УСТРОЙСТВО ДЛЯ СБОРКИ БАТАРЕИ ТОПЛИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Настоящая полезная модель относится к устройству для сборки батареи топливных элементов и способам сборки указанной батареи топливных элементов с его использованием.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Идеи, связанные с системами и конструкциями топливных элементов, батарей топливных элементов, узлов батарей топливных элементов и теплообменников, а также способами для них, хорошо известны и описаны в WO 02/35628, WO 03/075382, WO 2004/089848, WO 2005/078843, WO 2006/079800, WO 2006/106334, WO 2007/085863, WO 2007/110587, WO 2008/001119, WO 2008/003976, WO 2008/015461, WO 2008/053213, WO 2008/104760, WO 2008/132493, WO 2009/090419, WO 2010/020797, WO 2010/061190, WO 2015/004419, WO 2015/136295, WO 2016/124929, WO 2016/124928, WO 2016/128721 и WO 2016/083780.
При проектировании батарей ТОТЭ (твердооксидных топливных элементов) возникают серьезные проблемы, касающиеся механических, электрических и тепловых расчетов, поскольку батареи должны находиться в сжатом состоянии для выполнения электрического соединения, газоуплотнения и поддержания структурной целостности узла, перемещения и эксплуатации, подвергаться циклическому значительному воздействию тепловых нагрузок и поскольку необходимо поддерживать их целостность в течение всего срока эксплуатации.
Узлы батарей твердооксидных топливных элементов на металлической подложке, как правило, содержат металлическую пластину основания, по меньшей мере одну батарею твердооксидных топливных элементов, установленную на пластине основания, металлическую концевую пластину, причем каждая по меньшей мере одна батарея топливных элементов расположена между пластиной основания и концевой пластиной и (каждая по меньшей мере одна батарея топливных элементов) содержит по меньшей мере один слой батареи топливных элементов, каждый по меньшей мере один слой батареи топливных элементов содержит по меньшей мере один топливный элемент и по меньшей мере одну электроизолирующую прижимную прокладку. Отдельные слои батареи топливных элементов также могут упоминаться как «блоки топливных элементов».
В предшествующем уровне техники такие компоненты твердооксидного топливного элемента узлов батарей твердооксидных топливных элементов (ТОТЭ) на металлической подложке часто удерживают в сжатом состоянии с использованием множества стяжных тяг, проходящих от пластины основания через направляющие отверстия по меньшей мере в одной батарее топливных элементов и через концевую пластину, на которой они закреплены зажимными гайками.
Вследствие близости стяжных тяг к краям направляющих отверстий (т.е. к краям металлических компонентов, в которых образованы направляющие отверстия, по меньшей мере в одной батарее топливных элементов) требуется тщательная проработка конструкции, поскольку существует риск короткого замыкания между стяжными тягами и батареей, когда компоненты расширяются при высоких температурах в потенциально смешанной атмосфере с присутствием пара, прореагировавших и непрореагировавших углеводородов и воздуха.
В ходе изготовления узла батареи топливных элементов монтажные тяги (имеющие больший диаметр, чем стяжные тяги) вставляют через направляющие отверстия по меньшей мере в одной батарее топливных элементов для обеспечения выравнивания топливных элементов, несмотря на то, что батарею сначала собирают. Затем монтажные тяги извлекают и заменяют стяжными тягами, которые имеют меньший диаметр, чем монтажные тяги. Затем концевую пластину устанавливают на верхнюю часть по меньшей мере одной батареи топливных элементов, а средства сжатия используют для сжатия узла батареи топливных элементов. После сжатия узла батареи топливных элементов устанавливают зажимные гайки. Затем с батареи снимают сжимающую нагрузку, оставляя стяжные тяги для поддержания сжатия батареи. Поддержание сжимающей нагрузки в рабочем диапазоне температур батареи топливных элементов может быть затруднено в зависимости от требуемой сжимающей нагрузки, количества слоев батареи топливных элементов и, следовательно, длины стяжной тяги, а также подходящих материалов для изготовления стяжной тяги. Применение стяжных тяг разной конструкции для разных конструкций батарей может привести к увеличению сложности и стоимости.
Стяжные тяги также увеличивают тепловую массу узла батареи топливных элементов и занимают место в блоках топливных элементов, которое в ином случае можно было бы использовать.
Кроме того, весьма желательно улучшить способ сборки батареи топливных элементов, например, сделать его более модульным, простым, стандартизированным и/или автоматизировать этот способ.
В ЕР 1689015 В1, JP 2000048849 A (JP 19980217090), JP 2006147232 (JP 2004333056) JP 2008059875 A (JP 20060234743), JP 2008123760 A (JP 20060304394), JP 2010113997 A (JP 20080286772), JP 2012069333 A (JP 20100212139), US 7794890B2, US 8663865 B2 и US 8722275 B2 раскрыты аспекты способов сборки топливных батарей.
Настоящая полезная модель позволяет устранить один или более известных недостатков.
РАСКРЫТИЕ СУЩНОСТИ ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ
Согласно первому аспекту настоящей полезной модели предложено устройство для сборки батареи топливных элементов, содержащее:
(i) основание и
(ii) деталь для выравнивания батареи, проходящую в целом перпендикулярно основанию, для выравнивания множества блоков ферритных топливных элементов, уложенных на него с образованием узла батареи топливных элементов, причем каждый блок топливных элементов содержит соответствующую первую деталь для выравнивания, дополняющую по форме деталь для выравнивания батареи; и
(iii) по меньшей мере одну магнитную опору, проходящую в целом перпендикулярно основанию, для притягивания множества блоков топливных элементов по направлению к детали для выравнивания батареи.
При использовании узел батареи топливных элементов (включающий по меньшей мере одну батарею топливных элементов) изготавливают (собирают) на устройстве для сборки, причем первую деталь для выравнивания блоков топливных элементов выравнивают (например, совмещают) с соответствующей деталью для выравнивания батареи устройства для сборки.
Основание устройства для сборки может, например, быть выполнено в виде пластины основания.
