专利名称：用于提供均匀的燃料电池堆栈结构的方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及燃料电池，具体涉及按堆栈方式布置、并保持压缩形式的燃料电池。
背景技术：
燃料电池堆栈一般包括多个燃料电池，它们一个叠在另一个上，相互间保持压缩形式。这多个叠置的燃料电池形成了被压缩成让多个燃料电池保持压缩关系的燃料电池组件。一般而言，每个燃料电池都包括阳极层、阴极层、以及夹在所述阳极层和所述阴极层之间的电解质。该燃料电池组件需要相当大的压缩力将该堆栈的燃料电池压在一起。需要压缩力是因为燃料电池内存在的反应物的内部气体产生压力以及对保持电池的内部部件之间良好电接触的需要。概括而言，每个面积单位的力总共约为195-205psi，这个力均匀地分布在电池的整个有效区域(对于车用大小的堆栈来说，一般是77-155平方英寸)上。于是，对于面积约80平方英寸的燃料电池来说，该尺寸堆栈的总压缩力一般约为15500到16500磅。
现有技术的典型燃料电池堆栈结构聚焦于采用刚性端板和连杆向燃料电池组件施加并保持压缩力。将要被压缩的燃料电池组件夹在一对刚性端板之间。然后用穿过这些端板延伸的连杆将端板压在一起，并向端板施加压缩力。为了实现对燃料电池组件的理想压缩，一般都采用该种结构和其它类似结构来改变燃料电池堆栈结构的长度。另外，已在燃料电池中采用的电解质薄膜约0.007英寸厚，它会随着时间过去而滑动或应力松弛，因此需要进一步压缩燃料电池堆栈结构，以保持燃料电池组件上的理想压缩力。
当今的燃料电池组件利用0.018微米厚、经过加强的薄膜。结果，滑动或应力松弛要低得多，所以不再象现有技术的燃料电池组件中那样成为一个大问题。于是，采用了新型、较薄、经过加强的薄膜的燃料电池组件在一段时间以后不再要求因薄膜的松弛或应力释放而进一步被压缩。
燃料电池堆栈结构可用于多种用途。因为使用燃料电池堆栈结构的空间的体积一般是固定的，例如汽车或公共汽车中，因此如果燃料电池堆栈结构的尺寸均匀、进而能更换不同的燃料电池堆栈结构是很理想的。
于是，理想的是提供长度均匀的燃料电池堆栈结构。另外，理想的是构造并提供一种燃料电池堆栈结构，不管燃料电池组件所包含的燃料电池数目如何，该燃料电池堆栈的长度都是均匀的，而且还向燃料电池组件的有效区域施加了理想的压缩荷载。
因为当前的燃料电池堆栈结构利用薄而又经过增强的薄膜，该薄膜基本上没有空间滑动和应力松弛，因此现在对于燃料电池堆栈结构来说，其它压缩荷载方式也是可行的。这些压缩荷载技术能让燃料电池堆栈结构的尺寸均匀。另外，因为燃料电池组件和加强薄膜的性能很好了解，因此对燃料电池组件进行压缩、以在燃料电池组件的有效区域上获得给定压缩荷载的距离能通过燃料电池组件所包含的燃料电池数目来确定。与现有技术中对燃料电池堆栈结构进行压缩、直到向有效区域施加了预定压缩荷载的方式不同的是，这能在组装燃料电池堆栈结构时使用固定压缩距离。
发明概述本发明涉及用于提供均匀的燃料电池堆栈结构的装置和方法。另外，本发明涉及可与固定负荷相比的将燃料电池组件压缩固定距离的方法。
本发明的电化学燃料电池堆栈包括多个以叠置结构方式布置以形成燃料电池组件的燃料电池。该燃料电池组件具有相对的第一和第二端，这两端之间具有长度。第一和第二端板布置在与燃料电池组件的对应第一和第二端相邻的位置。第一和第二端板保持预定距离的固定间隔关系，由此第一和第二端板沿长度方向向燃料电池组件施加压缩力。在第一端板和燃料电池组件的第一端之间夹有至少一个隔板。该至少一个隔板的大小被构造成让第一和第二端板施加在燃料电池组件上的压缩力具有预定大小。
制造本发明的预定长度的电化学燃料电池堆栈的方法包括以下步骤1)为具有燃料电池组件的燃料电池堆栈选择预定长度；2)用预定压缩荷载压缩燃料电池组件；3)确定被压缩的燃料电池组件的压缩长度；4)计算燃料电池堆栈中可用于被压缩的燃料电池组件的空间长度与被压缩的燃料电池组件的压缩长度之差；5)除去燃料电池组件的预定压缩荷载；6)将厚度基本上等于计算差值的至少一个隔板设置在燃料电池堆栈中；7)向燃料电池堆栈施加压缩荷载，以便将燃料电池堆栈压缩到预定长度；8)以固定间隔关系固定燃料电池堆栈的第一和第二端板，以将燃料电池堆栈基本上保持在预定长度，由此在除去燃料电池堆栈上所施加的压缩荷载后，在燃料电池组件上仍施加有压缩力；以及9)从燃料电池堆栈上除去所施加的压缩荷载。上述方法在提供预定固定长度的燃料电池堆栈的同时，保持了燃料电池组件的有效面积上的理想压缩荷载。
在本发明的另一方面中，上述方法的步骤2、3和4可以修改，从而提供了制造预定长度的电化学燃料电池堆栈的不同的方法。将上述步骤改为包括以下步骤2)用预定的压缩荷载压缩燃料电池堆栈；3)确定被压缩的燃料电池堆栈的长度；以及4)计算被压缩的燃料电池堆栈的预定长度与确定长度之间的差值。
本发明的原理还提供了一种通过将燃料电池组件和/或燃料电池堆栈压缩预定距离来制造电化学燃料电池堆栈的方法。该方法包括以下步骤1)确定对具有燃料电池组件的燃料电池堆栈进行压缩的预定距离；2)向燃料电池堆栈施加压缩荷载，以便将燃料电池堆栈压缩预定距离；3)以固定的间隔关系固定燃料电池堆栈的第一和第二端板，从而让第一和第二端板保持被压缩到预定距离的燃料电池堆栈，由此在除去压缩荷载以后，燃料电池组件上仍施加有压缩力；以及4)除去燃料电池堆栈的压缩荷载。
