CN103620848B - 燃料电池和用于生产燃料电池的方法 - Google Patents

Abstract

一种燃料电池包括：在其中堆叠有多个单元电池（105）的电池堆叠体（100）、容纳电池堆叠体（100）的外壳（300），和在电池堆叠体（100）在堆叠方向上的端部和外壳（300）之间的位置处被放置在外壳（300）中的压力板（200）。外壳（300）具有第一开口（322）和固定部分（321、500），从外壳（300）外侧在堆叠方向上挤压压力板（200）的挤压构件穿过第一开口（322）与压力板（200）接触，在电池堆叠体（100）在堆叠方向上被压缩的状态下将压力板（200）固定到位。

Description

燃料电池和用于生产燃料电池的方法

技术领域

本发明涉及一种燃料电池和一种用于生产燃料电池的方法。

背景技术

通常，已知一种燃料电池，在该燃料电池中，其中堆叠多个电池的电池堆叠体被容纳在盒形外壳中。在很多情形中，电池堆叠体在堆叠方向上压缩保持在外壳中。通常，每一个电池包括其中一对电极位于电解质的两侧上的膜电极组件，和位于膜电极组件的两侧上的一对分离器。

作为一种用于调节被施加到在燃料电池的外壳中容纳的电池堆叠体的、在堆叠方向上的压缩负荷的方法，日本专利申请公布No.2002-358985（JP2002-358985A）公开了一种用于通过从外壳的外侧旋转螺栓以调节螺栓的轴向力而调节电池堆叠体上的压缩负荷的方法。日本专利申请公布No.2005-524214（JP2005-524214A）公开了一种用于通过在外壳和电池堆叠体之间插入垫板（间隔板）而调节压缩负荷的方法。

然而，在用于通过调节螺栓的轴向力而调节压缩负荷的方法的情形中，电池堆叠体被来自螺栓的应力压缩，并且应力可能未被均匀地施加到电池堆叠体的整个表面。另外，当螺栓被拧入时可能形成碎屑。在另一方面，在用于通过插入垫板而调节压缩负荷的方法的情形中，垫板的重量增加了燃料电池的重量，并且难以通过改变垫板的厚度或者数目而精细地调节压缩负荷。如上所述，用于调节容纳在燃料电池中的外壳中的电池堆叠体上的压缩负荷的方法仍然存在改进的空间。

发明内容

本发明提供一种有助于燃料电池生产的技术，在该燃料电池中，电池堆叠体在堆叠方向上压缩保持在外壳中。

根据本发明的第一方面的燃料电池包括：电池堆叠体，在该电池堆叠体中堆叠了多个单元电池；外壳，该外壳容纳电池堆叠体；以及压力板，该压力板放置在外壳中，在电池堆叠体在堆叠方向上的端部和外壳之间的位置处，并且外壳具有第一开口和固定部分，从外壳外侧在堆叠方向上挤压压力板的挤压构件穿过第一开口与压力板接触，在电池堆叠体在堆叠方向上被压缩的状态下固定部分将压力板固定到位。

利用这种配置，能够穿过第一开口从外壳外侧在堆叠方向上挤压压力板，并且利用固定部分压力板能够被固定到位并且保持在堆叠方向压缩。因此，能够容易地生产其中电池堆叠体在堆叠方向压缩保持在外壳中的燃料电池。

在根据以上方面的燃料电池中，第一开口可以在堆叠方向上面对压力板。

利用这种配置，因为第一开口在堆叠方向上面对压力板，所以能够容易地从外壳外侧在堆叠方向上挤压压力板。

在根据以上方面的燃料电池中，固定部分可以包括设置在外壳中以在堆叠方向上面对压力板的阴螺纹部分，和具有被连接到阴螺纹部分的近端和与压力板接触的远端的螺栓构件。

利用这种配置，能够容易地抵抗来自压缩的电池堆叠体的应力限制压力板移动。

根据本发明的第二方面的燃料电池包括：电池堆叠体，在该电池堆叠体中堆叠多个单元电池；外壳，该外壳容纳电池堆叠体；以及压力板，该压力板放置在外壳中，在电池堆叠体在堆叠方向上的端部和外壳之间的位置，并且外壳至少具有在堆叠方向上面对压力板的、带有不同的开口面积的第一开口和第二开口。

利用这种配置，能够穿过一个类型的开口从外壳外侧在堆叠方向上挤压压力板，并且能够穿过另一个类型的开口将压力板固定到位并且保持在堆叠方向上压缩。因此，能够容易地生产其中电池堆叠体在堆叠方向上压缩保持在外壳中的燃料电池。

在根据以上方面的燃料电池中，具有比第二开口更大的开口面积的第一开口的数目是一个到三个。

利用这种配置，能够容易地穿过一个或多个第一开口从外壳外侧在堆叠方向上利用挤压构件挤压压力板。

在根据以上方面的燃料电池中，第一开口的数目可以是两个或者三个，并且第一开口可以被定位为使得当从堆叠方向看时，电池堆叠体的重心（单元电池的重心）位于两个第一开口之间或者在被三个第一开口包围的区域中。