Узел батареи топливных элементов может, например, содержать пластину основания батареи топливных элементов и концевую пластину батареи топливных элементов. Могут быть обеспечены средства выравнивания для одной или обеих из пластины основания батареи топливных элементов и концевой пластины батареи топливных элементов. В некоторых вариантах осуществления по меньшей мере одна из пластины основания батареи топливных элементов и концевой пластины батареи топливных элементов содержит деталь для выравнивания, по форме дополняющую деталь для выравнивания батареи. В других вариантах осуществления обеспечены другие средства выравнивания для пластины основания батареи топливных элементов и/или концевой пластины батареи топливных элементов.
Деталь для выравнивания батареи может содержать выравнивающий блок. Например, он содержит первый выравнивающий элемент и второй выравнивающий элемент. Каждый из первого и второго выравнивающих элементов детали для выравнивания батареи может содержать выступ. Таким образом, выступы первого и второго выравнивающих элементов могут быть совмещены с первой деталью для выравнивания (каждого блока топливных элементов).
Блоки ферритных топливных элементов могут быть изготовлены из ферромагнитного металла, такого как ферритная сталь или ферритная нержавеющая сталь. Настоящая полезная модель может быть применена к блокам топливных элементов на металлической подложке, таким как твердооксидные топливные элементы на металлической подложке.
По меньшей мере одна магнитная опора может содержать по меньшей мере два магнитных опорных блока. Каждый магнитный опорный блок может образовывать переднюю поверхность, расположенную таким образом, чтобы при использовании на нее опирались блоки ферритных топливных элементов, когда их первая деталь для выравнивания выровнена (например, совмещена) с соответствующей деталью для выравнивания батареи.
Устройство для сборки батареи топливных элементов также может содержать заднюю пластину, прикрепленную к основанию. По меньшей мере одна магнитная опора может быть установлена на задней пластине.
По меньшей мере одна магнитная опора может быть выполнена с возможностью приведения в действие для выборочного приложения усилия магнитного выравнивания к множеству блоков топливных элементов. Например, по меньшей мере одна магнитная опора выполнена с возможностью переключения между первым «рабочим» положением, в котором (при использовании) блоки топливных элементов притягиваются (по меньшей мере по направлению к одной магнитной опоре), и вторым «нерабочим» положением, в котором (при использовании) уменьшено притяжение блоков топливных элементов по направлению по меньшей мере к одной магнитной опоре.
В некоторых вариантах осуществления по меньшей мере одна магнитная опора представляет собой постоянный магнит, выполненный с возможностью приведения в действие путем изменения его положения или ориентации. В других вариантах осуществления по меньшей мере одна магнитная опора представляет собой магнит, выполненный с возможностью приведения в действие с помощью электрического тока и необязательно выбранный из электромагнита, сочетания постоянного магнита и электромагнита или другого переключаемого постоянного магнитного устройства.
В некоторых вариантах осуществления по меньшей мере одна магнитная опора содержит поворотный стержень, выполненный с возможностью поворота вокруг своей продольной оси, которая проходит в целом перпендикулярно основанию устройства для сборки батареи топливных элементов. Магнитная ось (север-юг) стержня может быть, как правило, перпендикулярной продольной оси поворотного стержня. В одном варианте осуществления в «рабочем» положении магнитная ось (север-юг) по меньшей мере одной магнитной опоры, как правило, при использовании может быть перпендикулярной продольной оси блоков топливных элементов (т.е. продольной оси основания). В «нерабочем» положении магнитная ось (север-юг) по меньшей мере одной магнитной опоры, как правило, может быть параллельной продольной оси блоков топливных элементов (т.е. продольной оси основания).
В другом варианте осуществления электрический ток могут подавать на электромагниты для переключения их в «рабочее» положение и подача электрического тока может быть прекращена для их переключения в «нерабочее» положение.
В других вариантах осуществления могут быть использованы конструкции из магнитов, например, содержащие постоянные магниты и электромагниты (ЕРМ). В других вариантах осуществления могут быть использованы магнитные основания. В других вариантах осуществления могут быть использованы переключаемые устройства на постоянных магнитах, такие как устройства, описанные в US 7012495.
Таким образом, во время использования блоки топливных элементов могут притягиваться по направлению (т.е. перемещаться по направлению) по меньшей мере к одной магнитной опоре при нахождении в «рабочем» положении.
И наоборот, если по меньшей мере одна магнитная опора находится в «нерабочем» положении, во время использования притяжение блоков топливных элементов по меньшей мере к одной магнитной опоре уменьшается.
Таким образом, если по меньшей мере одна магнитная опора содержит постоянные магниты, блоки магнитной опоры могут приводиться в действие между (т.е. могут быть выполнены с возможностью приведения в действие или переключения между):
(i) первым «рабочим» положением (первым положением), в котором магнитная ось (север-юг) по меньшей мере одной магнитной опоры может быть в целом перпендикулярной продольной оси основания устройства для сборки батареи топливных элементов, и
(ii) вторым «нерабочим» положением (вторым положением), в котором магнитная ось (север-юг) их магнитов может быть в целом параллельной продольной оси основания устройства для сборки батареи топливных элементов.
При наличии по меньшей мере одной магнитной опоры, выполненной с возможностью переключения между первым и вторым («рабочим» и «нерабочим») положениями, в ходе сборки она может быть переведена в «рабочее» положение для способствования размещению/позиционированию блоков топливных элементов и токосъемников, притягивая (перемещая) их по направлению к себе и детали для выравнивания батареи. По завершении выравнивания блоков топливных элементов по меньшей мере одна магнитная опора может быть установлена или переключена в «нерабочее» положение.
Деталь для выравнивания батареи может содержать охватываемую деталь для взаимодействия с первой деталью для выравнивания, имеющей охватывающую форму (т.е. дополняющая первая деталь для выравнивания имеет охватывающую форму). Первая деталь для выравнивания имеет форму выемки или углубления.