在本发明的另一方面中，公开了一种制造预定长度的电化学燃料电池堆栈的方法。该方法包括以下步骤1)为具有燃料电池组件的燃料电池堆栈选择预定长度；2)确定对具有燃料电池组件的燃料电池堆栈进行压缩、以便向燃料电池组件施加预定大小的压缩力的预定距离；3)计算作为所述预定长度和所述预定距离的函数的隔板厚度；4)将具有所述隔板厚度的至少一个隔板设置在燃料电池堆栈中；5)向燃料电池堆栈施加压缩荷载，从而将燃料电池堆栈基本上压缩到预定长度；6)以固定间隔关系固定燃料电池堆栈的第一和第二端板，于是第一和第二端板保持被压缩到预定长度的燃料电池堆栈，由此在除去压缩荷载后，燃料电池组件上还施加有基本已知大小的压缩力；以及7)从燃料电池堆栈上除去压缩荷载。
通过下面提供的详细描述将使本发明的其它应用范围变得明显。应当理解的是，详细描述和具体例子虽然都表示本发明的优选实施例，但认为它们仅用于说明目的，而不是对本发明范围的限制。
附图的简要说明通过详细描述和附图，将使本发明变得更容易充分理解，附图中
图1是本发明的电化学燃料电池堆栈的透视图；图2是沿图1中电化学燃料电池堆栈的剖面线2-2剖开的简化剖视图；图3是图1电化学燃料电池堆栈的部分分解透视图，它表示侧板与该电化学燃料电池堆栈的结合；图4是表示燃料电池细节的简化不完全视图；图5A-5G是本发明的电化学燃料电池堆栈的端板和隔板的各种结构的剖视图；图6A是依照本发明原理的端板的成型内表面的平面图；图6B是沿图6A的端板的剖面线B-B剖开的剖视图；图6C是沿图6A的端板的剖面线C-C剖开的剖视图；图7A-7B是本发明的电化学燃料电池堆栈的端部组件的不完全剖视图，它表示结合这些端板组件的部件的各种方式；图8是本发明的电化学燃料电池堆栈中采用的隔板的透视图，它表示利用孔来减轻隔板重量；图9A-9B是图1的电化学燃料电池堆栈的简易剖视图，它表示利用预定大小F的压缩力对燃料电池组件和燃料电池堆栈进行压缩；图10A-10B是图1的电化学燃料电池堆栈的简易剖视图，它表示将燃料电池组件和燃料电池堆栈压缩了预定距离D；图11是表示依照本发明的原理制造燃料电池堆栈的预定力压缩方法的步骤的流程图；图12是表示依照本发明的原理制造燃料电池堆栈的预定压缩距离方法的步骤的流程图；图13是表示使用隔板制造预定或均匀长度的燃料电池堆栈的步骤的流程图。
优选实施例的详细描述以下对优选实施例的描述本身仅是示范性的，它们绝不是对本发明、其应用或用途的限制。
参照图1和2，其示出了依照本发明优选实施例的电化学燃料电池堆栈20。该燃料电池堆栈20包括多个以叠置结构方式布置成燃料电池组件24的燃料电池22，所述燃料电池组件24具有对置的上下端26、28，如图10A所示，它们中间是压缩长度30和未压缩长度31。燃料电池组件24夹在上下端组件32、34之间。上下端组件32、34通过侧壁以固定间隔关系保持。在当前优选的实施例中，侧壁包括至少一个侧板36。侧板36以间隔关系保持上下端组件32、34，以便让上下端组件32、34向燃料电池组件24施加压缩力。依照已知的燃料堆栈技术，燃料电池堆栈20包括向/从燃料电池组件24供应、排出反应物和冷却流体流的入口37、出口38和通道(未示出)。
如图4所示，燃料电池组件24包括多个重复单元或燃料电池22，每个燃料电池都具有膜电极组件(MEA)40和一对布置在MEA 40的对置侧面上的双极板组件42。每个双极板组件42都由夹在两个气体分配层42g之间的冷却剂分配层42c组成。在冷却剂分配层42c和气体分配层42g之间夹有装有冷却剂、并将阳极和阴极气流隔开的不可透隔板44。在将MEA夹在一个电池的阳极气体分配层42ga和相邻电池的阴极气体分配层42gc之间时，就形成了燃料电池22。MEA 40可以采用多种形式，这在本领域是已知的。例如，MEA 40可以是聚合物电解质薄膜。优选的是，聚合物电解质薄膜是厚度约在0.018微米数量级上的薄型加强薄膜。薄型加强聚合物电解质薄膜比现有技术的燃料电池中采用的厚度约为0.007英寸的聚合物电解质薄膜要薄得多。本发明所采用的薄而又经过增强的聚合物电解质薄膜在燃料电池组件24的长度30中仅占很小百分比，与现有技术的燃料电池堆栈采用的较厚聚合物电解质薄膜相比，它出现滑动或应力松弛要少得多。
燃料电池22按照叠置结构的形式布置成燃料电池组件24。彼此相邻叠置成燃料电池组件24的燃料电池22的数目可以变化。用于形成燃料电池组件24的燃料电池22的数目取决于燃料电池堆栈20的需要。即，在希望较大或更大功率的燃料电池堆栈20时，燃料电池组件24中燃料电池22的数目要增加。本领域公知的是，需要压缩燃料电池22，以便让燃料电池22更加高效，并产生更多能量。于是，要将燃料电池组件24压在上下端组件32、34之间。优选的是，要均匀压缩燃料电池组件24的有效区域(未示出)，使燃料电池组件24和燃料电池组件24中的每个燃料电池22的效率最大化。
再次参照图2和3，上端组件32布置在与燃料电池组件24的上端26相邻的位置。上端组件32包括具有对置的内外表面46、48的上端板45。上端板45的内表面46面向燃料电池组件24的上端26。上端板45有多个开口50，用以让与流体通道相连的各个入口37、出口38从燃料电池组件24延伸到燃料电池堆栈20的外部。具有与这些通道相连的入口37和出口38的燃料电池堆栈20的端部也称为“湿端”。
下端组件34设置在与燃料电池组件24的下端28相邻的地方。下端组件34包括具有对置的内和外表面60、62的下端板58。下端板58被定位成让下端板58的内表面60面向燃料电池组件24的下端28。当没有与流体通道相连的入口和出口穿过下端组件34时，燃料电池堆栈20的下端28也称为“干端”。
