CN102447126B - 夹持燃料电池组的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种夹持燃料电池组的方法，包括电池组的初步夹持步骤；执行气体流率变化循环或夹持压力变化循环的电池组的预处理步骤，其中气体流率变化循环重复地改变供应到包括在初步夹持的电池组中的阳极和阴极的气体的流率，且其中夹持压力变化循环通过使用压力工具对初步夹持的电池组进行加压和释压而重复地增加和减少夹持压力；和校正由气体扩散层厚度的变化引起的夹持压力的变化的电池组的主夹持步骤，以在电池组的预处理步骤之后主要地夹持电池组。

Description

夹持燃料电池组的方法

技术领域

本发明涉及一种夹持燃料电池组的方法，并且更特别地，涉及一种可以稳定且以最优的方式来夹持燃料电池组的方法而不会导致任何问题，例如电池组在运行的时候气体扩散层厚度不可逆的改变、夹持压力下降、微小间隙的产生、接触电阻增加等问题。

背景技术

燃料电池是一种能量转换器件，其通过电化学反应将源燃料的化学能转换为电能，而不是通过燃烧将源燃料转换为热量的过程。燃料电池可用作车辆和其它工业以及家庭目的的电源。燃料电池也可用于给小型电器件/电子器件、便携设备等供应能量。

目前，具有高功率密度的聚合物电解质膜燃料电池(“PEMFCs”)作为车辆的燃料电池被最广泛地研究。

PEMFC在50～100℃级别的相当低的温度下运行，并且提供了以下超过其它种类燃料电池的优点：快速的启动时间、功率转换反应时间以及高能量密度。

燃料电池组包括作为主要元件的膜电极组件(“MEA”)。MEA被安置在电池组的内部，且包括可移动氢离子的固态高分子电解质膜和在电解质膜两表面上的电极层。该电极层包括阴极和阳极，对其施以与氧气和氢气反应的催化剂。

进一步，气体扩散层(“GDL”)和衬垫被配置在该MEA的外围部分上，该部分安置阴极和阳极。双极板安置在该气体扩散层的外围部分上。该双极板包括用于供应反应气体(氢气作为燃料而氧气或空气作为氧化剂)的流场。冷却水也经过该流场。

上面的结构形成单元电池。多个单元电池被一个一个的堆叠，且端板连接在其最外围的部分上，从而完成燃料电池组。

现在将描述PEMFC的运行原理。氢气是燃料源，而氧气(空气)是催化剂，它们分别被供应给MEA的阳极和阴极。穿过双极板的流场，氢气被供应给作为氧化电极的阳极，其通过施加在电极层上的催化剂被分解为氢离子(质子，H⁺)和电子(e^-)。

氢离子仅仅穿透作为阳离子交换薄膜的电解质膜，并被传输给阴极。同时，电子穿过气体扩散层和作为导体的双极板以及外部端子被传输到阴极。穿过该外部端子的电子流形成电流。

在阴极(还原电极)处，传输经过电解质膜的氢离子以及传输经过双极板的电子与供应给阴极的氧气反应以生成水和热量。

每个单元电池产生低的电压。因此，几十个或几百个单元电池被一个一个的堆叠从而形成燃料电池组以产生高的电压。通常的燃料电池组结构在附图1中示出。

传统的装配和夹持燃料电池组的方法包括螺栓夹持方法、卡箍夹持(bandclamping)方法和线夹持(wireclamping)方法。在螺栓夹持方法中，端板120和121连接在堆叠的电池110的两端上且随后通过压力工具压紧。然后，长螺栓(夹持棒)130插过端板120和121，并通过螺母140紧固，以使端板120和121不能移动。

在卡箍夹持方法中，端板连接在堆叠的电池的两端上且随后通过压力压紧。在这种情况下，端板通过卡箍束缚，该卡箍接着通过螺栓紧固于端板。

端板起到支撑和压紧双极板的作用。在双极板的整个面积上保持恒定的表面压力下，端板通过例如螺栓和螺母、卡箍或线的材料紧固。通过此方式，完成电池组的夹持。

在电池组夹持后，端板保持成彼此吸引，而卡箍或线维持恒定的长度。在这种情况下，在两个相邻电池之间的表面压力对燃料电池组的总输出具有相当大的影响。在电池组中的表面压力与气体扩散层中的传质阻力和由于接触电阻的增加而产生的欧姆损耗直接相关。因此，为了使电池组具有好的性能，恰当地保持夹持压力是必要的。