В некоторых вариантах осуществления деталь для выравнивания батареи может содержать механизм расширения и/или поворотный механизм, выполненный с возможностью перемещения наружу в пределах первой детали для выравнивания множества блоков топливных элементов для их дополнительного выравнивания. Таким образом, может быть обеспечено такое совмещение между первой деталью для выравнивания блоков топливных элементов и деталью для выравнивания батареи, что сборка может быть легко и быстро выполнена, в частности, с помощью автоматизированного устройства для сборки, такого как сборочный робот. Когда эта начальная сборка будет выполнена, может быть приведен в действие механизм расширения для развертывания в пределах первой детали для выравнивания блоков топливных элементов, обеспечивающий лучшее выравнивание.
В некоторых вариантах осуществления деталь для выравнивания батареи может содержать два удлиненных элемента, проходящих в целом перпендикулярно основанию, по меньшей мере один из которых выполнен с возможностью поворота и/или развертывания в сторону от другого. Это может быть, например, использовано для выполнения дополнительного выравнивания в ходе сжатия блоков топливных элементов или узла батареи топливных элементов.
Например, механизм расширения может содержать расширительный элемент, содержащий поворотный элемент, например поворотный выравнивающий элемент или выступ. Например, если деталь для выравнивания батареи содержит выравнивающий блок, содержащий первый и второй выравнивающие элементы, один из первого и второго выравнивающих элементов может быть поворотным.
В некоторых вариантах осуществления устройство для сборки батареи топливных элементов также может содержать выравнивающий ползунок, установленный с возможностью перемещения со скольжением в целом перпендикулярно основанию, относительно множества блоков топливных элементов для их дополнительного выравнивания. В частности, выравнивающий ползунок может быть установлен с возможностью перемещения со скольжением вдоль детали для выравнивания батареи, в некоторых случаях в зазоре, образованном между нею и примыкающими соответствующими первыми деталями для выравнивания множества блоков топливных элементов.
Таким образом, если после размещения блоков топливных элементов на устройстве для сборки первая деталь для выравнивания блоков топливных элементов была выровнена с деталью для выравнивания батареи, дальнейшее выравнивание может быть выполнено с использованием выравнивающего ползунка. При наличии по меньшей мере одной магнитной опоры, притягивающей (перемещающей) блоки топливных элементов, перемещение выравнивающего ползунка вдоль детали для выравнивания батареи может привести к отталкиванию блоков топливных элементов от детали для выравнивания батареи и магнитной опоры. Однако этому перемещению может препятствовать притяжение между магнитной опорой и блоками топливных элементов, ограничивая перемещение блоков топливных элементов и обеспечивая лучшее выравнивание блоков топливных элементов.
В вариантах осуществления, включающих первый и второй выравнивающие элементы, выравнивающий ползунок может перемещаться с возможностью скольжения (например, вдоль опорного кронштейна) между первым и вторым выравнивающими элементами, например, между выступами первого и второго выравнивающих элементов. Канал может быть образован между первым и вторым выравнивающими элементами, например, между их выступами. Выравнивающий ползунок может быть выполнен с возможностью перемещения вдоль канала. Выравнивающий ползунок может содержать передний выступ, например, передний элемент, образующий выравнивающую поверхность, которая при использовании проходит вперед от детали для выравнивания батареи по направлению к первой детали для выравнивания множества блоков топливных элементов, когда они выровнены друг с другом.
В вариантах осуществления, включающих как механизм расширения (и/или поворотный механизм), так и выравнивающий ползунок, механизм расширения (и/или поворотный механизм) может быть приведен в действие перед использованием выравнивающего ползунка. Альтернативно, он может быть приведен в действие после выполнения этапа дополнительного выравнивания (см. выше), выполненного с применением выравнивающего ползунка.
В некоторых вариантах осуществления выравнивающий ползунок содержит расширительный элемент. Выравнивающий ползунок может содержать поворотный элемент, такой как поворотный выравнивающий элемент или выступ. Выравнивающий ползунок может содержать первый и второй передние элементы, образующие выравнивающую поверхность, которая при использовании проходит перед деталью для выравнивания батареи по направлению к первой детали для выравнивания множества блоков топливных элементов, когда они выровнены друг с другом. Один из первого и второго передних элементов может быть выполнен с возможностью поворота.
Таким образом, расширительный элемент выравнивающего ползунка может быть приведен в действие для приложения усилия к первой детали для выравнивания блоков топливных элементов, что позволяет улучшить выравнивание отдельных блоков топливных элементов.
В некоторых вариантах осуществления устройство для сборки батареи топливных элементов также содержит магнитный ползунок, установленный с возможностью перемещения со скольжением в целом перпендикулярно основанию, относительно множества блоков топливных элементов для их дополнительного выравнивания, и при необходимости установленный (например, напротив
противоположных сторон множества блоков топливных элементов) для приложения магнитного усилия, действующего перпендикулярно магнитному усилию по меньшей мере одной магнитной опоры.
Механизм расширения и расширительный элемент выравнивающего ползунка могут быть использованы при сборке высоких батарей топливных элементов. Таким образом, один или оба из них могут быть обеспечены в устройстве для сборки, размеры которого рассчитаны на сборку узлов батарей топливных элементов, содержащих по меньшей мере 50, по меньшей мере 75 или по меньшей мере 100 блоков топливных элементов.
В вариантах осуществления, включающих выравнивающий ползунок или магнитный выравнивающий ползунок, выравнивающий ползунок и/или магнитный ползунок установлены с возможностью скольжения по рейке и поддерживаются пружинным механизмом, обеспечивающим направленное вверх возвратное усилие.
В некоторых вариантах осуществления настоящей полезной модели направляющий элемент обеспечен на основании или проходит в сторону от него для способствования позиционированию множества блоков топливных элементов. Это может быть полезным во время сборки, сжатия и/или снятия.
