一种质子交换膜燃料电池电堆的端板压装方法及系统与流程

1.本发明涉及燃料电池电堆装配技术领域，具体涉及一种质子交换膜燃料电池电堆的端板压装方法及系统。


背景技术：

2.燃料电池是一种把燃料所具有的化学能直接转换成电能的化学装置，又称电化学发电器。它是继水力发电、热能发电和原子能发电之后的第四种发电技术。由于燃料电池是通过电化学反应把燃料的化学能中的吉布斯自由能部分转换成电能，不受卡诺循环效应的限制，因此效率高；另外，燃料电池用燃料和氧气作为原料，同时没有机械传动部件，故排放出的有害气体极少，使用寿命长。
3.中国专利cn104577176a公开了一种燃料电池电堆水平装堆的装置及装堆方法，该专利通过第一压板、第二压板、驱动电机、位移传感器等结构的设置，实现对燃料电池电堆的压装过程，使电堆组件两端受力均匀，不会造成电堆两端性能差异。
4.中国专利cn216698453u公开了燃料电池的装堆装置，该专利通过机架以及设置于机架上的立柱、夹持机构、下端板、上端板及上压模机构，对燃料电池电堆进行压装，实现对不同规格的电池进行装堆的目的。
5.现有技术中公开的专利在燃料电池电堆压装过程中伺服压机的压头需避让螺杆所在位置，使压头与端板之间的接触面积变小，导致端板受力均匀性变差，使组件受力不均，同时，常规压头下端面均为平面结构，部分电堆在设计时为匹配系统安装，必须设计成异形端板，即端板并非平面，端板上设有突起结构，使常规压头无法匹配异形端板的压装。


技术实现要素：

6.有鉴于此，本发明公开一种质子交换膜燃料电池电堆的端板压装方法，具体方案如下：
7.一种质子交换膜燃料电池电堆的端板压装方法，包括以下步骤：
8.s1.通过测距仪测量，使伺服压机的压头与上端板之间的初始间距设置为l1；
9.s2.伺服压机驱动压头向下运动，速度为v；
10.s3.当压头运动至与上端板之间的间距为l2时，伺服压机驱动压头停止向下运动；
11.s4.通过控制系统控制第一多通道直流稳压电源，对压头上的第一磁性装置的螺线管施加电流，使电流大小稳定增加，第一磁性装置的螺线管内的电流增加速度为i2；
12.同时控制系统控制第二多通道直流稳压电源对第二磁性装置的螺线管施加电流，使电流大小稳定增加，第二磁性装置的螺线管内的电流增加速度为i1，同时使第一磁性装置的螺线管中的电流方向与第二磁性装置的螺线管相反；
13.s5.使用压力传感器采集压头的压力数据，当压力传感器的数值达到预设压力值f时，控制系统控制第一多通道直流稳压电源、第二多通道直流稳压电源，使通入第一磁性装置的螺线管、第二磁性装置的螺线管的电流停止增大；
14.s6.关闭第一多通道直流稳压电源、第二多通道直流稳压电源，完成压装过程。
15.作为技术方案的补充，所述压头位于燃料电池电堆的上方，用于对燃料电池电堆进行压装；
16.第一磁性装置设置于伺服压机的压头上，第二磁性装置设置于燃料电池电堆的上端板上，所述第一磁性装置与第二磁性装置结构相同，均包括金属芯、螺线圈，所述螺线圈缠绕于金属芯上。
17.作为技术方案的补充，所述第一磁性装置设有多组且在伺服电机的压头上等距均匀分布；所述第二磁性装置设有多组且在燃料电池电堆的上端板上等距均匀分布。
18.作为技术方案的补充，伺服压机上相邻两个第一磁性装置之间的间距与上端板上相邻两个第二磁性装置的间距相同。
19.作为技术方案的补充，所述伺服压机的压头的下端面的表面积大于上端板的上端面的表面积。
20.作为技术方案的补充，每个第一磁性装置的螺线圈均设有接头，第一多通道直流稳压电源上设有多个用于输出电流的接口，设置于压头上的多组第一磁性装置的螺线圈上的接头分别与第一多通道直流稳压电源的接口连接；