利用这种配置，当利用两个或者三个挤压构件穿过第一开口从外壳外侧在堆叠方向上挤压压力板时，被挤压构件施加到压力板的作用力的合力能够被施加在靠近电池堆叠体的重心（单元电池的重心）的点。因此，能够容易地在堆叠方向上挤压压力板。

在根据以上方面的燃料电池中，第一开口的数目可以是一个，并且当堆叠方向上看时，第一开口可以位于与电池堆叠体的重心（单元电池的重心）相对的位置处。

利用这种配置，当利用挤压构件穿过第一开口从外壳外侧在堆叠方向上挤压压力板时，能够在靠近电池堆叠体的重心（单元电池的重心）的点挤压压力板。因此，能够容易地在堆叠方向上挤压压力板。

在根据以上方面的燃料电池中，第一开口可以用于使得用于从外壳外侧在堆叠方向上挤压压力板的挤压构件与压力板接触。

在根据以上方面的燃料电池中，具有比第一开口更小的开口面积的第二开口可以在第二开口的内周边中具有螺纹沟槽。

利用这种配置，能够通过将螺栓构件附接到阴螺纹部分而容易地将压力板固定到位。

根据本发明的第三方面的、用于生产燃料电池的方法包括：制备在其中堆叠多个单元电池的电池堆叠体和用于容纳电池堆叠体的外壳；在外壳中放置电池堆叠体使得电池堆叠体在堆叠方向上的端部经由压力板面对外壳，通过利用挤压构件从外壳外侧挤压压力板而在堆叠方向上压缩在外壳中的电池堆叠体；以及在电池堆叠体被挤压构件压缩的状态下将压力板固定到位。

利用这种配置，在电池堆叠体被从外壳外侧压缩之后，压力板被固定到位。因此，能够容易地生产其中电池堆叠体在堆叠方向上压缩保持在外壳中的燃料电池。

在根据以上方面的生产方法中，外壳可以具有穿过外壳的侧壁的、至少两个类型的开口，电池堆叠体可以被放置在外壳中使得电池堆叠体在堆叠方向上的端部经由压力板面对侧壁，可以通过使用挤压构件穿过侧壁的第一开口从外壳外侧在堆叠方向上挤压压力板而压缩电池堆叠体，并且可以通过在压力板和侧壁的第二开口之间附接螺栓构件而固定压力板。

利用这种配置，在穿过第一开口从外壳外侧压缩电池堆叠体时，通过在压力板和第二开口之间附接螺栓构件，压力板被固定到位。因此，能够容易地生产其中电池堆叠体在堆叠方向上压缩保持在外壳中的燃料电池。

在根据以上方面的生产方法中，当通过挤压挤压构件而施加到电池堆叠体的压缩负荷达到预定值时，可以通过附接螺栓构件来固定压力板，并且可以在螺栓构件被附接之后释放挤压构件的挤压力。

利用这种配置，因为在螺栓构件被附接以固定压力板之后释放了挤压构件的挤压力，所以能够容易地附接螺栓构件。

在根据以上方面的生产方法中，可以使用检测挤压构件的挤压力的外部装置来检测当压力板被固定时被施加到电池堆叠体的压缩负荷。

利用这种配置，因为燃料电池不必设置有检测燃料电池上的压缩负荷的检测部分，所以能够在结构上简化燃料电池。

应该指出，本发明可以以各种方式来实现。例如，可以以燃料电池生产设备、配备有燃料电池的车辆、用于附接用于压缩电池堆叠体的螺栓构件的方法，以及在其中存储使得系统执行这些方法的控制程序的存储介质的形式实现本发明。

