CN100499205C - 紧凑的燃料电池堆栈结构 - Google Patents

Abstract

一种电化学燃料电池堆栈具有多个以叠置结构方式布置成燃料电池组件的燃料电池。燃料电池组件具有相对的第一和第二端部、这两端部之间的长度。第一和第二端板各自布置在燃料电池组件的第一和第二端部上。堆栈具有至少一个侧板，其具有各自连接到第一和第二端板上的相对第一和第二端部。侧板以间隔关系保持第一和第二端板，使得第一和第二端板在燃料电池组件上施加压缩力。侧板还在第一和第二端板之间包围燃料电池组件，并提供用于燃料电池组件的保护罩。

Description

紧凑的燃料电池堆栈结构

技术领域

本发明涉及燃料电池，尤其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反应物的内部气体以及产生了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。

传统燃料电池堆栈结构致力于采用刚性端板和连杆在燃料电池组件上施加并保持压缩力。将要被压缩的多个燃料电池或燃料电池组件夹在一对刚性端板之间。然后用穿过或围绕这些端板延伸的连杆将端板压在一起，并在端板上施加压缩力。另外，连杆通常延伸超过端板的表面，由此增加堆栈结构的体积。当堆栈结构采用围绕端板的周边分布的连杆在燃料电池组件上施加压缩力时，适当紧固连杆以便施加所需压缩力是困难的。即，连杆在一次努力中以预定形式紧固以便在燃料电池组件上施加均匀分布的压缩负载。但是，当每个连杆紧固时，端板施加的压缩负载变化，使得每个连杆必须在反复的过程中重新紧固多次，以便在燃料电池组件上实现大致均匀的压缩力。另外，连杆通常延伸超过端板的表面，由此增加堆栈结构的体积。

其中使用燃料电池的典型应用需要将燃料电池组件包围在保护罩中。典型的保护罩施加在现有堆栈结构上并增加总体堆栈结构的体积。保护罩由此增加堆栈结构的尺寸，除了提供保护作用而使得尺寸增加之外，没有获得实用性。由于燃料电池通常用于空间很宝贵的场合，希望提供一种容纳在具有最小体积的保护罩内的燃料电池。

由此，有利的是提供一种更加方便地在燃料电池组件上施加压缩力的堆栈结构，并且更有利的是压缩力施加装置仅将最小的体积添加到堆栈结构上。另外，有利的是提供一种用于将最小体积添加到堆栈结构上的燃料电池组件的保护罩，并且更有利的是除了保护燃料电池组件之外，保护罩对于堆栈结构来说提供多种优点。

发明内容

本发明涉及用于提供压缩电池燃料组件的紧凑燃料电池结构的设备和方法。除了压缩燃料电池组件之外，该设备还设置用于燃料电池组件的保护罩。

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部以及它们之间的长度。第一和第二端板布置在燃料电池组件的各自第一和第二端部上。具有相对第一和第二端部的侧壁各自连接到第一和第二端板上。侧壁以间隔关系保持第一和第二端板，使得第一和第二端板在燃料电池组件上施加压缩力。

侧壁的第一和第二端部可各自连接到第一和第二端板上，使得通过第一和第二端板在燃料电池组件上施加的压缩力具有预定大小。另外，侧壁的第一和第二端部可各自连接到第一和第二端板上，使得燃料电池组件的长度压缩预定距离。

最好是，第一和第二端板各自具有限定端板周边的周边侧壁，并大致平行于燃料电池组件的长度。侧壁的第一和第二端部各自连接到第一和第二端板上的周边侧壁上。

在第一优选实施例中，第一和第二端板是大致矩形端板，其具有限定每个端板周边的第一和第二对相对的侧壁。侧壁是多个侧板之一，并且多个侧板的至少一个侧板连接到第一对相对侧壁的一个侧壁上，并且多个侧板的不同的至少一个侧板连接到第一对相对侧壁的不同的一个侧壁上。