21.每个第二磁性装置的螺线圈均设有接头，第二多通道直流稳压电源上设有多个用于输出电流的接口，设置于上端板上的多组第一磁性装置的螺线圈上的接头分别与第二多通道直流稳压电源的接口连接。
22.作为技术方案的补充，所述控制系统分别与第一多通道直流稳压电源、第二多通道直流稳压电源连接，第一多通道直流稳压电源及第二多通道直流稳压电源上均设有多个用于输出电流的接口，控制系统用于对第一多通道直流稳压电源及第二多通道直流稳压电源上的每个接口输出的电流大小进行控制。
23.作为技术方案的补充，所述测距仪设置于上端板上，用于监测压装过程中压头与上端板之间的间距；所述压力传感器设置于压头的上方且与压头连接，用于监测压装过程中压头的下压力。
24.本发明还公开一种电堆压装系统，实施上述任一项所述方法用于压装电堆。
25.一种电堆压装系统，燃料电池电堆包括上端板以及伸出上端板的板面一定高度的螺杆，所述电堆压装系统包括：
26.压头，所述压头与电堆的上端板相对设置，且压头的与所述电堆的上端板的相对面的面积至少等于所述电堆的上端板的板面；
27.第一磁性装置，设置在压头的与所述电堆的上端板的相对面；
28.第二磁性装置，设置在所述上端板的板面；
29.其中，籍由所述第一磁性装置与所述第二磁性装置相对设置，且相对端是同性磁极，使所述压头朝向所述电堆的上端板下压时，所述第一磁性装置与所述第二磁性装置间存在磁性斥力，而使压头的与所述电堆的上端板的相对面及所述上端板的板面间保持一定间隙，使得所述压头的与所述电堆的上端板的相对面不与所述伸出上端板的板面一定高度的螺杆接触。
30.有益效果：本发明通过第一磁性装置、第二磁性装置的设置，实现在燃料电池电堆压装过程中压头无需规避螺杆位置，使在压装过程中上端板受力均匀，保证压装质量。本发
明在另一个方面中，通过分别控制通入每个第一磁性装置上的螺线圈的电流，能够实现减少电力浪费。并在上端板为异形板情况下，基于上端板结构调整通入压头上位于上端板异形部位的对应区域内的第一磁性装置的电流，保证在压装过程中上端板各处受到的压力相同。
附图说明
31.图1为传统燃料电池电堆压装正视结构示意图。
32.图2为传统燃料电池电堆压装立体结构示意图。
33.图3为本发明燃料电池电堆压装正视结构示意图。
34.图4为本发明压头结构示意图。
35.图5为本发明燃料电池电堆上端板结构示意图。
36.图6为本发明压头与上端板剖视结构示意图。
37.图7为本发明第一磁性装置及第二磁性装置结构示意图。
38.图中：1.压头、2.燃料电池电堆、3.上端板、4.下端板、5.螺杆、6.第一磁性装置、7.第二磁性装置、8.金属芯、9.螺线圈、10.测距仪。
具体实施方式
39.在本发明的描述中，需要理解的是，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或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
40.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或彼此可通讯；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或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
41.如图1、图2所示，现有技术中燃料电池电堆2在装配过程中需要伺服压机对燃料电池电堆2的上端板3进行压装，为规避燃在压装过程中燃料电池电堆2的螺杆5与压头1位置发生干涉，常将伺服压机的压头1下端面的面积设置为小于上端板3上端面的面积。使在压装过程中上端板3位于螺杆5位置处未受到直接压力，使上端板3在压装过程中受力不均匀，影响整体压装质量。