任选、而且优选的是，有一个或多个隔板52位于燃料电池组件24和上和/或下端板45、58之间。隔板52位于端板45、58和燃料电池组件24的端部26、28之间，让隔板52的内表面54面向燃料电池组件24的端部26、28，让隔板52的外表面55面向端板45、58的内表面54、60。当燃料电池组件24的端部26、28上设置了端接板56时，隔板52就位于端接板56和端板45、58之间，隔板52的内表面54面向端接板56。隔板52将端板45、58与端接板56分开。在端部组件32、34中，隔板52被定位成让隔板52的厚度57与燃料电池组件24的长度30排成一线。虽然优选实施例示出了与上下端组件32、34相关联的隔板52，但本领域普通技术人员可以认识到的是，隔板52的数目和位置可根据燃料电池堆栈20的设计和应用而变化。
上下端板45、58每个都有将内表面46、60与外表面48、62分开的外缘侧壁64。上下端板45、58上的外缘侧壁64与燃料电池组件24的长度30排成一线。优选的是，如图所示，燃料电池堆栈20的形状基本上是长方形的，上下端板45、58的形状也是长方形的。长方形的上下端板45、58的外缘侧壁64由基本上彼此垂直的第一和第二对对置侧壁66、68组成。第一和第二对对置侧壁66、68的每一个都具有一个以上的螺纹孔70，用以容纳可将侧板36固定到上下端板45、58上的螺纹紧固件80。
正如上面所提到的，上下端组件32、34向燃料电池组件24施加压缩力。施加在燃料电池组件24上的压缩力可通过保持固定间隔关系的上下端板45、58来产生。优选的是，上下端板45、58通过侧板36保持固定间隔关系。每块侧板36具有相对的第一和第二端部72和74、以及二者之间的长度76。每块侧板36定位在燃料电池堆栈20上，让第一端72与上端板45相邻，让第二端74与下端板58相邻，侧板36的长度76与燃料电池组件24的长度30排成一线。任选、而且优选的是，侧板36沿端板45、58的整个外缘侧壁64延伸。每块侧板36的第一和第二端72、74都有一个以上的开口78，在压缩燃料电池组件24时，这些开口要与上下端板45、58的外缘侧壁64上的螺纹孔70对齐。优选的是，每块侧板36的第一和/或第二端72、74中任何一端的开口78是狭缝形式的，这样就能以固定间隔关系保持上下端板45、58。该狭缝在允许燃料电池堆栈20的各个部件的尺寸变化的同时，仍能以固定间隔关系保持上下端板45、58。虽然优选采用螺纹机械紧固件80将侧板36结合到上下端板45、58上，但有经验的技术人员可以认识到，在不脱离权利要求所限定的发明范围的情况下，也可以采用其它方式把侧板36与上下端板45、58结合起来。在该意义上，由侧板36和端板45、58形成的接合应当足以抵抗它们之间接界处的相对旋转。例如，侧板36的第一和/或第二端72、74可通过其它机械紧固方式如铆钉或销钉、或通过各种粘结方式如焊接、钎焊或者粘结剂粘结固定到相应的上和/或下端板45、58上，这些方式仍在本发明的精神范围内。此外，应当理解的是，侧板36的端部72、74中的一个可以弯曲，形成位于端板45、58之一上的保持元件(未示出)，用以在让侧板36的相对端部72、74中与相对的端板45、58结合、并保持端板的固定间隔关系的同时，保持住端板45、58。
根据需要，每块侧板36都可具有一个以上的开口82，用以让端接板56上的接线板延伸到燃料电池堆栈20的外部。优选的是，每块侧板36电接地，从而保护燃料电池组件24不受电磁干扰。另外优选的是，每块侧板36由金属制成。将用于保持上下端板45、58的固定间隔关系的侧板36的大小构造成能在保持上下端板45、58的固定间隔关系的同时，让上下端板45、58向燃料电池组件24施加并保持压缩力。因为侧板36的宽度较大，因此需要较小厚度来提供承载压缩荷载所必要的抗张强度。与传统上利用燃料电池组件周围和/或贯穿燃料电池组件的轴向杆的情况相比，本发明的这个方案具有减轻重量的作用。
优选的是，一块以上的侧板36将至少一部分燃料电池组件24包封起来，以保护燃料电池组件24不受意外的损害。更加优选的是，侧板36将整个燃料电池组件24包封起来，从而为燃料电池组件24和燃料电池堆栈20提供了保护罩。于是，侧板36的尺寸被构造成能在保护燃料电池组件24和燃料电池堆栈20不受由于各种自然事物的冲击、吹打或其它打击而产生的损害的同时，让侧板36经得住这些冲击、吹打和其它打击。通过这种方式，侧板36不仅用于保持上下端板45、58的固定间隔关系、以便向燃料电池组件24施加并保持压缩荷载，而且为燃料电池组件24和燃料电池堆栈20提供了保护罩。利用侧板36执行保护功能消除了象传统燃料电池堆栈中那样在燃料电池堆栈20周围设置附加结构的需要，从而提供了对燃料电池堆栈20受意外吹打、冲击或其它打击的保护。
上端组件32和/或下端组件34中所任选包含的隔板52用于多种目的。即，可因为一个以上的原因而将隔板52含到燃料电池堆栈20中。例如，隔板52可用于将上和/或下端板45、58与端接板56隔开。按照上面所述的，端接板56是导电的，它用于通过端接板83从燃料电池堆栈20提取电流。当上和/或下端板45、58导电时，位于上和/或下端板45、58与端接板56之间的隔板52能将上端板和/或下端板45、58与端接板56电绝缘隔开。隔板52还可用于控制燃料电池堆栈20的总体尺寸。即，按照下面所要详细描述的，可在燃料电池组件24和上和/或下端板45、58之间设置一块以上的隔板52，以便在提供预定长度的燃料电池堆栈20的同时，仍能让端部组件32、34向燃料电池组件24施加压缩力。当前优选的是，隔板52的厚度57的范围约为8-18毫米，从而提供出电绝缘性能足够、尺寸均匀的燃料电池堆栈20。但是，本领域的普通技术人员可以认识到，具体的应用和设计规范将决定隔板(或多个隔板)52的厚度57的范围。按照下面要详细描述的，隔板52还可与上和/或下端板45、58组合使用，用于向燃料电池组件24施加基本上均匀的压缩荷载。