最好是，侧壁的第一和第二端部通过机械紧固件固定到第一和第二端板上。更优选的是，侧壁包括接收机械紧固件的细槽。

在第二优选实施例中，电化学燃料电池包括多个以叠置结构方式布置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部以及它们之间的长度。第一和第二端板布置在燃料电池组件的各自第一和第二端部上并在燃料电池组件上施加压缩力。具有相对第一和第二端部的侧壁各自连接到第一和第二端板上。侧壁在第一和第二端板之间包围燃料电池组件的一部分，并提供燃料电池组件的保护罩。最好是，侧壁连接到端板上，使得端板以间隔关系保持，以便在燃料电池组件上施加压缩力。

最好是，侧壁为燃料电池组件提供抵抗电磁干扰的屏蔽。更优选的是，一个侧壁电接地。

任选，但优选的是，侧壁是多个侧板。多个侧板的每个侧板在第一和第二端板之间包围燃料电池组件的不同侧面，使得在第一和第二端板之间的整个燃料电池组件被多个侧板包围。

制造本发明的电化学燃料电池堆栈的方法包括以下步骤：1)在第一和第二端板之间定位燃料电池组件，其中燃料电池组件的第一端部靠近第一端板，并且燃料电池组件的第二端部靠近第二端板；2)将外部压缩力施加到至少一个端板上，使得燃料电池组件压缩；3)将侧壁连接到端板上，其中侧壁的第一和第二端部各自连接到的第一和第二端板上，使得第一和第二端板以固定间隔关系保持，从而第一和第二端板以固定间隔关系保持，以便提供内部压缩；以及4)除去施加在端板上的外部压缩力。

任选，但优选的是，施加外部压缩力的步骤包括施加预定大小的外部压缩力，并且连接侧壁的步骤包括将侧壁的第一和第二端部各自连接到第一和第二端板上，使得当压缩力除去时，第一和第二端板以固定间隔关系保持，并将预定大小的内部压缩力施加到燃料电池组件上。另外，施加外部压缩力的步骤包括将压缩力施加在端板上，使得燃料电池组件沿着该长度压缩预定距离，并且连接侧壁的步骤包括将侧壁的第一和第二端部各自连接到第一和第二端板上，使得当外部压缩力除去时，第一和第二端板以固定间隔关系保持在预定距离上。

任选，但优选的是，侧壁在第一和第二端板之间包围燃料电池组件的长度，使得侧壁提供用于燃料电池组件的保护罩。

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显明。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，但试图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-B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统一长度的燃料电池堆栈的步骤的流程图。

具体实施方式

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，每个燃料电池单元都具有膜电极组件(MEA)40和一对布置在MEA40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。MEA40可以采用多种形式，这在本领域是已知的。例如，MEA40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的形状大致是长方形的，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由大致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是细槽形式的，这样就能以固定间隔关系保持上下端板45、58。该细槽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中结合、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、尺寸统一的燃料电池堆栈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施加大致均匀的压缩荷载。

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由工业级高性能的成品塑料制成。用于制造一块或多块隔板52的工业级高性能的成品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大致均匀的压缩载荷。

获得大致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大致均匀的压缩荷载所需的端板45、58的厚度。即，如图7A-B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，形成能向燃料电池组件24的有效区域施加大致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的有效区域施加大致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的有效区域施加大致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-G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。对上端板45的内表面46的形状轮廓也做了造型，从而导致由于与下端板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中产生挠曲。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，隔板52可被具有轮廓造型的内和/或外表面54、55，从而导致上端板45产生挠曲。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的有效区域施加大致均匀的压缩载荷。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的有效区域施加大致均匀的压缩载荷。