42.如图3至图7所示，本发明公开一种质子交换膜燃料电池电堆的端板压装方法，包括以下步骤：
43.s1.通过测距仪10测量，使伺服压机的压头1与上端板3之间的初始间距设置为l1；
44.s2.伺服压机驱动压头1向下运动，速度为v；
45.s3.当压头1运动至与上端板3之间的间距为l2时，伺服压机驱动压头1停止向下运动；
46.s4.通过控制系统控制第一多通道直流稳压电源，对压头1上的第一磁性装置6的螺线管施加电流，使电流大小稳定增加，第一磁性装置6的螺线管内的电流增加速度为i2；
47.同时控制系统控制第二多通道直流稳压电源对第二磁性装置7的螺线管施加电流，使电流大小稳定增加，第二磁性装置7的螺线管内的电流增加速度为i1，同时使第一磁性装置6的螺线管中的电流方向与第二磁性装置7的螺线管相反；
48.s5.使用压力传感器采集压头1的压力数据，当压力传感器的数值达到预设压力值f时，控制系统控制第一多通道直流稳压电源、第二多通道直流稳压电源，使通入第一磁性装置6的螺线管、第二磁性装置7的螺线管的电流停止增大；
49.s6.关闭第一多通道直流稳压电源、第二多通道直流稳压电源，完成压装过程。
50.作为上述实施例的优选技术方案，步骤s4中，第一磁性装置6的螺线管内的电流增加速度为i1＝1a/s，第二磁性装置7的螺线管内的电流增加速度为i2＝1a/s。
51.本发明还公开使用上述压装方法的燃料电池电堆压装系统，应用于燃料电池电堆2的压装。电堆压装系统可实施上述任一实施例所述方法用于压装电堆。
52.具体的，燃料电池电堆2包括上端板3以及伸出上端板3的板面一定高度的螺杆5，对于这种电堆，在一种方案中，本发明电堆压装系统包括：
53.压头1，所述压头1与电堆的上端板3相对设置，且压头1的与所述电堆的上端板3的相对面的面积至少等于所述电堆的上端板3的板面；
54.第一磁性装置6，设置在压头1的与所述电堆的上端板3的相对面；
55.第二磁性装置7，设置在所述上端板3的板面；
56.其中，籍由所述第一磁性装置6与所述第二磁性装置7相对设置，且相对端是同性磁极，使所述压头1朝向所述电堆的上端板3下压时，所述第一磁性装置6与所述第二磁性装置7间存在磁性斥力，而使压头1的与所述电堆的上端板3的相对面及所述上端板3的板面间保持一定间隙，使得所述压头1的与所述电堆的上端板3的相对面不与所述伸出上端板3的板面一定高度的螺杆5接触。
57.现有伸出上端板3的板面一定高度的螺杆5，为了不与压头1相碰触，只能设置在边缘，并且需要压头1面积小于上端板3的板面的面积，压装过程中压头1才能不向螺杆5施压，然而这种方式减小了压头1向上端板3的施力面积，造成压装压力不均匀影响电堆的压装均匀性，由上述本发明的方案，所述压头1朝向所述电堆的上端板3下压时，压头1的与所述电堆的上端板3的相对面及所述上端板3的板面间保持一定间隙，并且通过斥力压头1向电堆的上端板3施加全面积的压力，这实现了本发明可以不碰触伸出上端板3的板面一定高度的螺杆5，仍能实现压头1能向电堆的上端板3施加全面积的压力。
58.需要说明的是压头1的与所述电堆的上端板3的相对面的面积至少等于所述电堆的上端板3的板面，表明压头1的与所述电堆的上端板3的相对面的面积可以等于或者大于上端板3的板面的面积。
59.更为具体的，燃料电池电堆压装系统包括伺服压机、燃料电池电堆2、第一磁性装置6、第二磁性装置7。
60.所述伺服压机上设有压头1，所述压头1位于燃料电池电堆2的上方，用于对燃料电池电堆2进行压装。