优选的是，隔板52是不导电的，它能用于将燃料电池堆栈20的各个部件电绝缘隔开。于是，隔板52优选由不导电材料如塑料制成。更为优选的是，隔板52由工业级高性能的塑料制成。用于制造一块或多块隔板52的工业级高性能的塑料在施加到燃料电池组件24上的一定大小的压缩荷载作用下是相对不可压缩的(即，应力松弛小)，由此将压缩载荷从上和/或下端板45、58传递给燃料电池组件24的相应上下端部26、28。具体而言，已证明聚噻吩烯硫醚是制造隔板52的特别有效的材料。聚噻吩烯硫醚可由Chenron Philips ChemicalCompany，L.P.出售的RYTON PPS牌和德国Frankfurt的Celanese AG出售的FORTRON牌得到。优选的是，如图7所示，隔板52具有一个以上可减轻隔板52重量的孔隙84。
按照上面所提到的，上下端板45、58通过侧板36保持固定的间隔关系，并向燃料电池组件24施加压缩载荷。正如前面所描述的，上下端板45、58通过侧板36以固定间隔关系保持。在燃料电池组件24的上下端26、28产生的压缩荷载将根据距离外缘侧壁64的距离而变化，沿着外缘侧壁64处压缩荷载达到最大，而在上下端板45、58的中心处达到最小。即，因为上下端板45、58仅沿它们的外缘侧壁64得到保持，因此上下端板45、58将响应燃料电池组件24上的压缩荷载和上下端板45、58的外缘侧壁64不能进一步移开而变形或挠曲。因为燃料电池堆栈20的效率部分取决于在燃料电池组件24的整个有效区域上施加的均匀压缩载荷，因此理想的是在燃料电池组件24的整个有效区域上保持基本上均匀的压缩载荷。
获得基本上均匀载荷的一种方式是通过增大上下端板45、58的厚度让它们变得刚硬，这样就能让上下端板45、58产生的挠曲对燃料电池组件24的效率的影响减到最小。但是，假设能为上下端板45、58提供这种厚度，这些端板就太厚了，这为燃料电池堆栈20增加了过多重量，从而降低了燃料电池堆栈的重量效率和体积效率。为了避免提供相对刚性的端板45、58的必要性，端板45、58可任选地结合到隔板52和端接板56上，以便将隔板52的刚度和端接板56的刚度贡献给端部组件32、34的总刚度，并降低在燃料电池组件24的整个有效区域上施加基本上均匀的压缩荷载所需的端板45、58的厚度。即，如图7A-7B所示，可将隔板52和端板45、58紧固在一起，将它们的刚度结合起来，并形成能向燃料电池组件24的有效区域施加基本上均匀的压缩载荷的端部组件32、34。如图7A所示，端接板56可通过机械紧固件86的方式如螺栓或螺纹与隔板52相连，组合起来的端接板56和隔板52可借助机械紧固件87与端板45、58中的一个结合。可以替换的是，端板56、隔板52、和端板45、58之一都可通过夹在相应部件之间的粘结层88的方式结合。于是，端接板56的刚度和隔板52的刚度与端板45、58的刚度组合起来，提供了能向燃料电池组件24的有效区域施加基本上均匀的压缩载荷的端部组件32、34，于是在不将端接板56或隔板52与端板45、58结合起来的情况下，较薄端板45、58将是必要的。
可以替换的是，和/或另外，端板45、58和/或隔板52具有能在无需采用超厚端板45、58的情况下对端板45、58的挠曲进行补偿和向整个燃料电池组件24的有效区域施加基本上均匀的压缩载荷的造型表面。即，由仅示出了上端板45和一块隔板52的图5A-5G可以看出，上端板45的内表面46的尺寸被构造成背离上端板45、朝燃料电池组件24的上端26弯曲，这样上端板45的厚度在沿着外缘侧壁64处最小，在上端板45的中心处最大。考虑到由于与下端板58保持固定间隔关系的上端板45沿着其外缘侧壁64被保持、同时又向燃料电池组件24的有效区域施加理想大小的压缩荷载而将在上端板45中产生的挠曲，因此对上端板45的内表面46的形状轮廓也做了造型。图6A-6C表示上端板45的内表面46的示范性轮廓造型。正如所看到的，上端板45的厚度大约在上端板45的中心处最大。
可以替换的是，和/或另外，考虑到在上端板45将产生的挠曲，隔板52可具有被轮廓造型的内和/或外表面54、55。即，隔板52的厚度被构造成沿着隔板52的外缘最小，在隔板52的中心处最大。例如，如图5G所示，隔板52的内表面54的轮廓被构造成由隔板52朝着燃料电池组件24的上端26延伸，或者如图5E所示，隔板52的外表面55的轮廓被构造成由隔板52朝着上端板45延伸，这样就可通过端板45向燃料电池组件24的有效区域施加基本上均匀的压缩载荷。可以替换的是，如图5F所示，隔板52的内、外表面54、55的轮廓被构造成分别由隔板52朝着燃料电池组件24的上端26和上端板45的内表面46延伸，由此就能向燃料电池组件24的有效区域施加基本上均匀的压缩载荷。
隔板52的内外表面54、55和上端板45的内表面46的造型的各种变化示于图5A-5G中。考虑到不仅有上端板45的挠曲，而且有下端板58的挠曲，上端板45和/或隔板52的表面轮廓形状可被造型，这样燃料电池组件24的上下端26、28都能收到基本上均匀的压缩载荷。同样，应当理解的是，下端组件34中下端板58的内表面60和隔板52的内外表面54、55的形状也可按照相同方式来构造或塑造，这样下端组件34的部件可向燃料电池组件24的有效区域施加基本上均匀的压缩载荷。有经验的技术实践人员可以认识到，内表面46中形成了各种可在燃料电池组件24的有效区域上实现更加均匀的压缩载荷的局部特征。于是，应当理解的是，上端组件32的部件和/或下端组件34的部件的表面形状可被单独或一起构造和造型成能向燃料电池组件24的有效区域施加基本上均匀的压缩载荷。还应当理解的是，为了示范性目的，对各图中所示的尺寸作了夸大处理，不应当将它们看作是相对燃料电池堆栈20的每个部件的尺寸。即，应当理解的是，对端板45、58的挠曲和通过塑造端板46、58和/或隔板的表面形状进行的校正作了夸大处理，以便更好地举例说明本发明的原理。还应当理解的是，不要将利用术语“上下”描述燃料电池堆栈20的各个部件理解为是绝对参考，要将其理解为是要提供燃料电池堆栈20的部件的相对关系。