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-G中。上端板45和/或隔板52的表面轮廓形状可被构造成不仅可以导致上端板45的挠曲，而且导致下端板58的挠曲，这样燃料电池组件24的上下端26、28都能收到大致均匀的压缩载荷。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的有效区域施加大致均匀的压缩载荷。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或造型成能向燃料电池组件24的有效区域施加大致均匀的压缩载荷。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描述并表示成大致的长方形结构，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保持大致被压缩预定距离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上保持大致等于预定大小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上施加有大致等于预定大小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提供大小大致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的固定距离D可通过利用已知压缩载荷压缩燃料电池组件24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的组成的大致统一性，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距离X和4X，施加理想大小的压缩力。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大致等于理想大小的、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可用于提供预定或统一长度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达到预定或统一长度L。统一的长度L提供了多个优点。例如，统一长度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，本发明提供了具有统一长度L的燃料电池堆栈的各种组装顺序。燃料电池堆栈20的理想的预定或统一长度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的预定或统一长度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所包括的燃料电池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统一长度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施加了大致等于预定大小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的所需要的组合厚度。

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上卸掉外部压缩载荷。利用燃料电池组件24的压缩长度30算出制造预定或统一长度L的燃料电池堆栈20需要的隔板52的所需要的组合厚度。隔板52的所需要的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的所需要的组合厚度。

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的预定或统一长度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的所需要的组合厚度。

一旦确定了隔板52的所需要的组合厚度，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大致压缩到预定或统一长度L。具有预定或统一长度L的燃料电池堆栈20的最终内部压缩载荷应当大致等于预定大小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大致保持在预定或统一长度L上。最后，从燃料电池堆栈20上卸掉外部压缩载荷。最终燃料电池堆栈20的长度大致等于预定或统一长度L，同时燃料电池组件24大致以预定大小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制造预定或统一长度L的燃料电池堆栈20。隔板52的所需要的组合厚度是以燃料电池堆栈20的理想预定或统一长度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中减掉预定长度D来计算。从燃料电池堆栈20的预定或统一长度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的所需要的组合厚度。然后选出能让隔板52的组合厚度大致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大致具有理想的预定或统一长度L、大致被压缩了预定距离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“大致”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。

Claims (29)

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部、这两端部之间的长度，所述第一和第二端部与所述燃料电池组件的主平面表面相对应；

第一和第二端板，所述第一和第二端板各自布置在所述燃料电池组件的所述第一和第二端部上；其中每个所述第一和第二端板的主表面大致平行于所述燃料电池组件的所述主平面表面，并且每个所述第一和第二端板具有大致平行于所述燃料电池组件的所述长度的周边侧壁；以及

至少一个侧板，其具有各自连接到所述第一和第二端板的所述周边侧壁上的相对第一和第二端部，所述至少一个侧板的所述第一端部具有细槽，细槽使得所述至少一个侧板的所述第一端部通过机械紧固件连接到所述第一端板上，以便提供足够的力，从而以间隔关系保持所述第一和第二端板，并且对于至少一个侧板的所述第一端部和所述第一端板之间的重叠来说沿着所述细槽的长度提供连续的调节，所述至少一个侧板以所述间隔关系保持所述第一和第二端板，使得每个所述第一和第二端板的所述主表面的至少一个平面部分在所述燃料电池组件上施加压缩力。

2.如权利要求1所述的堆栈，其特征在于，所述至少一个侧板的所述第一和第二端部各自连接到所述第一和第二端板上，使得通过所述第一和第二端板施加在所述燃料电池组件上的所述压缩力具有预定大小。

3.如权利要求1所述的堆栈，其特征在于，所述至少一个侧板的所述第一和第二端部各自连接到所述第一和第二端板上，使得所述燃料电池组件的所述长度压缩预定距离。

4.如权利要求1所述的堆栈，其特征在于，所述至少一个侧板是连接到每个所述端板的所述周边的相对侧壁上的一对侧板。

5.如权利要求1所述的堆栈，其特征在于，所述至少一个侧板的所述第二端部具有至少一个开口，机械紧固件插入穿过该开口以便将所述至少一个侧板的所述第二端部各自连接到所述第二端板上。

6.如权利要求5所述的堆栈，其特征在于，将所述至少一个侧板的所述第一端部连接到所述第一端板上的机械紧固件具有与所述第一端板内的螺纹开口接合的螺纹部分，并且将所述至少一个侧板的所述第二端部连接到所述第二端板上的机械紧固件具有与所述第二端板内的螺纹开口接合的螺纹部分。