61.所述燃料电池电堆2包括上端板3、下端板4，所述上端板3设置于燃料电池电堆2的上端，下端板4设置于燃料电池电堆2的下端。
62.所述第一磁性装置6以及第二磁性装置7被配置为能够产生磁场。
63.第一磁性装置6设置于伺服压机的压头1上。
64.第二磁性装置7设置于燃料电池电堆2的上端板3上。
65.第一磁性装置6靠近第二磁性装置7一端的磁极与第二磁性装置7靠近第一磁性装置6一端的磁极相同。
66.在压装过程中，伺服压机的压头1位于燃料电池电堆2的上端板3的上方，对燃料电池电堆2进行压装时，伺服压机的压头1不与燃料电池电堆2的上端板3直接接触，依靠第一磁性装置6与第二磁性装置7的磁极同极相斥的原理，随伺服压机的压头1朝向燃料电池电堆2的上端移动过程中，对设置有第二磁性装置7的燃料电池电堆2的上端板3施加下压力，完成燃料电池电堆2的压装，使伺服压机的压头1面积可与燃料电池电堆2的上端板3的面积相同，无需规避燃料电池电堆2螺杆5的位置。
67.作为本发明的优选技术方案，所述第一磁性装置6设有多组且在伺服电机的压头1上等距均匀分布。
68.作为上述实施例的优选技术方案，所述第二磁性装置7设有多组且在燃料电池电堆2的上端板3上等距均匀分布。
69.通过上述设置，伺服压机在压装燃料电池电堆2的过程中，能够对燃料电池电堆2的上端板3施加较为均匀的下压力，使燃料电池电堆2在压装过程中上端板3受力均匀，保证压装质量。
70.作为本发明的优选技术方案，所述第一磁性装置6与第二磁性装置7结构相同，均包括金属芯8、螺线圈9，所述螺线圈9缠绕于金属芯8上，通过控制第一磁性装置6上的螺线圈9电流方向与第二磁性装置7上的螺线圈9的电流方向，使第一磁性装置6靠近第二磁性装置7一端的磁极与第二磁性装置7靠近第一磁性装置6一端的磁极相同。
71.作为本发明的优选技术方案，伺服压机上相邻两个第一磁性装置6之间的间距与上端板3上相邻两个第二磁性装置7的间距相同。使通入第一磁性装置6与第二磁性装置7电流相同的条件下，第一磁性装置6与第二磁性装置7产生的磁力相同。
72.作为本发明的优选技术方案，所述伺服压机的压头1的下端面的表面积大于上端板3的上端面的表面积，使伺服压机的压头1能够适用于各种尺寸的燃料电池电堆2的压装过程，提升压头1的兼容性。
73.作为本发明的优选技术方案，每个第一磁性装置6的螺线圈9均设有接头，设置于压头1上的多组第一磁性装置6的螺线圈9上的接头分别与电源连接，所述电源能够控制每个第一磁性装置6的螺线圈9输入的电流。由于伺服压机的压头1的下端面的表面积大于上端板3的上端面的表面积，在压装时可只给压头1上燃料电池电堆2的上端板3对应的区域内的第一磁性装置6供电，减少电力浪费。
74.作为上述实施例的优选技术方案，所述每个第二磁性装置7的螺线圈9均设有接头，设置于上端板3上的多组第二磁性装置7的螺线圈9上的接头分别与电源连接，所述电源能够控制每个第二磁性装置7的螺线圈9输入的电流。此外所述燃料电池电堆2的上端板3上的多组第二磁性装置7的螺线圈9可选择串联设置，也可选择并联设置，然后统一接入到一个电源中，在压装过程中，燃料电池电堆2的上端板3上的第二磁性装置7上的螺线圈9均需通入电流。
75.作为本发明的优选技术方案，还包括控制系统，所述电源为多通道直流稳压电源，
多通道直流稳压电源与控制系统连接，多通道直流稳压电源上设有多个用于输出电流的接口，控制系统用于对多通道直流稳压电源每个接口输出的电流大小进行控制。
76.所述多通道直流稳压电源设有两组，分别为第一多通道直流稳压电源、第二多通道直流稳压电源。