在表面压力太低的情况下，双极板、气体扩散层和MEA之间的接触电阻增加，并因此发生电流-电压下降。在表面压力太高的情况下，气体扩散层被过度的压缩使得其很难扩散气体。结果，电池组的输出降低。

对于使用燃料电池的车辆，为了提高电池组性能和减少电池组的重量和体积，有效地夹持电池组是重要的。进一步，准确地了解包括在电池组中的元件的物理特性是必要的。

为了这个目的，已经常规地提出一些电池组夹持方法和元件的评价方法，且包括：电池组夹持相关的发明，燃料电池组夹持装置(韩国专利第0514375号)、燃料电池组的紧固件(韩国专利申请公开第2010-20715号)、燃料电池组夹持结构(韩国专利第501206号)；电池组装配/活化相关的发明，燃料电池组自动装配装置(韩国专利申请公开第2009-106217号)、电池组气密测试装置和方法(韩国专利申请公开第2009-113429号和第2009-108478号)、燃料电池活化方法(韩国专利申请公开第2007-60760号)；以及元件特性评价相关的发明，包括安置电解质膜的销孔的装置(韩国专利申请公开第2009-107610号)、MEA/气体扩散层集成设备(韩国专利申请公开第2009-111898号)、燃料电池双极板气密检测装置(韩国专利申请公开第2009-113432号)、测量每一压力气体扩散层的厚度/电阻/压力差/透过性的装置(韩国专利第902316号)、以及气体扩散层分离检测装置(韩国专利申请公开第2009-108767号)。

由于用于车辆的PEMFCs的R&D和大规模生产正在进行中，在燃料电池组的元件之中，对于获得稳定的性能起到重要作用的气体扩散层，广泛地研究和开发其为了获得微观结构/性能的特性评价方法和机理。

一般，气体扩散层包括气体扩散基材层和施用在该气体扩散基材层上的微孔层。气体扩散基材层由碳基材料制成，例如碳纸、碳布或碳毡[Escribano，J.Blachot，J.Etheve，A.Morin，R.Mosdale，J.PowerSources，156，8(2006)；M.F.Mathias，J.Roth，J.Fleming，andW.Lehnert，HandbookofFuelCells-Fundamentals，TechnologyandApplications，Vol.3，Ch.42，JohnWiley&Sons(2003)]，或者可包含金属多孔薄膜或多孔金属筛。

例如碳粉、碳纳米棒、碳纳米线、或碳纳米管的碳材料、导电金属、无机材料或陶瓷粉末被单独或者组合使用以制造微孔层。微孔层可包括用于平稳脱水的疏水剂，例如聚四氟乙烯(“PTFE”)或氟化乙烯丙烯(“FEP”)，和改善离子导电性的亲水剂，例如nafion离子聚合物。微孔层可包括预设的微孔结构。

包括在单元电池中的气体扩散层不仅仅是作为反应气体和反应产物即水通过的通道，而且也作为导热和导电的介质。进一步，气体扩散层释放反应产物水，以使水的溢出最小化。

因为在实际运行中，气体扩散层的厚度和微观结构发生改变，所以了解气体扩散层物理特性在夹持状态下发生的变化是必要的。如在附图2A中可看到，气体扩散层的厚度随着夹持压力而变化。在厚度的减少是通个高夹持压力诱发的情况下，气体扩散层经历非弹性的变形，其中即使夹持压力再次减小，厚度也并不会回到它原来的状态。

这种现象也能够通过剖面形状看到，该剖面形状在用于电池组夹持的气体扩散层被去除之后获得。从附图3中可看到，虽然气体扩散层从电池组中除去且没有进一步的压力施加于气体扩散层，但是与双极板承受夹持压力的棱边部分接触的气体扩散层的一部分保持收缩和变形。附图2B示出了依赖于夹持压力的变化的气体扩散层的电导性的改变，其中当夹持压力减小时，在气体扩散层中的电阻增加。

在长螺栓或可箍用作夹持燃料电池组的传统结构的情况下，电池组的长度在电池组夹持后保持不变。因此，如果作为电池组的组成的气体扩散层的厚度在运行中减小，则在单元电池中表面压力分布改变，从而使得难以在电池组的整个面积上保持均匀压力。而且，燃料电池组的输出可能降低。