Во втором аспекте настоящей полезной модели предложено устройство для сборки батареи топливных элементов, содержащее:
(i) основание и
(ii) деталь для выравнивания батареи, проходящую в целом перпендикулярно основанию, для выравнивания множества блоков ферритных топливных элементов, уложенных на него с образованием узла батареи топливных элементов, причем каждый блок топливных элементов содержит соответствующую первую деталь для выравнивания, дополняющую по форме деталь для выравнивания батареи; и,
(iii) выравнивающий ползунок, выполненный с возможностью скольжения в целом перпендикулярно основанию, для выравнивания множества блоков ферритных топливных элементов, уложенных возле детали для выравнивания батареи.
В третьем аспекте настоящей полезной модели предложен способ изготовления узла батареи топливных элементов с использованием устройства для сборки батареи топливных элементов согласно первому или второму аспекту настоящей полезной модели, включающий следующие этапы:
(i) укладывание множества блоков топливных элементов и необязательных дополнительных компонентов друг на друга на основание с их соответствующими первыми деталями для выравнивания вблизи детали для выравнивания батареи и притягивание по направлению к ним благодаря магнитному усилию, создаваемому по меньшей мере одной магнитной опорой;
(ii) и, при необходимости, выполнение этапа дополнительного выравнивания в устройстве, в котором деталь для выравнивания батареи содержит механизм расширения и/или поворотный механизм, путем перемещения механизма расширения и/или поворотного механизма наружу в пределах первой детали для выравнивания множества блоков топливных элементов для их дополнительного выравнивания;
(iii) и, при необходимости, выполнение дополнительного этапа выравнивания в устройстве, дополнительно содержащем выравнивающий ползунок и/или магнитный ползунок, путем скольжения выравнивающего ползунка и/или магнитного ползунка относительно множества блоков топливных элементов для их дополнительного выравнивания.
В некоторых вариантах осуществления способ включает следующие этапы:
(а) размещение на монтажном основании одного над другим следующих элементов:
(1) первого элемента сжатия,
(2) пластины основания батареи топливных элементов, и
(3) множества блоков топливных элементов,
причем первую деталь для выравнивания каждого из множества блоков топливных элементов выравнивают с деталью для выравнивания батареи;
(b) размещение на множестве блоков топливных элементов одного над другим следующих элементов:
(1) концевой пластины батареи топливных элементов, и
(2) второго элемента сжатия; и
(c) приложение усилия сжатия посредством первого элемента сжатия и второго элемента сжатия (т.е. приложение сжимающей нагрузки к пластине основания батареи топливных элементов, множеству блоков топливных элементов и концевой пластине батареи топливных элементов) с использованием средства сжатия.
В вариантах осуществления, в которых деталь для выравнивания батареи содержит механизм расширения и/или поворотный механизм, этап дополнительного выравнивания может быть выполнен перед этапом (с). В некоторых вариантах осуществления его выполняют между этапами (а) и (b).
Аналогично, в вариантах осуществления, в которых устройство дополнительно содержит выравнивающий ползунок и/или магнитный ползунок, этап дополнительного выравнивания может быть выполнен перед этапом (с). В некоторых вариантах осуществления его выполняют между этапами (а) и (b).
В некоторых вариантах осуществления, в которых устройство для сборки содержит выравнивающий ползунок (или магнитный ползунок), он перемещается из первого положения над первым элементом сжатия, пластиной основания батареи топливных элементов и множеством блоков топливных элементов во второе положение, смежное с множеством блоков топливных элементов и примыкающее к ним.
В некоторых вариантах осуществления по меньшей мере одна магнитная опора выполнена с возможностью приведения в действие и усилие магнитного выравнивания выборочно прикладывают на этапе сборки и последующем этапе сжатия, но не на конечном этапе снятия.
По меньшей мере одна магнитная опора может быть выполнена с возможностью переключения между первым «рабочим» положением, в котором (при использовании) блоки топливных элементов притягиваются по меньшей мере по направлению к одной магнитной опоре, и вторым «нерабочим» положением, в котором (при использовании) уменьшено притяжение блоков топливных элементов по направлению по меньшей мере к одной магнитной опоре.
В некоторых вариантах осуществления перед этапом (а) по меньшей мере одну магнитную опору приводят в действие или переключают в первое («рабочее») положение. Этап (а) может быть выполнен по меньшей мере с одной магнитной опорой, установленной в первое («рабочее») положение. После этапа (с) по меньшей мере одна магнитная опора может быть приведена в действие или переключена во второе «нерабочее» положение.
Этап (а) может включать размещение различных компонентов один над другим и их выравнивание с помощью (их выравнивание с использованием) детали для выравнивания батареи.
Средство сжатия может быть закреплено на первом элементе сжатия и втором элементе сжатия, прикреплено к ним или между ними, и с использованием средства сжатия может быть приложено усилие сжатия. В некоторых вариантах осуществления средство сжатия содержит множество стержней с резьбой, которые прикреплены между первым элементом сжатия и вторым элементом сжатия, а усилие сжатия прикладывают путем затягивания зажимной гайки. Зажимную гайку можно затянуть таким образом, чтобы приложить требуемое усилие сжатия. По меньшей мере один стержень с резьбой может быть прикреплен первым концом к первому элементу сжатия и проходит через второй элемент сжатия, а зажимная гайка прикреплена ко второму концу стержня с резьбой и затянута таким образом, чтобы было приложено усилие сжатия между первым элементом сжатия и вторым элементом сжатия.
В других вариантах осуществления средство сжатия содержит устройство для сжатия и удерживающее средство, причем устройство для сжатия используют для обеспечения требуемого сжатия (т.е. приложения требуемого усилия сжатия посредством первого и второго элементов сжатия), а удерживающее средство выполнено таким образом, что при снятии устройства для сжатия усилие сжатия, приложенное посредством первого элемента сжатия и второго элемента сжатия, поддерживается за счет усилий натяжения в удерживающем средстве.
Таким образом, в некоторых вариантах осуществления этап (с) включает:
(i) приложение усилия сжатия посредством первого элемента сжатия и второго элемента сжатия с использованием устройства для сжатия и
(ii) закрепление средства сжатия на первом элементе сжатия и втором элементе сжатия, или же его прикрепление к ним или между ними, причем удерживающее средство выполнено таким образом, что при снятии средства сжатия усилие сжатия, приложенное посредством первого элемента сжатия и второго элемента сжатия, поддерживается за счет усилий натяжения в удерживающем средстве.
