆的一致性与稳定性，同时在燃料电池电堆后期使用过程中，如果某个短堆组件出现故障问题，可方便、快捷地拆解并更换。

应当指出，对于经充分说明的本发明来说，还可具有多种变换及改型的实施方案，并不局限于上述实施方式的具体实施例。上述实施例仅仅作为本发明的说明，而不是对本发明的限制。总之，本发明的保护范围应包括那些对于本领域普通技术人员来说显而易见的变换或替代以及改型。