因此，在气体扩散层的厚度随着由在电池组运行期间的振动或气体流率(气体供应流率和馈送流率(feedflowrate))的增加和减少而引起的夹持压力的变化而改变的情况下，在如附图4C中所示，电池元件之间产生微小间隙，导致了接触电阻与附图4B中所示的电池组刚夹持后的状态相比增加。因此，找到可控制上面的状况的最佳的电池组夹持条件是关键的。

发明内容

本发明的实施方式提供了一种夹持燃料电池组的方法，其可稳定地并最优地夹持电池组而无任何问题，例如电池组在运行时气体扩散层厚度不可逆的改变、夹持压力降低、微小间隙产生、接触电阻增加等问题。

根据本发明的实施方式，提供一种夹持燃料电池组的方法，包括：电池组的初步夹持步骤，其设定并固定紧固件至电池组，以便使由压力工具施加至电池组的夹持压力得以保持，以使夹持压力为阴极/阳极流场和冷却水流场提供气密性，其中该电池组包括彼此堆叠的多个单元电池和连接在该堆叠的单元电池上的端板；电池组的预处理步骤，其执行气体流率变化循环以逐渐改变气体扩散层的厚度，其中该气体流率变化循环重复地改变同时供应至包括在初步夹持过程中夹持的电池组中的阳极和阴极的气体流率，并且执行电池组的预处理步骤直到尽管流率继续变化，不会发生气体扩散层的厚度的进一步改变；以及电池组的主夹持步骤，其在该电池组的预处理步骤之后校正由于气体扩散层厚度的变化引起的夹持压力的变化以在电池组的主夹持步骤期间主要地夹持该电池组。

在特定的实施方式中，本发明提供了一种方法，其中，气体流率变化循环执行供应至包括在初步夹持的电池组中的阳极和阴极的气体的流率增加/减小步骤、或气体供应/关闭步骤，以重复地引起流率的变化。

在不同的实施方式中，本发明提供了一个方法，其中在气体流率变化循环中，在气体流率增加步骤中供应的气体的流率或在气体供应步骤中供应的气体的流率，被设定为电池组运行所需要的反应气体的预定的最大流率，并且在气体流率减小步骤中供应的气体的流率被设定为电池组运行所需要的反应气体的预定的最小流率。

在其它实施方式中，本发明提供了一种方法，其中假定气体流率增加/减小步骤或气体供应/关闭步骤是基本循环，该气体流率变化循环重复两个或三个基本循环，并且对于每一个基本循环，气体流率增加/减小步骤和气体供应/关闭步骤中的每一个持续大约5秒到大约60分钟。

在特定的实施方式中，本发明提供了一种方法，其中气体流率变化循环重复至少十个基本循环，并对于每一个基本循环，气体流率增加/减小步骤和气体供应/关闭步骤中的每一个持续大约5秒到大约60分钟。

在另一个实施方式中，本发明提供了一种方法，其中该气体是空气或惰性气体。

在再一个实施方式中，本发明提供了一种方法，其中气体流率变化循环通过在电池组的初步夹持步骤之后在电池组的活化过程中供应反应气体来执行，而电池组的主夹持步骤在电池组的活化过程之后进行。

在特定的实施方式中，本发明提供了一种方法，其中气体的相对湿度在大约20％到大约100％之间的范围，而气体的温度在大约0℃到大约95℃之间的范围。

在其它实施方式中，本发明提供了一种方法，其中电池组的主夹持步骤包括对具有气体扩散层的电池组施加与在该电池组的初步夹持步骤期间施加的压力相同的压力，并重新设定和固定紧固件以使该夹持压力得以维持，使得夹持压力为阴极和阳极流场以及冷却水流场提供气密性，气体扩散层的厚度已经在电池组的预处理步骤之后由压力工具降低以校正夹持压力的降低。

在各个实施方式中，本发明提供了一种方法，进一步包括：在电池组的主夹持步骤之后活化该电池组以完成该电池组的夹持和装配。

根据本发明的实施方式，夹持燃料电池组的方法在电池组的初步夹持和预处理过程之后执行校正夹持压力变化的过程，并因此可稳定地并最优地夹持该电池组而为任何问题，例如电池组在运行时气体扩散层厚度不可逆的改变、夹持压力下降、微小间隙产生、接触电阻增加等问题。