При использовании устройства для сжатия и удерживающего средства этап (с) может дополнительно включать:
(iii) снятие устройства для сжатия.
Таким образом, сжимающая нагрузка может быть приложена к множеству блоков топливных элементов.
Таким образом, конечное изделие может представлять собой узел батареи топливных элементов, удерживаемый между первым и вторым элементами сжатия. В таком состоянии он пригоден для хранения, перемещения или выполнения дополнительных этапов изготовления, таких как дополнительное сжатие и прикрепление юбки или юбочных элементов к пластине основания батареи топливных элементов и концевой пластине батареи топливных элементов для вмещения батареи топливных элементов и поддержания усилий сжатия, приложенных посредством первого элемента сжатия и второго элемента сжатия, за счет усилий натяжения в юбке. На этом этапе удерживающее средство, а также первый и второй элементы сжатия могут быть сняты.
Узел батареи топливных элементов может дополнительно содержать по меньшей мере два токосъемника, например, пластину отбора отрицательной мощности и пластину отбора положительной мощности. Таким образом, на этапе (а) токосъемник может быть выровнен между пластиной основания батареи топливных элементов и множеством блоков топливных элементов, и токосъемник может быть выровнен между множеством блоков топливных элементов и концевой пластиной батареи топливных элементов.
По меньшей мере одна из пластины основания батареи топливных элементов и концевой пластины батареи топливных элементов может содержать первую деталь для выравнивания.
Деталь для выравнивания батареи может контактировать либо с концевой пластиной батареи топливных элементов, либо со вторым элементом сжатия. Таким образом, в вариантах осуществления, включающих выравнивающий ползунок или магнитный ползунок, перемещение выравнивающего ползунка или магнитного ползунка могут осуществлять путем размещения концевой пластины батареи топливных элементов и второго элемента сжатия на верхней части выравнивающего элемента и перемещения их вниз по направлению к блокам топливных элементов. Затем перемещение вниз концевой пластины батареи топливных элементов и второго элемента сжатия может быть продолжено таким образом, что они будут расположены друг над другом на множестве блоков топливных элементов. Затем может быть приложено усилие сжатия.
Далее будет сделана ссылка на детали вариантов осуществления настоящей полезной модели, один или более примеров которых изложены ниже. Каждый пример представлен для объяснения настоящей полезной модели, а не для ее ограничения.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
На фиг. 1 представлен вид в перспективе выравнивающего устройства.
На фиг. 2 представлен вид в перспективе выравнивающего устройства по фиг. 1 с прижимной пластиной основания.
На фиг. 3 представлен вид в перспективе выравнивающего устройства по фиг. 2 с пластиной основания батареи топливных элементов.
На фиг. 4 представлен вид в перспективе выравнивающего устройства по фиг. 3 с батареей топливных элементов и концевой пластиной батареи топливных элементов.
На фиг. 5 представлен вид в перспективе выравнивающего устройства по фиг. 4 с концевой пластиной батареи топливных элементов и средством сжатия.
На фиг. 6 представлен вид в перспективе прижимной пластины основания с прикрепленными к ней L-образными боковыми пластинами.
На фиг. 7 представлен вид в перспективе второго выравнивающего устройства.
На фиг. 8 представлен вид в перспективе выравнивающего устройства по фиг. 7 с прижимной пластиной основания и пластиной основания батареи топливных элементов.
На фиг. 9 представлен вид сверху выравнивающего устройства по фиг. 8.
На фиг. 10 представлен вид сверху выравнивающего устройства по фиг. 9 с блоком топливных элементов.
На фиг. 11 представлен вид в перспективе выравнивающего устройства по фиг. 10.
На фиг. 12 представлен вид сбоку выравнивающего устройства по фиг. 10.
На фиг. 13 представлен вид в перспективе участка выравнивающего устройства по фиг. 9.
На фиг. 14 представлен вид по фиг. 13 с частичным разрезом.
На фиг. 15 представлен вид по фиг. 13 с частичным разрезом и функционирование расширительного элемента (толкающего элемента).
На фиг. 16 представлен вид в перспективе по фиг. 7 и функционирование расширительного элемента (запирания при повороте).
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ
В настоящую полезную модель могут быть внесены различные модификации и изменения, не выходящие за пределы объема формулы полезной модели.
Другие объекты, признаки и аспекты настоящей полезной модели раскрыты в оставшейся части описания. Ниже приводится описание исключительно примеров осуществления, которое не предназначено для ограничения более широких аспектов настоящей полезной модели.
Вариант 1 осуществления
На фиг. 1 показано приспособление 30 для сборки, содержащее заднюю пластину 31, пластину 32 основания и опорный кронштейн 33, прикрепленный как к задней пластине 31, так и к пластине 32 основания, для удержания задней пластины 31 по существу в вертикальном положении по отношению к пластине 32 основания. Направляющие рейки 36а, 36b, 36с расположены на задней пластине 31, причем каждая направляющая рейка 36а, 36b, 36с имеет соответствующую каретку 37а, 37b, 37с рейки, установленную с возможностью скольжения для перемещения вдоль каждой соответствующей направляющей рейки 36а, 36b, 36с. Направляющая рейка 36с расположена по существу вертикально и прикреплена к центру задней пластины 31, а направляющие рейки 36а, 36b расположены по существу вертикально и прикреплены к задней пластине 31 по направлению к боковым краям между направляющей рейкой 36с и краями задней пластины 31. Магнитные ползунки 45а, 45b прикреплены к соответствующим кареткам 37а, 37b рейки, а магниты 47а, 47b прикреплены к соответствующим магнитным ползункам 45а, 45b. Выравнивающий ползунок 35 прикреплен к каретке 37с рейки, которая, в свою очередь, установлена с возможностью скольжения для перемещения вдоль направляющей рейки 36с. Подвесные кронштейны 38а, 38b, 38с прикреплены к верхним краям направляющих реек 36а, 36b, 36с. Пружина 39а, 39b растяжения прикреплена между верхним краем каждого подвесного кронштейна 38а, 38b и каждым соответствующим магнитным ползунком 45а, 45b. Пружина 39с растяжения прикреплена между верхним краем подвесного кронштейна 38с и выравнивающим ползунком 35.