虽然将燃料电池堆栈20描述并表示成基本上的长方形结构，但应当理解的是，燃料电池堆栈20的形状可以采用各种结构，它们仍然在权利要求书所限定的发明范围内。例如，燃料电池堆栈20可以是圆柱形的，燃料电池组件24以及上下端组件32、34也可以是圆柱形的。当燃料电池堆栈20为圆柱形时，侧板36就是一个圆柱形套筒，里面插有上下端组件32、34和燃料组件24。侧板36还可以是部分圆柱形套筒，它罩着燃料电池堆栈20的部件。于是，术语“侧板”的使用不应当限于平板，而应当理解为可以是平的或弯曲的，或者是由燃料电池堆栈20的特定形状所规定的各种形状。
按照早先提到的，燃料电池堆栈20具有利用压缩荷载来保持的燃料电池组件24，由此可让燃料电池组件24更高效。本发明还包括在压缩荷载条件下制造具有燃料电池组件24的燃料电池堆栈20的各种制造方法。在第一种方法、预定压缩载荷法中，如图9A-9B和11所示，燃料电池组件24和/或燃料电池堆栈20可利用能在燃料电池组件24上产生预定大小F的内部压缩荷载的外部压缩载荷来压缩。然后将侧板36固定到上下端板45、58上，以便在除去燃料电池组件24和/或燃料电池堆栈20上的外部压缩荷载时仍能以固定间隔关系保持上下端板45、58。因为上下端板45、58在除去外部压缩载荷后仍能保持固定间隔关系，因此按照下面更详细讨论的，由上下端板45、58继续向燃料电池组件24施加内部压缩载荷。
在第二方法、预定压缩距离法中，如图10A-10B和12所示，燃料电池组件24和/或燃料电池堆栈20可通过外部压缩载荷C压缩预定距离D。换言之，外部压缩载荷的大小足以将燃料电池组件24压缩预定距离D。然后将侧板36固定到上下的端板45、58(正如下面要进一步详细描述的)。接着除去外部压缩载荷。上下端板45、58保持其固定间隔关系。燃料电池组件24保持基本上被压缩预定距离D的状态，由此在其上施加内部压缩载荷。
按照上面所提到的，在预定大小F的压缩荷载条件下制造拥有燃料电池组件24的燃料电池堆栈20的预定压缩载荷法包括向燃料电池堆栈20施加外部压缩载荷。预定压缩载荷法包括以下步骤1)将燃料电池组件24设置在上下端板45、58之间，让燃料电池组件24的上端26与上端板45相邻，燃料电池组件24的下端28与下端板58相邻；2)向端板45、58中的至少一个端板施加外部压缩力，以便压缩燃料电池组件24，使其受预定大小F的内部压缩力作用；3)将侧板36与端板45、58相连，让侧板36的第一和第二端72、74分别与对应的上下端板45、58相连；以及4)除去施加到端板45、58中的至少一个端板上的外部压缩力，由此以固定的间隔关系保持上下端板45、58，从而在燃料电池组件24上保持基本上等于预定大小F的压缩力。由此预定压缩载荷法就提供了在燃料电池组件24上施加有基本上等于预定大小F的压缩力的燃料电池堆栈20。
相反，在利用预定压缩距离法组装燃料电池堆栈20时，与利用预定大小F的压缩力进行压缩相反的是，要将燃料电池堆栈20和/或燃料电池组件24压缩预定距离D。预定距离D的基准点可以是燃料电池组件24本身的总长。因此，另一基准仅仅是将燃料电池组件24压缩预定距离D，而不是压缩燃料电池堆栈20。但是，应当理解的是，将燃料电池组件24压缩预定距离D也可通过将燃料电池堆栈20压缩预定距离D来实现。优选的是，预定距离D对应于向燃料电池组件24施加的、能导致燃料电池堆栈20高效操作的压缩力。压缩燃料电池组件24的预定距离D可通过多种方式来确定。例如，按照下面要详细讨论的，预定距离D可根据包含燃料电池组件24的每个燃料电池22的固定距离压缩来计算，或者根据以往压缩具有已知数量的燃料电池22的燃料电池组件24的经验的经验数据来确定。一旦确定了预定距离D，就向燃料电池堆栈20施加外部压缩载荷，以便将燃料电池堆栈20和/或燃料电池组件24压缩预定距离D。然后将侧板36与上下端板45、58连接起来，除去外部压缩载荷。所得燃料电池堆栈20就具有被压缩了预定距离D的燃料电池组件24，并具有对应于燃料电池堆栈20的有效操作的内部压缩荷载。
当根据计算(即，基于每个电池的固定距离压缩)来确定压缩距离D时，每个燃料电池22被压缩给定距离。压缩燃料电池组件24的预定距离D可通过将燃料电池组件24中的燃料电池22的个数n乘以每个燃料电池22要被压缩的固定距离d来计算。换言之，通过等式D＝n×d计算。要将压缩每个燃料电池22的固定距离选择为能向燃料电池22提供大小基本上对应于能提供燃料电池组件24的有效操作的压缩力。即，每个燃料电池22要被压缩的固定距离d是以燃料电池22的物理特性和燃料电池22有效操作所需的压缩量为基础的。所得的燃料电池堆栈20具有被压缩了预定距离D的燃料电池组件24，并具有对应于燃料电池组件24实现有效操作的压缩荷载。