附图说明

本发明的上述和其它特征现在将参照由附图图示的其某些示例性的实施方式详细地进行说明，它们在下文中给出，仅仅用于说明，并不因此构成对本发明的限定。

附图1为示出夹持的燃料电池组的结构的透视图；

附图2A和2B为示出根据夹持压力变化的气体扩散层的基本物理特征的图，其中附图2A示出气体扩散层厚度的变化，而附图2B示出气体扩散层电阻的变化；

附图3为示出从电池组去除气体扩散层后该气体扩散层的截面图；

附图4A、4B和4C为示出发生在燃料电池组的气体扩散层的形状变形的图，其中附图4A示出燃料电池组在被夹持之前的状态，附图4B示出燃料电池组刚被夹持之后的状态，而附图4C示出该电池组中的夹持压力重复改变之后的状态；

附图5为示出根据本发明的第一和第二实施方式夹持电池组的方法的流程图；

附图6示出根据本发明的第三实施方式夹持电池组的方法的流程图；

附图7为示出根据经过气体扩散层的气体量的变化测量电池组的夹持压力变化的方法的图；

附图8为示出气体馈送流率的变化和电池组夹持压力的变化之间的关系的图，该图是在夹持压力保持不变的时候获得的；以及

附图9为示出气体扩散层的夹持压力变化循环和气体扩散层的厚度之间的关系的图。

具体实施方式

下面，本发明的示例性实施方式将参考附图进行描述。

如上面所述，几十个至几百个单元电池被一个一个的堆叠，并且端板连接在其端部上。然后，该端板由长螺栓(夹持棒)、卡箍或线夹持，以使均匀的压力施加于每一个电池的MEA的整个面积。

双极板、衬垫和MEA具有高弹性，并且它们的厚度随着夹持压力可逆地改变。然而，为了反应气体的平稳扩散和脱水的目的，气体扩散层主要由多孔碳载体制成。因此，气体扩散层的厚度根据夹持压力的变化经历不可逆的改变。

因此，如果夹持压力由于在电池组运行期间发生的振动而改变，而电池组的尺寸在电池组夹持后通过长螺栓、卡箍或线而保持不变，则气体扩散层的厚度进一步减小。因为气体扩散层的厚度不可逆的改变，所以气体扩散层并不恢复到它原始的厚度。结果，如附图4C所示，可能在气体扩散层和双极板之间产生微型间隙。因此，电池的元件之间的接触电阻可能增加，而表面压力可能不均匀地分布，从而降低了电池组的性能。

为了解决上面的问题，本发明的一个实施方式提供了一种夹持PEMFC电池组的方法，其依次地进行引起气体扩散层厚度变化且电池组被初步夹持的预处理过程、校正由发生在该预处理过程期间的气体扩散层厚度的改变而引起的夹持压力的改变的过程、以及主夹持过程。

根据本发明的实施方式，夹持燃料电池组的方法在电池组的初步夹持和预处理过程之后执行校正夹持压力的变化的过程，并因此可稳定地并最优地夹持该电池组而无任何问题，例如电池组在运行时气体扩散层厚度不可逆的改变、夹持压力下降、微小间隙产生、接触电阻增加等问题。

附图5为示出根据本发明的第一实施方式和第二实施方式的电池组夹持方法的流程图，而附图6为示出根据本发明的第三实施方式的电池组夹持方法的流程图。

第一实施方式包括附图5的步骤S11至S13、S15和S16，而第二实施方式包括步骤S11和S12、以及S14至S16。

附图7为示出根据经过气体扩散层的气体量的变化测量电池组的夹持压力的变化的图，附图8为示出气体馈送流率的变化和电池组夹持压力的变化之间的关系的图，该图在夹持压力保持不变的时候获得，而附图9为示出气体扩散层的夹持压力变化循环和气体扩散层的厚度之间的关系的图。

从附图8和9中示出的实验结果可看到，供应进入电池组中的反应气体的流率的增加/减小引起每个单元电池夹持压力的微小变化。夹持压力的这种变化改变了电池组中的气体扩散层的厚度。当夹持压力增加时，气体扩散层的厚度减小。

还能看到，气体扩散层厚度的改变依赖于夹持压力的改变，在几个循环(气体流率变化循环)期间的早期显现，并随后变得稳定而不导致厚度的任何改变(参见附图8和9)。

本发明的实施方式利用上面的原理。即，在电池组被完全夹持之前，首先执行预处理过程，其引起在几个循环的电池组夹持期间夹持压力和导致的气体扩散层厚度的变化，并随后，当厚度没有变化时，校正该电池组夹持压力变化和厚度变化，以至于在实际的电池组运行期间，下面的问题不会发生：气体扩散层不可逆的厚度变化、夹持压力的降低、微小间隙的产生，或接触电阻的增加。