Усилие натяжения пружин 39а, 39b, 39с растяжения обеспечивает удерживание магнитных ползунков 45а, 45b и выравнивающего ползунка 35 по направлению к верхней части направляющих реек 36а, 36b, 36с до тех пор, пока к ним не будет приложено направленное вниз усилие.
Выравнивающий блок 34 прикреплен к задней пластине 31, расположен над направляющей рейкой 37с и содержит соответствующие первый и второй выравнивающие элементы 34а, 34b. Первый и второй выравнивающие элементы 34а, 34b содержат соответствующие выступы 50а, 50b. Каждый выступ 50а, 50b имеет переднюю поверхность 67, наружную поверхность 68 и внутреннюю поверхность 68а. Канал 51 образован промежутком между внутренними поверхностями 68а выступов 50а, 50b.
Выравнивающий ползунок 35 имеет форму, позволяющую ему проходить по каналу 51, и имеет обращенную вперед выравнивающую поверхность 66, ширина которой превышает ширину канала 51 и соответствует ширине выемок 1а блоков топливных элементов (как показано ниже на фиг. 11) и выемок токосъемников 75а, 75b, см. фиг. 4 (ниже).
Магнитные опорные блоки 43а, 43b прикреплены к задней пластине 31 и расположены между выравнивающим блоком 34 и соответствующей направляющей рейкой 36а, 36b. Каждый магнитный опорный блок 43а, 43b содержит переднюю опорную поверхность 81а, 81b и магнитный стержень 42а, 42b. Каждый магнитный стержень 42а, 42b удерживается по существу вертикально и выполнен с возможностью поворота в осевом направлении за счет перемещения соответствующей соединительной штанги 41а, 41b. Каждая соединительная штанга 41а, 41b прикреплена к верхней части соответствующего магнитного стержня 42а, 42b и проходит назад через прорезь 44 в задней пластине 31 приспособления для сборки. В задней части задней пластины 31 приспособления для сборки рычаг 40 прикреплен к соединительным штангам 41а, 41b и выполнен с возможностью перемещения для поворота магнитных стержней 42а, 42b.
Каждый магнитный опорный блок 43а, 43b содержит ступенчатый участок, имеющий форму, образующую углубление 52а, 52b на нижних краях опорного блока 43а, 43b. Передняя опорная поверхность 82а, 82b углубления расположена дальше назад, чем передняя опорная поверхность 81а, 81b магнитного опорного блока 43а, 43b.
Как видно из фиг. 4, узел 100 батареи твердооксидных топливных элементов на металлической подложке содержит металлическую пластину 73 основания батареи топливных элементов, металлическую концевую пластину 79 и батарею 80 топливных элементов, расположенных между пластиной 73 основания батареи топливных элементов и концевой пластиной 79 батареи топливных элементов. Изолирующие прокладки 77 Thermiculite  установлены между батареей 80 топливных элементов и пластиной 73 основания батареи топливных элементов (фиг. 9), а также между батареей 80 топливных элементов и концевой пластиной 79 батареи топливных элементов. Батарея 80 топливных элементов содержит по меньшей мере два блока 1 топливных элементов. Изолирующие прокладки размещены между каждыми двумя блоками 1 топливных элементов, в частности, вокруг впускных/выпускных отверстий для топлива, расположенных в каждом углу блоков 1 топливных элементов.
Узел 100 батареи твердооксидных топливных элементов на металлической подложке собирают с использованием приспособления 30 для сборки. На первом этапе (фиг. 2) прижимную пластину 70 основания помещают на пластину 32 основания приспособления для сборки и размещают таким образом, чтобы она упиралась в углубления 52а, 52b магнитных опорных блоков 43а, 43b. Прижимная пластина 70 основания имеет кромку 70а, проходящую по периметру верхней поверхности 70b, и четыре охватывающих выступа 70с с внутренней резьбой, каждый из которых имеет отверстие 71 для монтажной тяги для вставки в него монтажной тяги 72.
Как видно из фиг. 3, пластину 73 основания батареи топливных элементов (изготовленную из ферритной нержавеющей стали) размещают на верхней поверхности 70b прижимной пластины 70 основания, совместив ее с кромкой 70а для обеспечения правильного относительного положения. Вырез 74 (который образует выемку) в пластине 73 основания батареи топливных элементов выровнен с первым и вторым выравнивающими элементами 34а, 34b выравнивающего блока 34. Это позволяет обеспечить начальное выравнивание пластины 73 основания батареи топливных элементов (а также, следовательно, прижимной пластины 70 основания).
Как видно из фиг. 4, затем на верхнюю часть пластины 73 основания батареи топливных элементов помещают прокладочный слой 77 Thermiculite  (электроизолирующую прижимную прокладку) для обеспечения тепловой и электрической изоляции. Затем сверху помещают токосъемник 75а (пластину отбора отрицательной мощности; изготовленную из ферритной нержавеющей стали). Токосъемник 75а тока содержит выемку (не показана), которая выровнена с первым и вторым выравнивающими элементами 34а, 34b.
Для обеспечения лучшего выравнивания токосъемник 75а упирают в магнитные опорные блоки 43а, 43b (и притягивают к ним), удерживая его на месте. На этом этапе рычаг 40 располагают таким образом, чтобы соединительные штанги 41а, 41b установили магнитные стержни 42а, 42b в «рабочее» положение, в котором магнитная ось (север-юг) магнитных стержней 42а, 42b будет в целом перпендикулярна продольной оси пластины 73 основания батареи топливных элементов, т.е. чтобы токосъемник 75а притягивался по направлению к магнитным опорным блокам 43а, 43b.