77.多组第一磁性装置6的螺线圈9通过接头分别与第一多通道直流稳压电源的接口连接，通过第一多通道直流稳压电源与控制系统配合，对伺服压机的压头1上多组第一磁性装置6进行分别控制。多组第二磁性装置7的螺线圈9通过接头分别与第二多通道直流稳压电源的接口连接。通过第二多通道直流稳压电源与控制系统配合，对上端板3上的多组第的第二磁性装置7进行分别控制。
78.第一多通道直流稳压电源与第二多通道直流稳压电源分别与控制系统连接，控制系统用于对第一多通道直流稳压电源及第二多通道直流稳压电源上的每个接口输出的电流大小进行控制。
79.由于压头1与上端板3之间的磁力大小与二者之间的距离有关，当压头1与上端板3之间的间距越小，二者之间的磁力越大。有鉴于此，当上端板3上设有外凸结构的异形板时，减小通入压头1上位于所述内凹部位的对应区域内的第一磁性装置6的电流，使外凸部位受到磁力大小与其余部位受到的磁力大小相同。
80.当上端板3为设有内凹结构的异形板时，增大通入压头1上位于所述内凹部位的对应区域内的第一磁性装置6的电流，使内凹部位受到磁力大小与其余部位受到的磁力大小相同。
81.通过上述设置，使异形上端板3各处在压装过程中受到压力相同，保证压装质量。
82.作为本发明的优选技术方案，所述还包括测距仪10，所述伺服压机还包括压力传感器(图中未画出)，所述测距仪10设置于上端板3的侧表面上，用于监测压装过程中压头1与上端板3之间的间距；
83.所述压力传感器设置于压头1的上方且与压头1连接，用于监测压装过程中压头1的下压力。
84.以上所述，仅为本发明创造较佳的具体实施方式，但本发明创造的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明创造披露的技术范围内，根据本发明创造的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明创造的保护范围之内。

技术特征：
1.一种质子交换膜燃料电池电堆的端板压装方法，其特征在于，包括以下步骤：s1.通过测距仪(10)测量，使伺服压机的压头(1)与上端板(3)之间的初始间距设置为l1；s2.伺服压机驱动压头(1)向下运动，速度为v；s3.当压头(1)运动至与上端板(3)之间的间距为l2时，伺服压机驱动压头(1)停止向下运动；s4.通过控制系统控制第一多通道直流稳压电源，对压头(1)上的第一磁性装置(6)的螺线管施加电流，使电流大小稳定增加，第一磁性装置(6)的螺线管内的电流增加速度为i2；同时控制系统控制第二多通道直流稳压电源对第二磁性装置(7)的螺线管施加电流，使电流大小稳定增加，第二磁性装置(7)的螺线管内的电流增加速度为i1，同时使第一磁性装置(6)的螺线管中的电流方向与第二磁性装置(7)的螺线管相反；s5.使用压力传感器采集压头(1)的压力数据，当压力传感器的数值达到预设压力值f时，控制系统控制第一多通道直流稳压电源、第二多通道直流稳压电源，使通入第一磁性装置(6)的螺线管、第二磁性装置(7)的螺线管的电流停止增大；s6.关闭第一多通道直流稳压电源、第二多通道直流稳压电源，完成压装过程。2.根据权利要求1所述的一种质子交换膜燃料电池电堆的端板压装方法，其特征在于，所述压头(1)位于燃料电池电堆(2)的上方，用于对燃料电池电堆(2)进行压装；第一磁性装置(6)设置于伺服压机的压头(1)上，第二磁性装置(7)设置于燃料电池电堆(2)的上端板(3)上，所述第一磁性装置(6)与第二磁性装置(7)结构相同，均包括金属芯(8)、螺线圈(9)，所述螺线圈(9)缠绕于金属芯(8)上。3.