7.如权利要求5所述的堆栈，其特征在于，所述至少一个侧板的所述第二端部上的所述至少一个开口是多个开口之一，并且所述细槽和多个开口围绕所述至少一个侧板的所述第一和第二端部隔开。

8.如权利要求1所述堆栈，其特征在于，每个所述第一和第二端板的所述主表面的所述平面部分是分布在大部分所述主表面上的接触界面。

9.如权利要求1所述的堆栈，其特征在于，还包括布置在至少一个所述第一和第二端板和所述燃料电池组件之间的至少一个中间构件，其中至少一个所述第一和第二端板的所述主表面的所述平面部分将所述压缩力经由所述至少一个中间构件施加在所述燃料电池组件上。

10.一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部、这两端部之间的长度；所述第一和第二端部与所述燃料电池组件的主平面表面相对应；

第一和第二端板，所述第一和第二端板各自布置在所述燃料电池组件的所述第一和第二端部上；其中每个所述第一和第二端板的主表面大致平行于所述燃料电池组件的所述主平面表面，并且每个所述第一和第二端板的所述主表面的至少一个平面部分在所述燃料电池组件上施加压缩力；以及

多个侧板，其具有各自连接到所述第一和第二端板上的相对第一和第二端部，所述侧板的所述第一端部具有细槽，细槽使得所述侧板的所述第一端部通过机械紧固件连接到所述第一端板上，以便提供足够的力，从而以间隔关系保持所述第一和第二端板，并且对于所述侧板和所述第一端板之间的重叠来说沿着所述细槽的长度提供非离散的调节，每个所述多个侧板在所述第一和第二端板之间包围所述燃料电池组件的一部分，并提供用于所述燃料电池组件的保护罩。

11.如权利要求10所述的堆栈，其特征在于，所述侧板的所述第一和第二端部各自连接到所述第一和第二端板上，其中所述侧板的所述第一和第二端部的部分以间隔关系保持所述第一和第二端板，使得所述侧板的所述第一和第二端部的所述部分造成所述第一和第二端板在所述燃料电池组件上施加所述压缩力。

12.如权利要求10所述的堆栈，其特征在于，至少一个所述侧板具有形成其中的开口，使得形成在端板上的端子通过其中。

13.如权利要求10所述的堆栈，其特征在于，所述侧板由金属制成。

14.如权利要求10所述的堆栈，其特征在于，所述侧板为所述燃料电池组件提供抵抗电磁干扰的屏蔽。

15.如权利要求14所述的堆栈，其特征在于，所述侧板电接地。

16.如权利要求10所述的堆栈，其特征在于，所述第一和第二端板之间的所述整个燃料电池组件被所述多个侧板包围。

17.如权利要求10所述的堆栈，其特征在于，所述第一和第二端板的每个所述主表面大致是矩形的。

18.如权利要求10所述的堆栈，其特征在于，每个所述第一和第二端板的所述主表面的所述平面部分是分布在大部分所述主表面上的接触界面。

19.如权利要求10所述的堆栈，其特征在于，还包括布置在至少一个所述第一和第二端板和所述燃料电池组件之间的至少一个中间构件，其中至少一个所述第一和第二端板的所述主表面的所述平面部分将所述压缩力经由所述至少一个中间构件施加在所述燃料电池组件上。

20.一种制造电化学燃料电池堆栈的方法，该方法包括如下步骤：

在第一和第二端板之间定位燃料电池组件，其中所述燃料电池组件的第一端部大致平行于并靠近所述第一端板的主表面，并且所述燃料电池组件的第二端部大致平行于并靠近所述第二端板的主表面；