与将每个燃料电池22压缩固定距离相反的是，在基于经验数据时，压缩燃料电池组件24的预定距离D可通过利用已知压缩载荷压缩燃料电池组件2 4的以往经验来确定。对于这两种方法来说，最终的预定距离D是相等的。由于燃料电池组件24所包含的燃料电池22的组成的基本上均匀性，就能为每种类型的燃料电池22建立燃料电池22的数目与在燃料电池组件24受已知大小的压缩力作用产生的燃料电池组件24和/或燃料电池堆栈20的压缩距离之间的通用相关性。该相关性可用于根据燃料电池组件24所包含的燃料电池22的数目来确定压缩燃料电池组件24的预定距离D，以便向燃料电池组件24上施加理想大小的压缩力。例如，经验数据表示将具有50到200个燃料电池的燃料电池组件分别被压缩了距离X和4X，施加了理想大小的压缩力。拥有由100个相同燃料电池22组成的燃料电池组件24的燃料电池堆栈20可被压缩距离2X，根据上述相关性，它应向燃料电池组件24施加基本相等的理想大小的压缩力。
因为任何给定类型的燃料电池22的组成都有一些变化，因此施加到燃料电池组件24上的最终压缩力也要变化。最终压缩力的变化量将取决于相关性的精度和燃料电池22的变化。优选的是，最终压缩力将在理想大小附近的可接受范围内变化，因此该变化对燃料电池堆栈20的效率的影响是可忽略的。于是经验数据法提供了这样一个具有燃料电池组件24的燃料电池堆栈20在将燃料电池组件24压缩预定距离D时，所述燃料电池组件受基本上等于理想大小的、对应于燃料电池24有效操作的压缩力作用。
按照上面所提到的，隔板52可用于提供预定或均匀长度L的燃料电池堆栈20。即，在燃料电池堆栈20中，隔板52用于占据空间以便于燃料电池堆栈20达到预定或均匀长度L。均匀的长度L提供了多个优点。例如，均匀长度L让燃料电池堆栈的更换变得容易，并让采用了燃料电池堆栈20的装置具有用于燃料电池堆栈20的标准空间。
如图13a-13b所示，本发明提供了具有均匀长度L的燃料电池堆栈的各种组装顺序。燃料电池堆栈20的理想的预定或均匀长度L既可以是已知长度如工业标准，也可以是选定长度。无论哪种情况下，总长度L都是已知的量。上下端板45、58、燃料电池堆栈20中采用的所有端接板56、以及端部组件32、34的所有其它部件的厚度都可以测量，因此它们也是已知量。根据这些已知量/尺寸，就可以计算燃料电池堆栈20内要放置燃料电池组件24的空间，于是该空间也是已知量。即，燃料电池堆栈20中要放置燃料电池组件24的空间长度就等于燃料电池堆栈20的预定或均匀长度L减去端板45、58、所有端接板56和组成端部组件32、34的所有其它部件的尺寸。而未知尺寸仅是燃料电池组件24的压缩长度30。燃料电池组件24的压缩长度30可根据上面讨论的用于制造燃料电池堆栈20的方法和燃料电池组件24所包含的燃料电池22的数目而变化。
按照上面所阐明的，隔板52可与预定压缩载荷法一起用于制造预定或均匀长度L的燃料电池堆栈20，在该燃料电池堆栈20中，向燃料电池组件24施加了基本上等于预定大小F的压缩荷载。为了实现该目的，需要确定燃料电池组件24的压缩长度30或燃料电池堆栈20的压缩长度，以便能确定一个或多个隔板52的所需组合厚度。
通过以下方式都可确定燃料电池组件24的压缩长度30(1)如图9A所示，利用外部压缩载荷压缩燃料电池组件24，以便获得预定大小F的内部压缩荷载，然后测量压缩长度30；或者(2)如图9B所示，利用外部载荷压缩燃料电池堆栈20，以便向燃料电池组件24施加预定大小F的内部压缩载荷，然后或者(A)测量燃料电池组件24的压缩长度30；或者(B)测量燃料电池堆栈20的压缩长度，然后通过减掉端板45、58、端接板56和端部组件32、34的所有其它部件的已知尺寸算出燃料电池组件24的压缩程度30。一旦确定了燃料电池组件24的压缩长度30，就从燃料电池组件24或燃料电池堆栈20上除去外部压缩载荷。利用燃料电池组件24的压缩长度30算出制造预定或均匀长度L的燃料电池堆栈20需要的隔板52的所需组合厚度。隔板52的所需组合厚度等于里面要放置燃料电池组件24的空间长度(正如上面所讨论的)和燃料电池组件24的压缩长度30之差。由此算出隔板52的所需组合厚度。
可以替换的是，可以采用在燃料电池组件24有预定大小F的内部压缩载荷的燃料电池堆栈20的压缩长度。燃料电池堆栈20的压缩长度可通过以下步骤获得利用外部压缩载荷压缩燃料电池堆栈20，以向燃料电池组件24施加预定大小F的内部压缩荷载，然后测量燃料电池堆栈20的压缩长度。接着除去燃料电池堆栈上的外部压缩载荷。算出燃料电池堆栈20的预定或均匀长度L与燃料电池堆栈20的所测量的压缩长度之差。算得的差值就是隔板52的所需组合厚度。
一旦确定了隔板52的所需组合厚度，就要选择具有所需组合厚度的一块或多块隔板52。将选出的隔板52置于上和/或下端板45、58与燃料电池组件24的对应上和/或下端26、28之间。将隔板52定位，使隔板52的组合厚度与燃料电池组件24的长度30排成一线。然后通过向燃料电池堆栈20施加外部压缩载荷来压缩燃料电池堆栈20，由此将燃料电池堆栈20基本上压缩到预定或均匀长度L。具有预定或均匀长度L的燃料电池堆栈20的最终内部压缩载荷应当基本上等于预定大小F。然后将侧板36固定到上下端板45、58上，这样上下端板45、58将燃料电池堆栈20基本上保持在预定或均匀长度L上。最后，从燃料电池堆栈20上除去外部压缩载荷。最终燃料电池堆栈20的长度基本上等于预定或均匀长度L，同时燃料电池组件24基本上以预定大小F的力压缩。