根据权利要求2所述的一种质子交换膜燃料电池电堆的端板压装方法，其特征在于，所述第一磁性装置(6)设有多组且在伺服电机的压头(1)上等距均匀分布；所述第二磁性装置(7)设有多组且在燃料电池电堆(2)的上端板(3)上等距均匀分布。4.根据权利要求3所述的一种质子交换膜燃料电池电堆的端板压装方法，其特征在于，伺服压机上相邻两个第一磁性装置(6)之间的间距与上端板(3)上相邻两个第二磁性装置(7)的间距相同。5.根据权利要求1所述的燃料电池电堆压装方法，其特征在于，所述伺服压机的压头(1)的下端面的表面积大于上端板(3)的上端面的表面积。6.根据权利要求3所述的一种质子交换膜燃料电池电堆的端板压装方法，其特征在于，每个第一磁性装置(6)的螺线圈(9)均设有接头，第一多通道直流稳压电源上设有多个用于输出电流的接口，设置于压头(1)上的多组第一磁性装置(6)的螺线圈(9)上的接头分别与第一多通道直流稳压电源的接口连接；每个第二磁性装置(7)的螺线圈(9)均设有接头，第二多通道直流稳压电源上设有多个用于输出电流的接口，设置于上端板(3)上的多组第一磁性装置(6)的螺线圈(9)上的接头分别与第二多通道直流稳压电源的接口连接。7.根据权利要求1所述的一种质子交换膜燃料电池电堆的端板压装方法，其特征在于，所述控制系统分别与第一多通道直流稳压电源、第二多通道直流稳压电源连接，第一多通道直流稳压电源及第二多通道直流稳压电源上均设有多个用于输出电流的接口，控制系统
用于对第一多通道直流稳压电源及第二多通道直流稳压电源上的每个接口输出的电流大小进行控制。8.根据权利要求1所述的一种质子交换膜燃料电池电堆的端板压装方法，其特征在于，所述测距仪(10)设置于上端板(3)上，用于监测压装过程中压头(1)与上端板(3)之间的间距；所述压力传感器设置于压头(1)的上方且与压头(1)连接，用于监测压装过程中压头(1)的下压力。9.一种电堆压装系统，其特征在于，实施权利要求1-8中任一项所述方法用于压装电堆。10.一种电堆压装系统，燃料电池电堆(2)包括上端板(3)以及伸出上端板(3)的板面一定高度的螺杆(5)，其特征在于，所述电堆压装系统包括：压头(1)，所述压头(1)与电堆的上端板(3)相对设置，且压头(1)的与所述电堆的上端板(3)的相对面的面积至少等于所述电堆的上端板(3)的板面；第一磁性装置(6)，设置在压头(1)的与所述电堆的上端板(3)的相对面；第二磁性装置(7)，设置在所述上端板(3)的板面；其中，籍由所述第一磁性装置(6)与所述第二磁性装置(7)相对设置，且相对端是同性磁极，使所述压头(1)朝向所述电堆的上端板(3)下压时，所述第一磁性装置(6)与所述第二磁性装置(7)间存在磁性斥力，而使压头(1)的与所述电堆的上端板(3)的相对面及所述上端板(3)的板面间保持一定间隙，使得所述压头(1)的与所述电堆的上端板(3)的相对面不与所述伸出上端板(3)的板面一定高度的螺杆(5)接触。

技术总结
本发明公开一种质子交换膜燃料电池电堆的端板压装方法及系统，用于对燃料电池电堆的压装，通过向设置于伺服压机上的第一电磁装置通入电流，向设置于燃料电池电堆的上端板上的第二电磁装置通入电流，控制通入第一磁性装置以及第二磁性装置内的电流方向，使伺服压机的压头与燃料电池电堆的上端板产生相互排斥的磁力，通过该磁力完成对燃料电池电堆的上端板的压装过程，避免压头与上端板直接接触。通过上述设置能够实现在压装过程中提升压头的兼容性、压装压力一致性，提升压装质量。提升压装质量。提升压装质量。


技术研发人员：刘爽 韩福江 姚荣华 韩雪松 王朋豪 李新元
受保护的技术使用者：国创氢能科技有限公司
技术研发日：2023.07.19
技术公布日：2023/9/9