根据一个实施方式，预处理过程可通过在电池组被初步夹持之后执行气体流率变化循环(第一实施方式-气体流率增加/减小步骤或气体供应/关闭步骤)和夹持压力变化循环(第二实施方式-使用用于夹持的压力工具增大和减小夹持压力)而获得。此处，在电池组的初步夹持之后的气体流率变化循环可在该电池组被夹持之后的通常的电池组活化过程中完成(第三实施方式-使用电池组活化过程中的气体流率的变化)。

下面，将更详细地描述本发明的实施方式。

根据第一实施方式，如附图5所示，端板被连接在具有堆叠的单元电池的电池组的两端(S11)。然后，预先设定的夹持压力通过使用用于夹持该电池组的压力工具经过该端板被施加于该电池组，并将紧固件设定和固定于该电池组以保持该夹持压力，从而使该电池组初步地夹持(S12)。

在这种情况下，电池组的初步夹持在夹持压力下进行，其可为阴极/阳极流场和冷却水流场提供气密性。此时，该紧固件被设定成使得电池组的尺寸不发生变化。根据一个实施方式，初步夹持过程、预处理过程、以及主夹持过程是生产电池组的过程的一部分。因此，现有的可控制加压力的工具，例如压力机，可用作紧固件而无任何变化。同样，公知的夹持装置，例如螺栓、卡箍、线等，可用作紧固件而无任何变化。

进一步，由于需要在电池组的流场中保持气密，用于初步夹持的夹持压力可为用于现有的电池组装配过程中的普通的夹持压力。

在初步夹持过程完成之后，作为气体扩散层的预处理过程的气体流率变化循环，通过增加/减小引入该电池组中的气体的流率或在预定的循环间歇地向该电池组供应气体(即通过重复地供应气体和关闭气体供应)来执行(S13)。

在这个过程中，气体被同时地供应进入电池组的阴极和阳极。由于在气体供应期间发生流率的重复变化，气体扩散层的厚度逐渐改变。然而，在预定的循环之后，尽管流率继续变化，不会发生厚度的进一步改变。这种状态被称为“稳定状态”。

在预处理过程重复地改变气体流率之后，气体扩散层的厚度轻微地减小，以使得该夹持压力与恰好在初步夹持过程之后且在预处理过程之前的夹持压力相比降低，并且在气体扩散层和双极板之间产生微小的间隙。

气体扩散层的厚度达到稳定的状态之后，在整个电池组上校正夹持压力的变化，以去除由于夹持压力的降低而产生的微小间隙，并且随后执行主夹持过程(S15)。其后，执行通常的电池组活化过程(S16)以完成电池组的夹持和装配。

特别地，电池组夹持压力被尽可能随着变化而调整。这样的调整可通过再次安装并对该电池组加压来执行，以在重复地改变供应气体的流率(即流率的增加/减小或气体的供应/关闭)的预处理过程之后，使该电池组经受与在初步夹持过程中使用的夹持压力相同的夹持压力。在这样的加压状况下，主夹持过程通过再次设定和固定紧固件来执行，以使该夹持压力和电池组的尺寸(其指电池组的两个端板之间的距离)可在整个电池组上为常数。

假定如附图1中所示的螺栓用在夹持压力的变化校正过程和主夹持过程中，当通过压力工具向电池组施加与在初步夹持过程中使用的夹持压力基本相同的夹持压力时，可轻微地固定螺母，以使该电池组的尺寸可完全保持不变。

在使用卡箍或线的情况下，卡箍或线的张力可被精确地调整，以使得当通过压力工具向电池组施加与在初步夹持过程中使用的夹持压力基本相同的夹持压力时，该电池组的尺寸可完全保持不变。

一旦校正夹持压力的变化，多余的压力可能引起气体扩散层中额外的厚度减小。因此，在初步夹持过程中的夹持压力可以被设定为与在主夹持过程中的夹持压力相同，该主夹持过程的夹持压力与电池组运行过程中的夹持压力相同。进一步，在预处理过程之后，在校正和主夹持过程中的加压状态(夹持压力状态)可被设定为与在初步夹持过程中的加压状态相同。