附图简要说明

将在下面参考附图描述本发明的示例性实施例的特征、优点以及技术和工业意义，在附图中相同的数字表示相同的元件，并且其中：

图1是用于解释本发明的第一实施例的燃料电池的总体配置的解释性图；

图2A和图2B是用于解释根据第一实施例的壳体的总体配置的解释性图；

图3是用于解释根据第一实施例的单元电池的总体配置的解释性图；

图4是用于解释根据第一实施例的壳体的螺栓开口、挤压开口和轴开口的位置的解释性图；

图5是用于解释用于生产根据第一实施例的燃料电池的方法的过程的解释性图；

图6是示出根据第一实施例在生产设备上设定壳体的方式的解释性图；

图7是示出根据第一实施例在壳体中容纳单元电池的方式的解释性图；

图8是示出根据第一实施例将板构件固定到前壁的方式的解释性图；

图9A和图9B是用于解释根据第一实施例将轴构件附接到初级组件的方式的解释性图；

图10A到图10C是用于解释根据第一实施例调节在电池堆叠体上的压缩负荷的方式的解释性图；

图11A和图11B是用于解释根据第一实施例将盖构件附接到初级组件的方式的解释性图；

图12是用于解释本发明的第二实施例的壳体的挤压开口的位置的解释性图；

图13是用于解释本发明的第三实施例的壳体的挤压开口的位置的解释性图；

图14是用于解释本发明的以上实施例的第一修改的壳体的挤压开口的位置的解释性图；

图15A到图15C是用于解释本发明的以上实施例的第二修改的壳体的挤压开口的位置的解释性图；并且

图16A和图16B是用于解释本发明的以上实施例的第三修改的燃料电池的固定部分的解释性图。

具体实施方式

图1是用于解释第一实施例的燃料电池的总体配置的解释性图。图1示出燃料电池10的截面配置。燃料电池10是向其供应有氢气和氧气以产生电力的固体聚合物燃料电池。燃料电池10被安装在诸如车辆的可移动体上，并且被用作可移动体的动力源。燃料电池10可以被用作固定电源。燃料电池10包括电池堆叠体100、一对端子板203a和203b、一对绝缘体板202a和202b、堆叠歧管201、压力板200、外壳300，和多个负荷调节螺栓500。

多个单元电池105在电池堆叠体100中堆叠。在以后结合图3描述单元电池105的形状和配置。在以下说明中，沿着电池堆叠体100的堆叠方向的方向被称作“x方向”、垂直于x方向并且沿着单元电池105的纵向方向的方向被称作“y方向”，并且垂直于x方向和y方向的方向被称作“z方向”。端子板203a和203b作为电极板位于电池堆叠体100的两侧上，并且绝缘体板202a和202b位于端子板203a和203b的两侧上。堆叠歧管201位于绝缘体板202b外侧以在外壳300的外侧和电池堆叠体100之间形成用于反应气体（燃料气体、氧化剂气体等）和冷却介质的流动路径。用于挤压电池堆叠体100的压力板200位于绝缘体板202a和外壳300之间。

外壳300包括全部由诸如钢的金属制成的壳体305、板构件410、盖构件420，和轴构件430。在外壳300中，电池堆叠体100保持在堆叠方向（x方向）上压缩。

图2A和图2B是用于解释壳体的总体配置的解释性图。图2A是图1所示壳体305的透视图。在图2A中壳体在竖直方向（z方向）上颠倒。图2B是示出壳体305的后侧（图1中的右侧）的透视图。壳体305具有基本矩形盒形外部构形，并且包括前壁310、后壁320、顶壁330、底壁340、右侧壁350，和左侧壁360。壳体305的内表面涂覆有绝缘材料（未示出）（诸如树脂）。

前壁310基本垂直于顶壁330、底壁340、右侧壁350，和左侧壁360。前壁310包括以凸缘状的方式朝向顶壁330和底壁340延伸的边缘310f，并且在它的中心处具有前开口311。后壁320形成在与前壁310相对的位置处，并且基本垂直于顶壁330、底壁340、右侧壁350，和左侧壁360。

后壁320具有螺栓开口321、挤压开口322，和轴开口323。螺栓开口321是带有螺纹沟槽的负荷调节螺栓500（图1）插入穿过的螺栓孔（通孔），并且在其内表面中具有能够与每一个负荷调节螺栓500的螺纹沟槽接合的螺纹沟槽。挤压开口322是在以后描述（参考图10A到图10C）的挤压构件120插入穿过的通孔，并且在该实施例中具有带有比螺栓开口321更大的开口面积的圆形外部构形。轴开口323是轴构件430（图1）插入穿过的通孔。在以后结合图4详细描述螺栓开口321、挤压开口322和轴开口323的位置和数目。

顶壁330和底壁340在彼此相对的位置处形成，并且基本垂直于右侧壁350和左侧壁360。底壁340具有占据几乎其整个中心部分的底部开口341。右侧壁350和左侧壁360在彼此相对的位置处形成，并且在它们的周边处连接到前壁310、后壁320、顶壁330和底壁340的周边。在该实施例中，前壁310和后壁320被形成为它们的法线方向沿着x方向延伸，并且顶壁330、底壁340、右侧壁350和左侧壁360形成为平行于x方向。监测电池堆叠体100的电池电压的监测电路550在壳体305中沿着右侧壁350定位。

如在图1中所示，具有基本矩形形状的板构件410被螺钉411附接到前壁310，并且前开口311被板构件410关闭。辅助部件450被附接到板构件410。辅助部件450的示例包括通过其从外部源将反应气体供应到歧管中的管道452和454和用于传递燃料气体（氢）的泵453。具有基本矩形形状的盖构件420被螺钉421附接到底壁340，并且底部开口341被盖构件420关闭。

轴构件430是例如由金属制成的杆状构件，并且穿过外壳300在x方向上延伸。每一个轴构件430具有被螺母431固定到板构件410的一端和穿过对应的轴开口323延伸并且被固定到后壁320的另一端。

负荷调节螺栓500是例如由金属制成的杆状构件，并且具有螺纹沟槽。每一个负荷调节螺栓500具有固定地拧入后壁320的对应的螺栓开口321中的近端和与压力板200接触的远端。能够通过旋转负荷调节螺栓500来调节从后壁320到负荷调节螺栓500与压力板200接触的位置的长度。

