一种束紧-束紧力维持装置及其使用方法、应用

本发明涉及燃料电池，具体涉及一种束紧-束紧力维持装置及其使用方法、应用。

背景技术：

1、随着全球工业化进程逐步推进，化石能源的使用量和需求量逐渐提高，导致人类对不可再生资源进行了毫无节制的开采，由此带来一系列的能源枯竭与环境污染问题。这些问题逐渐成为二十一世纪人类不得不面临的世界性难题，因此急需找到一种能量密度高、稳定性好、成本较低、高效且无污染的新型能源替代化石能源，氢能作为其中的代表受到了人们的广泛关注。以氢气作为燃料的质子交换膜燃料电池(pemfc)具有多重优势：首先，氢气具有高能量密度并且不会产生有害的尾气和温室气体，是一种极为清洁和环保的能源；其次，基于氢气的质子交换膜燃料电池具有效率高、响应快速、噪音低、振动低等一系列优点，尤其适用于各种交通运输工具、航空航天和家庭等领域；此外与传统内燃机相比，pemfc还具有结构简单、易于维护和长寿命等优点。随着技术的不断发展和进步，氢能和质子交换膜燃料电池的优势将进一步发挥，成为未来清洁能源发展的重要选择。

2、pemfc的单电池一般由双极板(bp)、气体扩散层(gdl)、催化层(cl)以及质子交换膜(pem)等组成。其中bp包括阳极板和阴极板两部分，主要起到传质、导电和支撑等作用。gdl位于电极催化层和bp之间，主要用于扩散氢气和氧气并防止液态水进入电极催化层，gdl通常由碳纤维材料制成，具有良好的导电性和气体扩散性。cl是涂覆在gdl上的一层薄膜，其中含有贵金属催化剂(如铂、铑等)，能够加速氢气和氧气的反应，产生水和电能。pem是pemfc单电池的核心部件之一，它能够选择性的传递质子并阻止电子的流动，从而使电流只能在外部电路中流动。pem通常使用氟化聚合物作为原材料，具有良好的质子传递性、稳定性和耐腐蚀性。

3、在实际应用过程中，pemfc一般由多个单电池和其他零部件组成电堆进行工作。在装配过程中单电池和零部件的制造误差会随着装配积累到总误差当中，同时考虑在操作过程中的装配误差，最终使得装配的误差较大影响到电堆的性能和寿命，因此需要采用良好的封装工艺以减小装配误差及其不利影响。此外在燃料电池的装配和使用过程中，由于操作和使用不规范以及反应导致的内部应力，可能使零部件间产生间隙和错位，进一步加大了装配误差，对电堆的性能和寿命产生不良影响。这些不良影响主要表现在：①可能降低电堆的效率，装配误差会导致单电池之间的气密性和电气性能下降，产生气体泄漏和电气接触不良，从而降低电堆的效率；②会影响电堆的结构稳定性和机械强度，从而影响电堆的可靠性；③误差过大可能导致电堆内部部件的损坏，进而影响电堆的使用寿命；④误差导致电堆的性能下降，需要对电堆进行维护和修理，从而增加了电堆的维护成本；另外由于电堆内部的部件紧密相连，故障部件的更换需要拆卸整个电堆，这也增加了维护成本和维修时间。

4、当前一般使用绑带或螺栓螺母等锁紧装置将多个单电池和其他零部件紧密连接在一起，但是在燃料电池堆工作和使用的过程中这些锁紧装置会发生变形、错位或者松动，使得原有的束紧效果减弱甚至消失，致使压紧力分布不均匀，导致电堆接触电阻变大、组件间接触不良，引发电堆产生气体或者冷却液泄漏，从而使电堆性能下降乃至失效。检索发现，现有的一些燃料电池束紧装置大多采用多个独立的绑带束紧装置实现对燃料电池堆的束紧效果，在使用过程中需要单独调节每个绑带束紧装置以便实现束紧力大小的调节，这样的操作不仅较为繁琐而且整体的效率也较低，具体参见中国专利cn217361683u、cn113921879a、cn113206280b等。此外现有的束紧装置并未配备束紧力精确调节机构，这使得独立调节各个绑带的过程中无法获得均匀的束紧力，即使部分装置设置了精确调节机构，在单独调节的过程中也会存在操作上的误差。因此，设计研发一种新型束紧装置来间隙燃料电池堆各部件间的正确配合，保证其正常运作十分必要。

技术实现思路

1、本发明旨在解决现有燃料电池堆束紧装置普遍存在的结构复杂、束紧力调节效率低、各个绑带不能同步精确调节、束紧力分布不均匀等问题。为此本发明提供一种质子交换膜燃料电池堆的束紧及束紧力维持装置，通过该装置能够在燃料电池堆装配完成后方便、快捷的调节束紧绑带施加在电堆上的束紧力，消除燃料电池电堆在使用过程中因束紧绑带变形或错位导致的束紧力减弱和分布不均匀，保证对燃料电池堆有效且精确的束紧力分配并且实现对所需束紧力的维持，防止由于部件间配合不良产生气体和液态泄漏现象，最大化的保持燃料电池系统的稳定性和安全性。为实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