气体流率变化循环中所使用的气体可包括空气或惰性气体，例如氮气。进一步，气体的湿度和温度可分别地在20-100％和0-95℃的范围内。在气体的相对湿度低于20％的情况下，膜电极组件(“MEA”)过度地干燥并因此可能破碎或变形。在气体的相对湿度超过100％的情况下，可能需要超过必需能量的更多的能量来维持在流率变化循环期间的湿度，并且由于电池组中的溢流而难以对水进行管理。进一步，在气体的温度低于0℃的情况下，由于湿度的原因，电池组的内部部分可能冻结。在气体的温度超过95℃的情况下，MEA可能由于升高的温度而被损坏，并且能量的消耗可能会不必要地增加。

在气体流率变化循环期间所供应的气体的流率并没有限制。例如，在气体流率增加步骤或气体供应步骤期间所供应的气体的流率可为预先设定的反应气体的最大流率，其在待夹持的电池组正常运行时是需要的。

进一步，在气体流率减小步骤期间所供应的气体的流率可为预先设定的反应气体的最小流率，其在电池组正常运行时是需要的。

对于循环的数量并没有特别的限定。例如，考虑到制造过程的效率，可重复两个或三个循环直到气体扩散层具有稳定的厚度。根据一个实施方式，考虑到气体扩散层根据制造商而具有不同的物理特性，可重复至少十个循环。进一步，气体流率增加/减小步骤和气体供应/关闭步骤中的每一个可维持5秒到60分钟。

执行两个或三个循环的原因是气体扩散层的厚度可通过这样做而达到稳定，如从附图9中所示出的实验结果看出来。

然而，太多循环的重复可能延迟电池组的制造过程并增加气体的消耗，从而导致生产率和经济性的降低。

进一步，市售的气体扩散层根据其材料可能具有不同的物理特性。考虑到这个原因，可重复至少十个或更多个循环，直到气体扩散层稳定为止。通过这样做，气体扩散层的厚度可被充分地稳定。进一步，当循环重复次数的数量增加时，可获得更稳定的厚度。

在气体流率增加/减小步骤和气体供应/关闭步骤的每一个被执行低于5秒的情况下，由于压力的增加/减小而产生的气体扩散层中厚度的变化可能未充分地发生。进一步，在上面的步骤的每一个持续超过60秒的情况下，用于预处理过程所需的时间和运行花费会不必要地增加。

根据本发明的实施方式，当电池组被初步夹持时，气体扩散层经受预处理过程。在预处理过程期间由气体扩散层厚度的变化引起的夹持压力的变化在主夹持过程执行之前被校正。因此，厚度不可逆的变化、夹持压力的降低、以及微小间隙的产生可被最小化，并且在双极板与气体扩散层之间以及在MEA与气体扩散层之间的接触电阻可被最小化。进一步，因为在电池组中的表面压力可均匀地分布，电池组的性能与通过现有的夹持方法获得的电池组的性能相比得到改善。

在电池组中执行流率变化循环以诱导包括在该电池组中的元件之间的夹持压力的变化和气体扩散层厚度的变化，其可能是由于在预处理过程中流率的变化而产生的。因此，可执行任何直接地增加或减小夹持压力的循环，而不是流率变化的循环，以引起夹持压力的变化和气体扩散层厚度的变化。

在第二个实施方式中，如同在第一实施方式中，初步夹持过程在执行堆叠(S11)之后发生(S12)。然而，在预处理循环中，气体流率变化循环被夹持压力变化循环(S14)代替。

在夹持压力变化循环期间，使用压力工具以预定的压力压紧电池组的过程被重复预先设定的次数，从而将微小压力通过双极板进一步施加于气体扩散层，并随后释放压力。

在第一循环中，预先设定的压力被施加于电池组以引起该电池组夹持压力的改变，然后释放压力。此后，压力工具运行从而对于每一个循环重复相同压力的加压和压力释放。

在上面的过程中，压力工具施压于两个端板以改变夹持压力。当端板被加压和释放压力时，气体扩散层通过每一个双极板被加压和释放压力，从而改变气体扩散层的厚度。

通过相同压力重复的加压和释压，气体扩散层的厚度从接触双极板的边缘部分的部分逐渐减小，在预定数量的循环之后，该电池组进入稳定状态而无进一步的厚度变化，如可通过以预定的次数改变流率而获得的那样。

在夹持压力变化循环期间，循环的数目如在第一实施方式中的那样可以是两个或三个。考虑到气体扩散层具有不同的物理特性(依赖于制造商)，可重复至少10个或更多的循环。进一步，气体流率增加/减小步骤和气体供应/关闭步骤中的每一个所需维持的时间可为5秒到60分钟。