Затем на верхнюю часть токосъемника 75а помещают первый блок 1 топливных элементов. Блок 1 топливных элементов представляет собой предварительно изготовленный блок твердооксидных топливных элементов, содержащий (по порядку) следующие слои: металлическую подложку, металлическую прокладку и металлическую соединительную пластину, причем все указанные детали изготовлены из ферритной нержавеющей стали. Топливный элемент расположен на наружной поверхности металлической подложки.
Блок 1 топливных элементов имеет выемку 1а (фиг. 11), совмещенную с (выровненную с) первым и вторым выравнивающими элементами 34а, 34b выравнивающего блока 34. Продольный наружный край 1b блока 1 топливных элементов упирается в магнитные опорные блоки 43а, 43b (и притягивается к ним), удерживая их на месте. Затем прокладки Thermiculite  помещают на верхнюю часть первого блока топливных элементов (т.е. на верхнюю часть слоя металлической соединительной пластины). Затем сверху помещают второй блок 1 топливного элемента и размещают его так же, как и первый блок 1 топливного элемента, а сверху него помещают прокладки Thermiculite . Затем, при необходимости, процесс повторяют, чтобы получить требуемое общее количество слоев блоков 1 топливных элементов в батарее 80 топливных элементов. Затем сверху помещают токосъемник 75b (пластину отбора положительной мощности; изготовленную из ферритной нержавеющей стали). Токосъемник 75b тока содержит выемку (не показана), которая выровнена с первым и вторым выравнивающими элементами 34а, 34b. Затем на верхнюю часть токосъемника 75b помещают прокладочный слой 77 Thermiculite  (электроизолирующую прижимную прокладку) для обеспечения тепловой и электрической изоляции. На этом этапе получают батарею 80 топливных элементов. Общая высота батареи 80 топливных элементов (с прокладочным слоем 77 и токосъемником 75b) превышает высоту выравнивающего блока 34 и магнитных опор 43а, 43b, т.е. они проходят над верхней частью выравнивающего блока 34 и магнитных опор 43а, 43b.
Для обеспечения лучшего выравнивания компонентов в батарее 80 топливных элементов выполняют этап частичного сжатия и выравнивания (фиг. 5). Концевую пластину 79 батареи топливных элементов (изготовленную из ферритной нержавеющей стали) помещают поверх прокладочного слоя 77 Thermiculite . Концевая пластина 79 батареи топливных элементов не имеет выемчатый участок, дополняющий выступы 50а, 50b первого и второго выравнивающих элементов 34а, 34b и направляющего ползунка 35. Вместо этого на этом этапе частичного сжатия и выравнивания концевую пластину 79 батареи топливных элементов помещают на верхнюю часть выравнивающего ползунка 35 и магнитных ползунков 45а, 45b. Прижимную концевую пластину 69 помещают на верхнюю часть концевой пластины 79 батареи топливных элементов. Затем монтажные тяги 72 с резьбой пропускают через отверстия 69а прижимной концевой пластины 69 и ввинчивают в охватывающие выступы 70с с внутренней резьбой прижимной пластины 70 основания. Затем прижимные гайки 69b навинчивают на монтажные тяги 72 с резьбой таким образом, чтобы они упирались в верхнюю поверхность прижимной пластины 69 основания. При дальнейшем затягивании прижимных гаек 69b усилие сжатия затем прикладывается между прижимной пластиной 70 основания и прижимной концевой пластиной 69. Прижимные гайки 69b удерживают прижимную концевую пластину 69 на месте, т.е. поддерживают усилие сжатия, прикладываемое между прижимной пластиной 70 основания и прижимной концевой пластиной 69. Прижимные гайки 69b затягивают/завинчивают, обеспечивая сжатие друг с другом концевой пластины 69, концевой пластины 79 батареи топливных элементов, выравнивающего ползунка 35 и магнитных ползунков 45а, 45b, при этом выравнивающий ползунок 35 перемещается вниз вдоль канала 51. Обращенная вперед выравнивающая поверхность 66 выравнивающего ползунка 35 контактирует с блоками 1 топливных элементов и толкает их по направлению от задней пластины 31 приспособления для сборки, т.е. от магнитных опорных блоков 43а, 43b. Результирующее напряжение между магнитными усилиями, обеспечивающими перемещение блоков 1 топливных элементов по направлению к магнитным опорным блокам 43а, 43b, и выравнивающей поверхностью 66, препятствующей этому перемещению, обеспечивает лучшее выравнивание блоков 1 топливных элементов батареи 80 топливных элементов. Магнитные ползунки 45а, 45b выполнены с возможностью притягивания металлических компонентов (в частности, блоков 1 топливных элементов) со своих сторон (т.е., как правило, параллельно продольной оси пластины 73 основания батареи топливных элементов) для снижения риска выталкивания отдельных блоков 1 топливных элементов из положения, когда выравнивающий ползунок 35 контактирует с ними и перемещает их.
Таким образом обеспечивают частично сжатое состояние, в котором блоки 1 топливных элементов и токосъемники 75а, 75b выровнены относительно выравнивающей поверхности 66 выравнивающего ползунка 35. Теперь узел 100 батареи твердооксидных топливных элементов (а также батарея топливных элементов 80 внутри него) находится в выровненном и частично сжатом состоянии и удерживается между прижимной пластиной 70 основания и прижимной концевой пластиной 69. Рычаг 40 располагают таким образом, чтобы соединительные штанги 41а, 41b установили магнитные стержни 42а, 42b в «нерабочее» положение, в котором магнитная ось (север-юг) магнитных стержней 42а, 42b будет в целом параллельна продольной оси пластины 73 основания батареи топливных элементов, вследствие чего уменьшится притяжение токосъемника 75а, блоков 1 топливных элементов и токосъемника 75b по направлению к магнитным опорным блокам 43а, 43b. При уменьшении магнитного притяжения узел батареи твердооксидных топливных элементов (а также прижимная пластина 70 основания и прижимная концевая пластина 69) может быть извлечен из приспособления 30 для сборки.