压力板200具有与单元电池105相同的平板状外部构形，并且位于壳体305的后壁320和电池堆叠体100之间。压力板200优选地具有比端子板203a和203b以及绝缘体板202a和202b大得多的厚度，并且能够将挤压力从外侧均匀地传送到电池堆叠体100的整个表面。压力板200在从电池堆叠体100朝向后壁320的方向上被挤压，但是通过负荷调节螺栓500限制其移动。压力板200、堆叠歧管201和板构件410可以被用作包括电池堆叠体100的燃料电池堆叠体的构成部分（诸如端板）。

电池堆叠体100在外壳300中在压力板200和板构件410之间经受规定的负荷。换言之，这个实施例的电池堆叠体100在外壳300中保持在x方向上的压缩。

图3是用于解释单元电池的总体配置的解释性图。单元电池105包括密封集成膜电极组件150，和被定位成从两侧夹紧密封集成膜电极组件150的一对分离器160和180（在下文中可以分别地被称作“第一分离器160”和“第二分离器180”）。密封集成膜电极组件150包括膜电极组件151和沿着膜电极组件151的周边形成的密封垫158。膜电极组件151包括固体聚合物电解质薄膜152、位于固体聚合物电解质薄膜152的两侧上的阳极153和阴极154，和位于阳极153和阴极154的外侧的一对气体扩散层157。

固体聚合物电解质薄膜152由氟基树脂材料或者碳氢化合物基树脂材料形成，并且当处于湿润状态中时具有良好的质子传导性。阳极153和阴极154的每一个包括在其上沉积了促进电化学反应的催化剂金属（诸如铂）的碳颗粒（催化剂沉积载体）和具有质子传导性的聚合物电解质（诸如氟基树脂）。气体扩散层157由诸如碳纸的气体可渗透传导材料形成。沿着膜电极组件151的周边，通过合成树脂等的注塑成型形成密封垫158。第一分离器160和第二分离器180具有板状外部构形，并且由气体不可渗透传导材料，诸如通过压缩碳以向其提供气体非渗透性而制备的高密度碳、焙烧碳或者诸如不锈钢的金属材料，来形成。

密封集成膜电极组件150以及分离器160和180在它们的周边具有通孔，从而当单元电池105被堆叠时能够形成反应气体（燃料气体和氧化剂气体）和冷却介质（诸如水）通过其在堆叠方向（x方向）上流动的歧管M1到M6。具体地，从外部源供应的氧化剂气体（阴极原料气）通过歧管M1流动，并且已经穿过膜电极组件151且包含氧化剂气体（阴极废气）的气体通过歧管M2流动。从外部源供应的燃料气体（阳极原料气）通过歧管M3流动，并且已经穿过膜电极组件151且包含燃料气体（阳极废气）的气体通过歧管M4流动。从外部源供应的冷却介质通过歧管M5流动，并且已经被用于冷却的冷却介质通过歧管M6流动。

第一分离器160的两个主面之中面对膜电极组件151的一个具有燃料气体（阳极原料气）从歧管M3流动到其中的流动路径沟槽（未示出）。第一分离器160的另一个主面具有冷却介质从歧管M5流动到其中的流动路径沟槽161。第二分离器180的两个主面之中面对膜电极组件151的一个具有氧化剂气体（阴极原料气）从歧管M1流动到其中的流动路径沟槽181。第二分离器180的另一个主面具有冷却介质从歧管M5流动到其中的流动路径沟槽（未示出）。

密封集成膜电极组件150与分离器160和180具有平坦矩形板状构形，在它们的角部处分别有缺口155、165和185。在密封集成膜电极组件150与分离器160和180在它们的纵向方向（y方向）上延伸的周边中，当它们被容纳在外壳300中时面对底壁340的周边分别在其中心附近具有缺口156、166和186。

图4是用于解释壳体的螺栓开口321、挤压开口322和轴开口323的位置的解释性图。图4示出当在x方向上看时燃料电池10的后壁320。在图4中，电池堆叠体100和监测电路550的位置由虚线指示。因为当在x方向上看时，电池堆叠体100和压力板200具有基本相同的形状，所以图4中的虚线也指示压力板200的位置。

壳体305的后壁320具有八个螺栓开口321、两个挤压开口322，和三个轴开口323。当在x方向上看时，八个螺栓开口321形成在与电池堆叠体100的周边相对的位置处。这防止电池堆叠体100的周边被来自保持在堆叠方向（x方向）上压缩的电池堆叠体100的反作用力弯曲，因为当负荷调节螺栓500被插入螺栓开口321中时，负荷调节螺栓500挤压电池堆叠体100的周边。另外，螺栓开口321被定位成包围挤压开口322。这使得即便当压力板200被穿过挤压开口322的挤压构件120挤压时围绕压力板200被挤压构件120挤压的位置的压力板200的表面的一部分弯曲，从螺栓开口321到压力板200的表面的距离也能够是基本相等的。结果，在负荷调节螺栓500被附接到螺栓开口321之后，来自处于压缩状态中的电池堆叠体100的反作用力被同等地分布到负荷调节螺栓500。