在通过额外地施加或释放压力来重复地增加和减小夹持压力的预处理过程之后，气体扩散层的厚度减小到一定程度，使得在压力被释放时所测量的夹持压力变得低于刚好在初步夹持过程之后且在预处理过程之前所测量的压力，且在气体扩散层和双极板之间没有产生间隙。

当气体扩散层的厚度稳定时，夹持压力的变化经受整个电池组上的校正，以去除在夹持压力降低时可能发生的微小间隙。然后，顺次进行主夹持过程(S15)和电池组活化过程(S16)，从而完成电池组的夹持和装配。

夹持压力变化的校正可以与第一实施方式中相同的方式进行。

通过上面的方法，通过气体流率变化循环或夹持压力变化循环额外地使气体扩散层变形以在电池组经历主夹持过程之前稳定气体扩散层的厚度，可能发生在电池组运行早期的气体扩散层厚度的变化，如附图8和9所示，可被最小化。因此，能够解决由于在电池组运行期间气体扩散层厚度的变化可能引起的各种问题。

通常，电池组的主夹持过程完成之后，将空气(氧气)/氢气注入电池组中以活化电池组的性能。这样的电池组活化过程通常包括通过供应反应气体产生电能的过程。

因此，如果电池组活化过程以所需的最大/最小流率执行电池组的运行，那么上面的预处理过程是可选择的。

特别地，如在附图6中所示，在堆叠电池组以及连接端板(S21)后，电池组被初步夹持(S22)。然后，首先执行电池组活化过程(S23)。当气体扩散层的厚度稳定时，夹持压力的变化可在整个电池组上校正，且随后可执行电池组的主夹持过程(S24)。

类似于根据第一实施方式的气体流率变化循环，第三实施方式可包括增加或减少供应进入电池组中以活化该电池组的反应气体的流率的过程，反应气体是例如氢气和氧气(空气)。

此时，在反应气体被供应进入电池组之前，反应气体可被改变成具有在电池组运行期间所需的最大流率或最小流率，且这样的过程可重复多个循环。

如果增加和减少供应的反应气体的流率的过程在活化过程期间重复，则气体扩散层如在第一实施方式中那样不经历进一步的厚度变化，其被称作“稳定状态”。

在稳定状态下，在气体扩散层和双极板之间产生微小间隙，并且与电池组刚被初步夹持之后相比，电池组的夹持压力降低。

在主夹持过程之前，夹持压力的变化在整个电池组上被校正以去除在夹持压力降低时产生的微小间隙。校正和主夹持过程以与第一实施方式相同的方式执行。

现有的气体扩散层以如附图7中所示的方式评定，以在经过气体扩散层的反应气体的流率的变化与根据该反应气体流率的变化的夹持压力的变化之间建立关系，并且对实际的夹持电池组的过程应用该建立的关系。

由于燃料电池组需要保持阴极/阳极和冷却水流场的气密性，夹持电池组的过程在超过预定压力下执行，该预定压力保证电池组在制造中的气密性。一般地，例如夹持卡箍或夹持棒(长螺栓)的紧固件用于电池组夹持。在这种情况下，在电池组夹持完成之后，厚度偏移(电池组尺寸)维持不变。

气体扩散层是电池组的组件，其由多孔碳载体制成。气体扩散层的厚度取决于夹持压力而改变。气体扩散层的厚度基于在电池组夹持刚完成后测量的夹持压力而确定。

进一步，燃料电池组被供应可变地取决于电池组所需的电能的空气(氧气)和氢气。当供应进入电池组中的反应气体增加/减少时，电池组的夹持压力轻微地改变。

然而，直接测量在电池组内部的微小的压力变化是不容易的。因此，在附图7中所示的装置用来测量该微小压力的变化。

当气体扩散层2通过压力工具3加压时，紧固件(例如，负载电池1)位置的偏移保持不变以保持气体扩散层2的厚度恒定。

之后，当经过气体扩散层的气体流率改变时，测量夹持压力，并且其结果在附图8中显示。

从上面的实验可看到，当经过具有恒定厚度偏移的气体扩散层的气体流率增加时，施加于负载电池上的夹持压力相应地增加。可预见在实际的电池组内部也是如此。

由于实际引入电池组中的反应气体以基于化学计量比大约为1.5-3.0的量级而供应，供应到阴极的流率不同到供应于阳极的流率，并且由于在电池组运行期间发生的气体流率的变化而导致的夹持压力的变化对于每个阴极和阳极都不同。