Вариант 2 осуществления
Этот вариант осуществления является по существу таким же, как вариант 1 осуществления, за исключением того, что боковые пластины 200, 201 прикреплены к боковым сторонам прижимной пластины 70 основания (фиг. 6). В этом варианте осуществления L-образные боковые пластины 200, 201 могут быть выполнены с возможностью способствования процессу сборки за счет направления различных компонентов по направлению к выравнивающим компонентам (выравнивающему блоку 34 и т.д.). Боковые пластины 200, 201 также облегчают сборку, поскольку они снижают риск того, что составные части узла 100 батареи топливных элементов будут выдвинуты из положения, например, операторами, до того, как произойдет их сжатие. Боковые пластины 200, 201 также снижают риск случайного повреждения узла 100 батареи топливных элементов при их отделении от приспособления 30 для сборки, например, при перемещении или хранении.
Вариант 3 осуществления
Этот вариант осуществления является по существу таким же, как вариант 1 осуществления, за исключением того, что дополнительно улучшено выравнивание за счет изменения второго выравнивающего элемента 34b. В этом варианте осуществления выравнивающий элемент 34b содержит первый и второй опорные элементы 58а, 58b, между которыми установлен поворотный запирающий элемент 58. Поворотный запирающий элемент 58 имеет, как правило, L-образное поперечное сечение и выполнен с возможностью поворота вокруг оси, образованной между первым и вторым опорными элементами 58а, 58b (фиг. 7). Поворотный запирающий элемент 58 содержит выступ 58с, который соответствует выступу 50b из варианта 1 осуществления. Регулировочная гайка 60 (фиг. 9) проходит через заднюю пластину 31 приспособления для сборки и взаимодействует с поворотным запирающим элементом 58, приводя его в действие. Таким образом, поворачивание регулировочной гайки 60 приводит к приложению усилия к поворотному запирающему элементу 58 и его повороту, т.е. его развертыванию в сторону от первого выравнивающего элемента 34а.
В процессе изготовления узла 100 батареи топливных элементов перед выполнением этапа частичного сжатия и выравнивания регулировочную гайку 60 поворачивают, чтобы обеспечить поворот поворотного запирающего элемента 58 и перемещение выступа 58с в сторону от выступа 50а (т.е. развертывание второго выравнивающего элемента 34b в сторону от первого выравнивающего элемента 34а), а также приложение усилия к боковым сторонам выемок 1а и выемок токосъемников 75а, 75b, таким образом улучшая выравнивание. Затем сборку продолжают по существу таким же образом, как в варианте 1 осуществления.
Вариант 4 осуществления
Этот вариант осуществления является по существу таким же, как вариант 1 осуществления, за исключением того, что дополнительно улучшено выравнивание за счет изменения выравнивающего ползунка 35. В этом варианте осуществления выравнивающий ползунок 35 содержит первый элемент 35а, прикрепленный к каретке 37с рейки и образующий первый участок 66а выравнивающей поверхности 66 (фиг. 13-15). Стержень 62 с резьбой проходит через первый элемент 35а, а толкающий элемент 62а установлен на стержне 62 с резьбой. Стержень 62 с резьбой выступает из верхней части выравнивающего ползунка 35, что позволяет ему поворачиваться, т.е. поворачивать толкающий элемент 62а. Выравнивающий ползунок 35 также содержит расширительный элемент в виде поворотного выравнивающего ползунка 57. Поворотный выравнивающий ползунок 57 установлен с возможностью поворота на первом элементе 35а и выполнен с возможностью поворота вокруг оси, в целом параллельной оси стержня 62 с резьбой. Поворотный выравнивающий ползунок 57 образует второй участок 66b выравнивающей поверхности 66, примыкающей к первому участку 66а. Поворот стержня 62 с резьбой, таким образом, приводит к повороту толкающего элемента 62а, который, в свою очередь, контактирует с поворотным выравнивающим ползунком 57 и толкает его, что приводит к повороту второго участка 66b выравнивающей поверхности 66 в сторону от первого участка 66а.
В процессе изготовления узла 100 батареи топливных элементов на этапе частичного сжатия и выравнивания (в частности, в конце этапа частичного сжатия и выравнивания, когда достигнуто состояние частичного сжатия) стержень 62 с резьбой поворачивается, что приводит к повороту второго участка 66b выравнивающей поверхности 66 в сторону от первого участка 66а (т.е. к развертыванию выравнивающего ползунка 35), а также к приложению усилия к боковым сторонам выемок 1а и выемок токосъемников 75а, 75b. Таким образом достигается дополнительное выравнивание.
По мере увеличения высоты узла 100 батареи топливных элементов, в частности, увеличения высоты батареи 80 топливных элементов внутри узла 100 батареи топливных элементов (т.е. для батарей 80 топливных элементов, содержащих большое количество блоков 1 топливных элементов), точность выравнивания становится более важной. Этот вариант осуществления, в частности, полезен при сборке таких «высоких» узлов 100 батареи топливных элементов.
Вариант 5 осуществления
В этом варианте осуществления объединены признаки вариантов 1, 3 и 4 осуществления.
Вариант 6 осуществления
В этом варианте осуществления объединены признаки вариантов 1, 2, 3 и 4 осуществления.
Вариант 7 осуществления
Этот вариант осуществления является по существу таким же, как вариант 3 осуществления, но рычаг 40 и соединительные штанги 41а и 41b заменены на указатель 53, используемый для поворота магнитных стержней 42а и 42b.
Вариант 8 осуществления
Этот вариант осуществления является по существу таким же, как вариант 4 осуществления, но рычаг 40 и соединительные штанги 41а и 41b заменены на указатель 53, используемый для поворота магнитных стержней 42а и 42b.
Другие варианты осуществления, не выходящие за пределы объема прилагаемой формулы полезной модели, будут очевидны для специалиста в данной области техники. Ссылочные позиции включены в формулу полезной модели исключительно для облегчения ее понимания, и они не ограничивают объем формулы полезной модели.