制造燃料电池堆栈20的预定压缩距离法也可利用隔板52制造预定或均匀长度L的燃料电池堆栈20。隔板52的所需组合厚度是以燃料电池堆栈20的理想预定或均匀长度L、燃料电池组件24的压缩长度30、包括端部组件32、34在内的多个部件的厚度为基础。燃料电池组件24的压缩长度30可通过从燃料电池组件24的未压缩长度31中减掉预定距离D来计算。从燃料电池堆栈20的预定或均匀长度L中减掉燃料电池组件24的压缩长度30和端部45、58、端接板56以及包括端部组件32、34在内的所有其它部件的厚度，得到隔板52的所需组合厚度。然后选出能让隔板52的组合厚度基本上等于所需总厚度的隔板52。然后按照上面所讨论的，将所选隔板52加到燃料电池堆栈20上。最终得到的燃料电池堆栈20基本上具有理想的预定或均匀长度L、基本上被压缩了预定距离D的燃料电池组件24、以及与燃料电池组件24的有效操作相对应的内部压缩荷载。
在此用副词“基本上”来量化术语，应当将其理解为表示所述因子的大小在理想大小的可接受容差范围内。
对本发明的描述本质上仅是示范性的，因此，试图认为在不脱离本发明要点的情况下作出的变化都在本发明的范围之内。不应当认为这些变化脱离了本发明的精神和范围。
权利要求
1.一种电化学燃料电池堆栈，该堆栈包括多个以叠置结构方式布置以形成燃料电池组件的燃料电池，所述燃料电池组件具有相对的第一和第二端，这两端之间具有长度；第一和第二端板，所述第一和第二端板分别布置在与所述燃料电池组件的所述第一和第二端相邻的位置，所述第一和第二端板以预定距离的固定间隔关系被保持，由此所述第一和第二端板沿所述长度方向向所述燃料电池组件施加压缩力；以及插在所述第一端板和所述燃料电池组件的第一端之间的至少一个隔板，所述至少一个端板的尺寸被构造成能让所述第一和第二端板向所述燃料电池组件施加的所述压缩力具有预定大小。
2.根据权利要求1所述的堆栈，其中所述至少一个隔板具有多个开口，从而使得所述至少一个隔板具有减轻的重量。
3.根据权利要求1所述的堆栈，其中所述至少一个隔板是不导电的。
4.根据权利要求3所述的堆栈，它还包括插在所述至少一个隔板和所述燃料电池组件的所述第一端之间的端接板，所述至少一个隔板将所述端接板与所述第一端板隔开，从而将所述端接板与所述第一端板电绝缘。
5.根据权利要求1所述的堆栈，其中所述燃料电池组件的所述第一端是所述燃料电池组件的干端。
6.根据权利要求1所述的堆栈，它还包括多块隔板，所述多个隔板中的每块隔板都设置在所述第一和第二端板中的至少一个端板与所述燃料电池组件之间。
7.根据权利要求1所述的堆栈，其中所述至少一个隔板是塑料。
8.一种制造预定长度的电化学燃料电池堆栈的方法，该方法包括以下步骤为具有燃料电池组件的燃料电池堆栈选择预定长度；利用预定载荷压缩所述燃料电池组件；确定所述被压缩的燃料电池组件的压缩长度；计算所述燃料电池堆栈中可用于所述被压缩的燃料电池组件的空间长度与所述被压缩的燃料电池组件的所述被压缩长度之差；从所述燃料电池组件上除去所述预定压缩载荷；将厚度基本上等于所述计算差值的至少一个隔板设置在所述燃料电池堆栈中；向所述燃料电池堆栈施加压缩载荷，以便将所述燃料电池堆栈压缩到所述预定长度；将所述燃料电池堆栈的第一和第二端板以固定的间隔关系固定，以将燃料电池堆栈保持在所述预定长度，由此在除去了所述施加在所述燃料电池堆栈上的压缩载荷后，在所述燃料电池组件上施加压缩力；以及从所述燃料电池堆栈上除去所述施加的压缩载荷。
9.根据权利要求8所述的方法，其中确定所述被压缩的燃料电池组件的压缩长度的步骤包括测量所述被压缩的燃料电池组件的所述压缩长度。
10.根据权利要求8所述的方法，其中压缩所述燃料电池组件的步骤包括利用所述预定的压缩载荷压缩所述燃料电池堆栈。
11.根据权利要求10所述的方法，其中确定所述被压缩的燃料电池组件的压缩长度的步骤包括测量所述被压缩的燃料电池组件的所述压缩长度。
12.根据权利要求10所述的方法，其中确定所述被压缩的燃料电池组件的压缩长度的步骤包括测量所述被压缩的燃料电池堆栈的长度，并计算所述燃料电池组件的所述压缩长度。
13.根据权利要求8所述的方法，其中设置至少一个隔板的步骤包括将所述至少一个隔板设置在所述燃料电池组件的干端和与所述燃料电池组件的干端相邻的端板之间。
14.根据权利要求8所述的方法，其中设置至少一个隔板的步骤包括将所述至少一个隔板设置在与第一和第二端板中的至少一个相邻的端接板和所述燃料电池组件之间。
15.根据权利要求8所述的方法，其中将所述燃料电池堆栈的第一和第二端板以固定的间隔关系固定的步骤包括让至少一个侧板与所述燃料电池堆栈的所述第一和第二端板相连。
16.一种制造预定长度的电化学燃料电池堆栈的方法，该方法包括以下步骤为具有燃料电池组件的燃料电池堆栈选择预定长度；利用预定压缩载荷压缩所述燃料电池堆栈；确定所述被压缩的燃料电池堆栈的压缩长度；计算所述被压缩的燃料电池堆栈的所述预定长度与所述压缩长度之差；从所述燃料电池堆栈上除去所述预定压缩载荷；将厚度基本上等于所述计算差值的至少一个隔板设置在所述燃料电池堆栈中；向所述燃料电池堆栈施加压缩载荷，以便将所述燃料电池堆栈压缩到所述预定长度；将所述燃料电池堆栈的第一和第二端板以固定的间隔关系固定，以将燃料电池堆栈保持在所述预定长度，由此在除去了所述施加在所述燃料电池堆栈上的压缩荷载后，在所述燃料电池组件上施加压缩力；以及从所述燃料电池堆栈上除去所述施加的压缩载荷。
17.根据权利要求16所述的方法，其中设置至少一个隔板的步骤包括将所述至少一个隔板设置在所述燃料电池组件的干端和与所述燃料电池组件的所述干端相邻的端板之间。
18.根据权利要求16所述的方法，其中设置至少一个隔板的步骤包括将所述至少一个隔板设置在与所述第一和第二端板中的至少一个相邻的端接板与所述燃料电池组件之间。