2、一种束紧-束紧力维持装置，包括锥齿轮传动组1、束紧绑带5，所述锥齿轮传动组1包括相互啮合的大锥齿轮12和小锥齿轮11，所述束紧绑带5与小锥齿轮11的传动轴固定连接并被其带动。当大锥齿轮12转动时，带动与之啮合的小锥齿轮11转动，小锥齿轮11通过传动轴带动束紧绑带5运动，实现对待锁紧设备的束紧和保持。

3、进一步的，大锥齿轮12的数量为1个，小锥齿轮11的数量为4个，并且这些小锥齿轮11在同一平面内十字对称排列，大锥齿轮12垂直于该平面并且同时与所有小锥齿轮11啮合传动。这种设计确保一个大锥齿轮12能够同时同步带动多个小锥齿轮，进而同时同步带动多条束紧绑带从不同方向束紧待锁紧设备。

4、进一步的，束紧绑带5的数量也为4条，并且这些束紧绑带分为两组，每一组内的两根束紧绑带平行包裹在待锁紧设备上，不同组的两根束紧绑带相互垂直。通过4根束紧绑带对待锁紧设备进行了可靠、全面的束紧和保护，并且束紧力均匀分布，有利于待锁紧设备更好的运行。

5、进一步的，该装置还包括大锥齿轮传动轴总成2，其包括大锥齿轮传动轴21、大锥齿轮传动轴底座212。所述大锥齿轮传动轴底座212固定在待锁紧设备上，在大锥齿轮传动轴底座212上设置有阶梯状凹槽，所述大锥齿轮传动轴21端部活动安装在该阶梯状凹槽中；所述大锥齿轮12套装在大锥齿轮传动轴21上，所述小锥齿轮11与大锥齿轮12啮合并将其压紧。

6、更进一步的，该装置还包括刻度盘8，所述刻度盘8套装在大锥齿轮传动轴21上并随其转动。刻度盘的作用在于精确控制锥齿轮传动组的转动，进而精确控制被其带动的束紧绑带的收紧程度。

7、进一步的，该装置还包括四套相同结构的小锥齿轮传动轴总成3，每一套小锥齿轮传动轴总成3均包括小锥齿轮传动轴31、传动轴支架；小锥齿轮传动轴31的一端与小锥齿轮11固定连接，另一端与传动轴支架固定连接并能灵活转动。

8、进一步的，该装置还包括四套相同结构的锁死机构4，每一套锁死机构4均包括压制件41、锁死机构底座42，其中锁死机构底座42固定在待锁紧设备上，压制件41固定在锁死机构底座42上；在锁死机构底座42上设置有供束紧绑带5通过的凹槽，在压制件41上设置有齿，在束紧绑带5表面设置有与之对应的扣齿52。压制件的齿与束紧绑带的扣齿使得束紧绑带只能单向运动并保持拉紧状态，由此确保待锁紧设备始终处于束紧状态。

9、进一步的，该装置还包括供给-排出组件7，所述供给-排出组件7固定在待锁紧设备表面，并且与待锁紧设备内部连通。在供给-排出组件7上还设置有避让束紧绑带5的凹槽。

10、进一步的，所述待锁紧设备具体为燃料电池堆总成6或者装载货物的货箱以及成堆的货物。

11、本发明的目的之二在于提供上述束紧-束紧力维持装置的使用方法，包括以下步骤：转动大锥齿轮传动轴21，带动大锥齿轮12和刻度盘8同时转动；大锥齿轮12带动小锥齿轮11转动，小锥齿轮11带动与之相连的小锥齿轮传动轴31转动，束紧绑带5缠绕在小锥齿轮传动轴31上并不断拉紧，与此同时锁死机构4限制束紧绑带5反向运动，由此实现对待锁紧设备的束紧和保持。

12、本发明的目的之三在于提供上述束紧-束紧力维持装置在燃料电池堆、货箱及堆叠码放货物的固定等方面的应用。

13、本发明的目的之四在于提供一种搭载有上述束紧-束紧力维持装置的质子交换膜燃料电池堆。

14、与现有同类技术相比，本发明取得了以下预料不到的有益效果：

15、1)本技术提供的束紧及束紧力维持装置的各个组件都设置了定位孔和定位槽，方便燃料电池组件的快速安装与定位，降低了燃料电池在装配过程中的公差，提高了燃料电池组件的安装效率。

16、2)本技术提供的束紧及束紧力维持装置采用锥齿轮传动，将输入的旋转力矩转化为轴和锥齿轮的转动，最终转化为束紧绑带的移动，以较为简单的结构实现了同时对多根束紧绑带束紧力的同步、统一、快速调节，通过束紧绑带上的扣齿与锁死机构的配合，还实现了束紧力的锁紧和维持，并且提供刻度盘和弹性材料确保束紧绑带的调节更加精确可控。

17、3)本发明通过对束紧力的精准调整，防止由于燃料电池堆化学反应产生的内应力、燃料电池零部件的制造误差和使用过程带来的束紧绑带变形和错位，避免了束紧效果减弱甚至消失以及压紧力分布不均匀等传统燃料电池堆束紧装置存在的缺陷，保证了各个组件间接触良好以及电堆中气体和冷却液的正常供给和排出，从而使电堆性能更加稳定、工作更高效。