如上所述，由在电池组中反应气体流率变化导致的电池组夹持压力变化引起气体扩散层额外的厚度变形。在预定的压力下，通过夹持压力在预定的压力下重复对初步夹持的气体扩散层加压的循环可导致在气体扩散层中额外的厚度变化，该夹持压力可能通过气体流率变化和释放压力而产生。

这种现象在早期的3至5个循环期间变得明显，并且之后，气体扩散层的厚度稳定。

从上面的实验可看出，在电池组夹持完成之后，气体扩散层厚度的进一步变形可能导致在双极板和气体扩散层之间以及在MEA和气体扩散层之间的接触电阻的增加，这是降低电池组性能的主要原因。为了避免该问题，对初步夹持的燃料电池组重复几次系统所需的反应气体的预定的最大/最小流率循环，以稳定气体扩散层厚度。然后，电池组中整个厚度的变化被校正，从而完成电池组的夹持。

尽管本发明结合示例性的实施方式进行描述，但应理解本说明书并非有意将本发明限定在那些示例性的实施方式。相反地，本发明不仅要涵盖示例性的实施方式，而且要涵盖各种变形、修改、等价方式和其它实施方式，它们可包括在如所附的权利要求所限定的本发明的精神和范围之内。

Claims (10)

1.一种夹持燃料电池组的方法，包括：

对所述电池组设置和固定紧固件，使得在所述电池组的初步夹持步骤中通过压力工具施加于所述电池组的夹持压力得到维持，以使所述夹持压力为阴极/阳极流场和冷却水流场提供气密性，其中所述电池组包括彼此堆叠的多个单元电池和连接在堆叠的单元电池的端板；

通过气体流率变化循环执行电池组的预处理步骤以逐渐改变气体扩散层的厚度，其中所述气体流率变化循环重复地改变同时供应到包括在初步夹持过程中夹持的电池组中的阳极和阴极的气体的流率，并且执行所述电池组的预处理步骤直到尽管流率继续变化，不会发生所述气体扩散层的厚度的进一步改变；以及

校正由所述气体扩散层的厚度的变化引起的夹持压力的变化，以在所述电池组的预处理步骤之后在电池组的主夹持步骤期间主夹持所述电池组。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，

所述气体流率变化循环执行供应到包括在初步夹持的电池组中的阳极和阴极的气体的流率增加/减小步骤、或气体供应/关闭步骤，以重复地引起流率的变化。

3.根据权利要求2所述的方法，其中，

在所述气体流率变化循环中，在所述气体流率增加步骤中供应的气体的流率或在所述气体供应步骤中供应的气体的流率被设定为电池组运行所需的反应气体的预定的最大流率，而在所述气体流率减小步骤中供应的气体的流率被设定为电池组运行所需的反应气体的预定的最小流率。

4.根据权利要求2所述的方法，其中，

所述气体流率变化循环重复两个或三个基本循环，并且对于每一个基本循环，所述气体流率增加/减小步骤和所述气体供应/关闭步骤中的每一步持续5秒至60分钟。

5.根据权利要求2所述的方法，其中，

所述气体流率变化循环重复至少十个基本循环，并且对于每一个基本循环，所述气体流率增加/减小步骤和所述气体供应/关闭步骤中的每一步持续5秒至60分钟。

6.根据权利要求1所述的方法，其中

所述气体是空气或惰性气体。

7.根据权利要求1所述的方法，其中，

所述气体流率变化循环通过在电池组初步夹持步骤之后在电池组的活化处理中供应反应气体来执行，且所述电池组的主夹持步骤在所述电池组的活化处理之后执行。

8.根据权利要求1、2、6和7中任何一项所述的方法，其中，

所述气体的相对湿度在20％到100％之间的范围，并且所述气体的温度在0℃到95℃之间的范围。

9.根据权利要求1所述的方法，其中，

所述电池组的主夹持步骤包括：将与在所述电池组的初步夹持步骤期间施加的压力相同的压力施加到具有气体扩散层的所述电池组上，在所述电池组的预处理步骤之后所述气体扩散层的厚度已通过所述压力工具减小以校正夹持压力的减小；并重新设定和固定所述紧固件以使所述夹持压力得到维持，使得所述夹持压力为阴极和阳极流场以及冷却水流场提供气密性。

10.根据权利要求1所述的方法，还包括：

在所述电池组的主夹持步骤之后活化所述电池组以完成所述电池组的夹持和装配。