将外部压缩力施加到至少一个所述端板上，使得所述燃料电池组件通过每个所述端板的主表面的至少一个平面部分压缩；

在具有细槽的至少一个侧板的第一端部和所述第一端板之间形成重叠，所述重叠可沿着所述细槽的长度连续调节；

将所述至少一个侧板连接到所述第一和第二端板的周边侧壁上，其中所述至少一个侧板的第一和第二端部各自连接到所述第一和第二端板上，以便提供足够的力，从而以固定间隔关系保持所述第一和第二端板，使得所述第一和第二端板通过所述形成的重叠保持所述固定间隔关系，并且当所述外部压缩力除去时，所述燃料电池组件保持压缩；以及

从所述端板上除去所述外部压缩力。

21.如权利要求20所述的方法，其特征在于，

施加外部压缩力的步骤包括施加具有预定大小的压缩力，使得所述燃料电池组件受到具有所述预定大小的压缩力；以及

将所述至少一个侧板连接到所述端板上的步骤包括将所述至少一个侧板的所述第一和第二端部各自连接到所述第一和第二端板上，使得当所述压缩力除去时，所述第一和第二端板以固定间隔关系保持，并且在所述燃料电池组件上保持具有所述预定大小的所述压缩力。

22.如权利要求20所述的方法，其特征在于，

施加外部压缩力的步骤包括将压缩力施加到所述端板上，使得所述燃料电池组件在所述外部压缩力的方向上压缩预定距离；以及

将所述至少一个侧板连接到所述端板上的步骤包括将所述至少一个侧板的所述第一和第二端部各自连接到所述第一和第二端板上，使得当所述外部压缩力除去时，所述第一和第二端板保持固定间隔关系，并且所述燃料电池组件保持所述压缩的所述预定距离。

23.如权利要求20所述的方法，其特征在于，将所述至少一个侧板连接到所述端板上的步骤包括将一对侧板连接到每个所述端板的所述周边的相对侧壁上。

24.如权利要求20所述的方法，其特征在于，所述至少一个侧板在所述第一和第二端板之间包围所述燃料电池组件的一个长度，使得所述至少一个侧板提供用于所述燃料电池组件的保护罩。

25.如权利要求20所述的方法，其特征在于，所述至少一个所述端板的所述主表面的所述平面部分是分布在大部分所述主表面上的接触界面。

26.如权利要求20所述的方法，其特征在于，还包括将至少一个中间构件布置在至少一个所述第一和第二端板和所述燃料电池组件之间，并且经由所述至少一个中间构件将所述燃料电池组件和至少一个所述第一和第二端板的平面部分压缩。

27.一种电化学燃料电池堆栈，包括：

具有相对的第一和第二端部以及其中一段长度的燃料电池组件，所述第一和第二端部与所述燃料电池组件的主平面表面相对应；

布置在所述燃料电池组件的所述第一端部上的第一端部组件，所述第一端部组件具有第一端板，其具有大致平行于所述燃料电池组件的所述第一端部的所述主平面表面的主表面；

布置在所述燃料电池组件的所述第二端部上的第二端部组件，所述第二端部组件具有第二端板，其具有大致平行于所述燃料电池组件的所述第二端部的所述主平面表面的主表面；

具有各自连接到所述第一和第二端板的侧壁上的相对第一和第二端部的至少一个侧板，所述第一端部具有多个细槽，细槽使得所述第一端部通过机械紧固件连接到所述第一端板上，以便提供足够的力，从而以间隔关系保持所述第一和第二端板，所述细槽使得所述第一端部和所述第一端板之间的重叠沿着所述细槽的长度存在连续范围，所述至少一个侧板将所述第一和第二端板保持所述间隔关系，使得所述第一和第二端板的每个所述主表面的至少平面部分经由所述第一和第二端部组件在所述燃料电池组件上施加压缩力。

28.如权利要求27所述的堆栈，其特征在于，所述第一端部组件包括布置在所述第一端板和所述燃料电池组件的所述第一端部之间的至少一个中间构件。

29.如权利要求28所述的堆栈，其特征在于，所述第二端部组件包括布置在所述第二端板和所述燃料电池组件的所述第二端部之间的至少一个另外的中间构件。

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