当在x方向上看时，两个挤压开口322位于电池堆叠体100的重心GC的两侧上。换言之，两个挤压开口322被定位为使得当在x方向上看时，电池堆叠体100的重心GC位于两个挤压开口322之间。这使得当压力板200被穿过挤压开口322的挤压构件120挤压时，被施加到压力板200的挤压力的合力能够作用于靠近电池堆叠体100的重心GC的点。这防止由于在合力的施加点和重心GC之间的差异而产生力矩并且使得电池堆叠体100能够在堆叠方向（x方向）上笔直地被压缩。

在该实施例中，两个挤压开口322形成在距电池堆叠体100的重心GC相同的距离D处。这使得被施加到压力板200的挤压力的合力能够作用于更加靠近电池堆叠体100的重心GC的点。在该实施例中，挤压开口322具有允许穿过其插入圆柱状挤压构件120的圆形构形。因此，尽管距离D被示为从电池堆叠体100的重心GC到最靠近电池堆叠体100的重心GC的挤压开口322的边缘的距离，但是距离D可以被定义为从电池堆叠体100的重心GC到挤压开口322的中心的距离。

两个挤压开口322可以位于距电池堆叠体100的重心GC不同的距离处，只要当在x方向上看时，它们位于电池堆叠体100的重心GC的两侧上。这是因为即便当压力板200被多个挤压构件120挤压时合力的施加点不必非要与电池堆叠体100的重心GC精确地一致，电池堆叠体100也能够在堆叠方向上被笔直地压缩。挤压开口322可以在它们的内表面中具有螺纹沟槽。

三个轴开口323沿着被连接到底壁340的后壁320的周边对齐。当在x方向上看时，在两侧上的三个轴开口323中的两个形成在面对由密封集成膜电极组件150与分离器160和180的缺口155、165和185限定的沟槽的位置处。三个轴开口323中处于中心的一个形成在面对由密封集成膜电极组件150与分离器160和180的缺口156、166和186限定的沟槽的位置处。如上所述，三个轴开口323并不面对电池堆叠体100而是通过上述沟槽面对被附接到壳体305的相对侧的板构件410。因为三个轴开口323沿着被连接到底壁340的后壁320的周边对齐，所以在轴开口323和板构件410之间延伸的轴构件430能够从在堆叠方向上保持压缩的电池堆叠体100接收反作用力。这防止具有底部开口341的底壁340变形。

图5是用于解释用于生产燃料电池10的方法的过程的流程图。在生产燃料电池10时，监测电路550（参考图2A）已经附接到的壳体305被设定在生产设备600上（参考图6）（步骤S110）。

图6是用于解释在生产设备上设定壳体的方式的解释性图。作为用于生产燃料电池的设备的生产设备600包括平板状平台610、固定引导件620，和可移动引导件630。固定引导件620具有细长外部构形并且被固定在平台610上。可移动引导件630具有类似于固定引导件620的细长外部构形，并且能够在它的顶表面与固定引导件620的顶表面齐平的情况下水平地移动。壳体305被放置在生产设备600的平台610上。此时，壳体305被放置为使得固定引导件620和可移动引导件630位于壳体305中超出底部开口341。在生产设备600上设定壳体305之后，单元电池105被放置在壳体305中（图5中的步骤S120）。

图7是示出在壳体305中放置单元电池105的方式的解释性图。首先，在壳体305中的可移动引导件630的一部分穿过壳体305的前开口311被从壳体305抽出。压力板200、绝缘体板202a、端子板203a、多个单元电池105（电池堆叠体100）、端子板203b、绝缘体板202b，和堆叠歧管201按照这个次序被放置在已经部分地从壳体305抽出的可移动引导件630的顶表面上和固定引导件620的顶表面上。在这之后，使用加压机构460挤压辅助部件450已经附接到的板构件410，以在堆叠方向（x方向）上压缩电池堆叠体100。电池堆叠体100在壳体305中在堆叠方向（x方向）上压缩地置放。此时，板构件410受到挤压并且与前壁310接触。

图8是示出将板构件410固定到前壁310的方式的解释性图。板构件410被螺钉411固定以与前壁310接触（图5中的步骤S130）。结果，电池堆叠体100在堆叠方向上在规定的负荷下被保持在壳体305中。其中板构件410被附接到前壁310的、已经经历步骤S130的燃料电池组件在下文中可以被称作“初级组件11”。在步骤S130之后，初级组件11被从生产设备600移除。然后，轴构件430被附接到初级组件11（步骤S140）。