19.根据权利要求16所述的方法，其中将所述燃料电池堆栈的第一和第二端以固定的间隔关系固定的步骤包括将至少一个侧板与所述燃料电池堆栈的所述第一和第二端板连接起来。
20.一种制造在燃料电池组件中有多个燃料电池的电化学燃料电池堆栈的制造方法，该方法包括以下步骤确定对具有燃料电池组件的燃料电池进行压缩的预定距离，以便向所述燃料电池组件施加预定大小的压缩力；向所述燃料电池堆栈施加压缩载荷，以便将所述燃料电池堆栈压缩所述预定距离；将所述燃料电池堆栈的第一和第二端板以固定的间隔关系固定，以便使所述第一和第二端板将所述被压缩的燃料电池堆栈保持在所述预定距离的状态，由此在除去了所述压缩载荷之后，向所述燃料电池组件施加所述预定大小的压缩力；以及从所述燃料电池堆栈上除去所述压缩载荷。
21.根据权利要求20所述的方法，其中确定压缩燃料电池堆栈的预定距离的步骤包括根据所述燃料电池组件中的已知燃料电池数量确定压缩所述燃料电池堆栈的所述预定距离。
22.根据权利要求21所述的方法，其中确定压缩燃料电池堆栈的预定距离的步骤包括通过将所述已知的燃料电池数量乘以固定的压缩距离来确定压缩所述燃料电池堆栈的所述预定距离。
23.根据权利要求21所述的方法，其中确定压缩燃料电池堆栈的预定距离的步骤包括以下步骤收集以往利用已知压缩载荷压缩燃料电池堆栈的经验数据，以便向所述燃料电池堆栈施加理想压缩载荷；以及通过根据所述经验数据选择所述预定距离来确定压缩所述燃料电池堆栈的所述预定距离。
24.根据权利要求20所述的方法，其中确定压缩燃料电池堆栈的预定距离的步骤包括以下步骤确定压缩所述燃料电池组件的压缩距离；以及根据压缩所述燃料电池组件的所述压缩距离，计算出压缩所述燃料电池堆栈的所述预定距离。
25.根据权利要求24所述的方法，其中确定压缩所述燃料电池组件的压缩距离的步骤包括根据所述燃料电池组件中的已知燃料电池数量来确定压缩所述燃料电池组件的所述距离。
26.根据权利要求25所述的方法，其中确定压缩所述燃料电池组件的距离的步骤包括通过将所述已知的燃料电池数量乘以固定的压缩距离来确定压缩所述燃料电池组件的所述距离。
27.根据权利要求25所述的方法，其中确定压缩所述燃料电池组件的预定距离的步骤包括以下步骤收集以往利用已知压缩载荷压缩燃料电池堆栈的经验数据，以便向所述燃料电池堆栈施加理想的压缩荷载；以及通过根据所述经验数据选择所述距离来确定压缩所述燃料电池组件的所述距离。
28.一种制造在燃料电池组件中具有多个燃料电池的固定长度的燃料电池堆栈的方法，该方法包括以下步骤为具有燃料电池组件的燃料电池堆栈选择预定长度；确定对具有燃料电池组件的燃料电池堆栈进行压缩的压缩距离，以便向所述燃料电池组件施加预定大小的压缩力；计算作为所述预定长度和所述预定距离的函数的隔板厚度；将具有所述隔板厚度的至少一个隔板设置在所述燃料电池堆栈中；向所述燃料电池堆栈施加压缩载荷，以便将所述燃料电池堆栈基本上压缩到所述预定长度；将所述燃料电池堆栈的第一和第二端板以固定的间隔关系固定，以便让第一和第二端板保持所述燃料电池堆栈被压缩到所述预定长度的状态，由此在除去了所述压缩载荷后，在所述燃料电池组件上施加所述大小基本上已知的压缩力；以及从所述燃料电池堆栈上除去所述压缩载荷。
29.根据权利要求28所述的方法，其中计算隔板厚度的步骤包括根据将所述电池堆栈压缩所述预定距离时所述燃料电池组件的压缩长度算出隔板厚度。
30.根据权利要求29所述的方法，其中计算隔板厚度的步骤包括从所述预定长度中减掉所述燃料电池组件的所述压缩厚度和所述第一和第二端板的厚度，由此确定所述隔板厚度。
31.根据权利要求28所述的方法，其中确定压缩燃料电池堆栈的预定距离的步骤包括根据所述燃料电池组件中的已知燃料电池数量确定对所述燃料电池堆栈进行压缩的所述预定距离。
32.根据权利要求31所述的方法，其中确定压缩燃料电池堆栈的预定距离的步骤包括通过将所述已知的燃料电池数量乘以固定距离来确定压缩所述燃料电池堆栈的所述预定距离。
33.根据权利要求31所述的方法，其中确定压缩燃料电池堆栈的预定距离的步骤包括以下步骤收集以往利用已知压缩载荷压缩燃料电池堆栈的经验数据，以便向所述燃料电池堆栈施加理想的压缩载荷；以及通过根据所述经验数据选择所述预定距离来确定压缩所述燃料电池堆栈的所述预定距离。
34.根据权利要求28所述的方法，其中确定压缩燃料电池堆栈的预定距离的步骤包括以下步骤确定压缩所述燃料电池组件的压缩距离；以及根据压缩所述燃料电池组件的所述压缩距离算出压缩所述燃料电池堆栈的所述预定距离。
35.根据权利要求34所述的方法，其中确定压缩所述燃料电池组件的压缩距离的步骤包括根据所述燃料电池组件中的已知燃料电池数量确定压缩燃料电池组件的所述距离。
36.根据权利要求35所述的方法，其中确定压缩所述燃料电池组件的压缩距离的步骤包括通过将所述已知的燃料电池数量乘以固定的压缩距离来确定压缩所述燃料电池组件的所述距离。
37.根据权利要求35所述的方法，其中确定压缩所述燃料电池组件的距离的步骤包括以下步骤收集以往利用已知压缩载荷压缩燃料电池堆栈的经验数据，以便向所述燃料电池堆栈施加理想的压缩载荷；以及通过根据所述经验数据选择所述距离来确定压缩所述燃料电池组件的所述距离。
全文摘要
一种按照叠置结构形式布置以形成燃料电池组件(24)的电化学燃料电池堆栈(20)。该组件插在至少一个隔板(52)与第一(45)和第二(58)端板之间。所述端板保持固定间隔关系，以便让这些端板向燃料电池组件施加压缩力。
文档编号H01M8/00GK1650460SQ03809730
公开日2005年8月3日 申请日期2003年4月9日 优先权日2002年4月30日
发明者J·A·罗克 申请人:通用汽车公司