图9A和图9B是示出将轴构件430附接到初级组件11的方式的解释性图。如在图9A中所示，初级组件11被设定在安装装置650上。安装装置650是在其上放置初级组件11并且在它的顶表面上具有多个辊（未示出）的平台。初级组件11被放置在安装装置650上，使得电池堆叠体100接触安装装置650的顶表面。在这之后，轴构件430插入穿过初级组件11的轴开口323。在轴构件430被从后壁320插入到板构件410之后，相应的轴构件430的两端被螺母431固定到后壁320和板构件410，如在图9B中所示。在轴构件430被附接到初级组件11之后，在电池堆叠体100上在堆叠方向（x方向）上的压缩负荷得以调节（步骤S150）。

图10A到图10C是用于解释调节在电池堆叠体100上的压缩负荷的方式的解释性图。如在图10A中所示，穿过挤压开口322插入杆状挤压构件120以挤压压力板200。电池堆叠体100被压力板200的挤压力在堆叠方向（x方向）上压缩。换言之，能够通过调节被挤压构件120施加到压力板200的挤压力，来调节在堆叠方向上在电池堆叠体100上的压缩负荷。在该实施例中，挤压构件120被包括在加压单元700中，并且能够从加压单元700的驱动部710接收动力以向压力板200施加给定的负荷。加压单元700包括能够检测被挤压构件120施加到压力板200的负荷的负荷测量部720。换言之，加压单元700能够检测在堆叠方向（x方向）上在电池堆叠体100上的压缩负荷。因此，燃料电池自身不必具有检测在电池堆叠体100上的压缩负荷的检测部，从而使得燃料电池的重量和生产成本降低。

当在堆叠方向（x方向）上在电池堆叠体100上的压缩负荷达到预定值时，在维持压缩负荷的情况下，如在图10B中所示附接负荷调节螺栓500。压缩负荷例如可以是大致36.5kN。通过将负荷调节螺栓500拧入后壁320的八个螺栓开口321中来附接负荷调节螺栓500。此时的紧固扭矩例如可以是1到2.5Nm。优选地，以在5Nm±30%的范围中，换言之，在3.5到6.5Nm的范围中的紧固扭矩紧固负荷调节螺栓500。

这是因为紧固扭矩的下限优选至少3Nm，从而使得负荷调节螺栓500紧密地抵靠压力板200。在另一方面，紧固扭矩的上限优选足够低，使得压力板200几乎不被由紧固扭矩产生的、来自负荷调节螺栓500的轴向力移动。当在电池堆叠体100上在堆叠方向上的压缩负荷被加压单元700维持为36.5kN的情况下附接负荷调节螺栓500时，八个负荷调节螺栓500中每一个负荷调节螺栓500的轴向力优选地低于4.56（≈36.5/8）kN。在该实施例中，负荷调节螺栓500被设计成当紧固扭矩是6.5Nm或者更低时施加1.6kN或者更低的轴向力，以防止压力板200被紧固扭矩移动。

在八个负荷调节螺栓500被附接到初级组件11之后，如在图10C中所示，挤压构件120被从初级组件11移除。因为在挤压构件120被移除之后负荷调节螺栓500防止压力板200实质性地移动，所以电池堆叠体100被保持到位，并且在堆叠方向上的压缩负荷被压力板200和板构件410维持为规定值（例如36.5kN）。在负荷调节螺栓500被附接之后，在挤压构件120被移除之前，4Nm±30%的扭矩可以被施加到负荷调节螺栓500，以检查负荷调节螺栓500是否紧密地安置。在移除挤压构件120之后，盖构件420被附接到初级组件11（参考图11A和图11B）（步骤S160）。

图11A和图11B是示出将盖构件420附接到初级组件11的方式的解释性图。如在图11A中所示，盖构件420被螺钉421附接到底壁340以关闭底部开口341。这完成了燃料电池10的生产，如在图11B中所示。

这个实施例的挤压开口322对应于本发明的“第一开口”。这个实施例的螺栓开口321和负荷调节螺栓500对应于本发明的“固定部分”。这个实施例的螺栓开口321对应于本发明的“阴螺纹部分”或者“第二开口”。

根据在前面描述的这个实施例的燃料电池10，能够穿过挤压开口322从壳体305外侧在堆叠方向（x方向）上挤压压力板200，并且能够通过在压力板200在堆叠方向上被挤压的情况下将负荷调节螺栓500附接到螺栓开口321，而将压力板200固定到位。因此，能够容易地生产其中电池堆叠体100在堆叠方向上压缩保持在壳体305中的燃料电池10。

用于生产其中电池堆叠体在堆叠方向上压缩保持在壳体中的燃料电池的通常已知的方法是通过从外壳外侧利用螺栓构件挤压压力板而调节电池堆叠体上的压缩负荷。然而，在此情形中，因为抵抗来自在堆叠方向（x方向）上压缩的电池堆叠体的反作用力来拧紧螺栓构件，所以可能从螺栓孔形成碎屑。当在三个或者更多点处挤压电池堆叠体时，因为不能在一个或者多个点处充分挤压电池堆叠体，所以难以在靠近电池堆叠体100的重心GC的点处施加挤压力的合力。另外，因为难以从燃料电池10外侧检测压缩负荷，所以检测电池堆叠体上的压缩负荷的检测部必须被设置在燃料电池10中。这可能导致生产成本和重量增加。此外，因为使用的螺栓是在生产工艺期间选择的，所以在电池堆叠体被初步地压缩并且电池堆叠体的尺寸得到测量之后需要释放电池堆叠体的压缩的释放步骤。

作为对照，根据这个实施例的燃料电池10，因为在利用挤压构件120压缩电池堆叠体100之后附接负荷调节螺栓500，所以能够防止从螺栓开口321形成碎屑。另外，因为由挤压构件120在两点处挤压电池堆叠体100，所以挤压力的合力能够被施加到靠近电池堆叠体100的重心GC的点。而且，因为穿过挤压开口322从壳体305外侧挤压压力板200，所以能够利用诸如加压单元700的外部装置来检测在电池堆叠体100上的压缩负荷。此外，因为在利用挤压构件120压缩电池堆叠体100之后附接负荷调节螺栓500，所以无需释放步骤。这导致生产工艺更短。

用于调节在电池堆叠体上的压缩负荷的另一种传统上已知的方法是在外壳和电池堆叠体之间插入多个平板状垫板。然而，在此情形中，垫板的重量增加了燃料电池的重量，并且不易于通过改变垫板的厚度而精细地调节压缩负荷。作为对照，根据这个实施例的燃料电池10，因为使用负荷调节螺栓500限制压力板200移动，所以防止了燃料电池10的重量增加。另外，因为使用外部加压单元700压缩电池堆叠体100，所以能够容易地精细地调节压缩负荷。

图12是用于解释本发明的第二实施例的壳体305b的挤压开口322的位置的解释性图。图12对应于用于第一实施例的图4。第一实施例的燃料电池10具有有着两个挤压开口322的壳体305，而第二实施例的燃料电池10b具有有着三个挤压开口322的壳体305b。第二实施例的燃料电池10b在其它方面以与第一实施例的燃料电池10相同的方式构造，并且因此省略了它的说明。

当在x方向上看时，壳体305b的后壁320b的三个挤压开口322被定位成包围电池堆叠体100的重心GC。换言之，三个挤压开口322被定位为使得当在x方向上看时电池堆叠体100的重心GC处于被三个挤压开口322包围的区域A中。这使得当压力板200被挤压构件120穿过挤压开口322挤压时，被施加到压力板200的挤压力的合力能够作用于靠近电池堆叠体100的重心GC的点处。

在该实施例中，挤压开口322具有允许穿过其插入圆柱状挤压构件120的圆形构形。因此，区域A被定义为由连接挤压开口322的中心的线包围的区域。当在x方向上看时，区域A的重心与电池堆叠体100的重心GC一致。这种配置使得被施加到压力板200的挤压力的合力能够作用于更加靠近电池堆叠体100的重心GC的点处。区域A可以被定义为在通过连接三个挤压开口322的边缘而形成的区域中的最小区域。

根据上述这个实施例的燃料电池10b，因为能够利用三个挤压构件120在堆叠方向（x方向）上笔直地压缩电池堆叠体100，所以即使当壳体305b具有三个挤压开口322时，也能够容易地生产燃料电池10b。当利用四个挤压构件120压缩电池堆叠体100时，可能出现下述情况，即，挤压构件120中的三个挤压压力板200，但是另一个挤压构件120不能充分地挤压压力板200，并且当在x方向上看时，被施加到压力板200的挤压力的合力所施加到的点可能从电池堆叠体100的重心GC移位。因此，当使用多个挤压构件120挤压压力板200时，挤压构件120的数目优选地是三个或者更少。

图13是用于解释在本发明的第三实施例中的壳体305c的挤压开口322的位置的解释性图。图13对应于用于第一实施例的图4。第三实施例的燃料电池10c具有仅有一个挤压开口322的壳体305c。第三实施例的燃料电池10c在其它方面以与第一实施例的燃料电池10相同的方式构造，并且因此省略了它的说明。

当在x方向上看时，壳体305c的后壁320c的一个挤压开口322面对电池堆叠体100的重心GC。换言之，挤压开口322被定位为使得当在x方向上看时电池堆叠体100的重心GC位于该开口中。这使得当压力板200被挤压构件120穿过挤压开口322挤压时，由压力板200施加的挤压力能够作用于靠近电池堆叠体100的重心GC的点处。

根据上述这个实施例的燃料电池10c，因为能够利用挤压构件120在堆叠方向（x方向）上笔直地压缩电池堆叠体100，所以即使当壳体305c仅具有一个挤压开口322时，也能够容易地生产燃料电池10c。

应理解，本发明不限于以上实施例并且可以在不偏离其主旨的情况下以各种方式体现。例如，可以进行以下修改。

图14是被用于解释本发明的第一修改的壳体305d的挤压开口322的位置的解释性图。虽然在第一到第三实施例中挤压开口322被描述成具有圆形构形，但是挤压开口322可以具有除了圆形之外的任何形状，只要它们足够大以允许插入挤压构件120。例如，如在图14中所示，燃料电池10d可以具有足够大以允许插入多个挤压构件120的挤压开口322d。在另一方面，挤压开口322可以具有比螺栓开口321更小的尺寸，只要它们足够大以允许插入挤压构件120。

图15A到图15C是用于解释第二修改的壳体305e的挤压开口322e的位置的解释性图。虽然在第一到第三实施例中挤压开口322被描述成穿过壳体305的后壁320而形成，但是挤压开口322可以形成为穿过除了壳体305的后壁320之外的构件，只要能够利用一个或多个挤压构件120从壳体305的外侧在堆叠方向（x方向）上挤压压力板200。

参考图15A到图15C示出一个示例。首先，制备如在图15A中所示包括平坦部分121f和杆部分121b的挤压构件121。杆部分121b具有被连接到平坦部分121f的端面的一端和被连接到旋转驱动源（未示出）的另一端。如在图15B中所示，根据第二修改的燃料电池的初级组件11e具有壳体305e，壳体305e包括具有细长开口作为挤压开口322e的顶壁330。挤压构件121穿过挤压开口322e插入，使得平坦部分121f位于壳体305e中。然后，挤压构件121围绕杆部分121b旋转，如在图15C中所示。这使得平坦部分121f能够挤压压力板200e以在堆叠方向上压缩电池堆叠体100。

图16A和图16B是用于解释第三修改的燃料电池的固定部分的解释性图。虽然在以上实施例中螺栓开口321和负荷调节螺栓500被用作限制在从电池堆叠体100朝向后壁320的方向（x方向）上被挤压的压力板200移动的固定部分，但是可以使用除了螺栓开口321和负荷调节螺栓500之外的任何装置，只要能够限制压力板200移动。例如，如在图16A中所示，杆部件501可以作为固定部分被插入压力板200和后壁320之间。

或者，如在图16B中所示，可以在与压力板200相对的位置处在后壁320中形成盲阴螺栓孔321g，替代为通孔的螺栓开口321，以接收负荷调节螺栓500。或者，可以形成穿过顶壁330或者底壁340，或者右侧壁350或者左侧壁360的开口，替代螺栓开口321，使得可以例如通过在将图15A到图15C所示挤压构件121旋转之后固定而将压力板200固定到位。可以通过在电池堆叠体100被压缩之后利用粘合剂将压力板200结合到壳体305而将压力板200固定到位。在此情形中，粘合剂起到固定部分的作用。

虽然在以上实施例中螺栓开口321和挤压开口322被描述成穿过燃料电池10的后壁320形成，但是可以穿过置放在燃料电池10的前部的板构件410形成螺栓开口321和挤压开口322。即使在此情形中，也能够穿过挤压开口322从壳体305的外侧在堆叠方向上压缩电池堆叠体100，并且能够在电池堆叠体100被挤压构件120压缩的情况下穿过螺栓开口321插入负荷调节螺栓500。

虽然在以上实施例中燃料电池10被描述成除了电池堆叠体100还具有压力板200，但是形成电池堆叠体100的一部分并且能够在堆叠方向上在电池堆叠体100的端部处从挤压构件120接收应力的构件，诸如分离器，也可以被用作压力板。

虽然在以上实施例中壳体305被描述成具有一个到三个挤压开口322，但是因为即使当壳体305具有四个或者更多个挤压开口322时也能够穿过挤压开口322中的任何一个到三个插入挤压构件120以压缩电池堆叠体100，所以燃料电池10可以具有四个或者更多个挤压开口322。

虽然在以上实施例中壳体305的部分被称作“前壁310”、“后壁320”、“顶壁330”、“底壁340”、“右侧壁350”和“左侧壁360”，但是这些名称仅仅用于说明的意图，并且与安装燃料电池10的取向无关。另外，壳体305可以具有如此形状，即，在前壁310、后壁320、顶壁330、底壁340、右侧壁350，和左侧壁360之间的边界不能被清楚地限定，并且该边界可以被任意地限定。

虽然在以上实施例中壳体305的后壁320被描述成具有三个类型的开口，即，螺栓开口321、挤压开口322，和轴开口323，但是后壁320可以具有四个或者更多类型的开口。壳体305可以不具有轴开口323。

虽然在该实施例中固体聚合物燃料电池被用作燃料电池，但是可以使用各种类型的燃料电池，诸如磷酸燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池，和固体氧化物燃料电池。

Claims (13)

1.一种燃料电池，包括：

电池堆叠体(100)，在所述电池堆叠体(100)中堆叠有多个单元电池，

外壳(300)，所述外壳(300)容纳所述电池堆叠体，和

压力板(200)，所述压力板(200)在所述电池堆叠体(100)在堆叠方向上的端部和所述外壳(300)之间的位置处被放置在所述外壳中，

其中，所述外壳具有第一开口(322)和固定部分(500)，其中，从所述外壳外侧在所述堆叠方向上挤压所述压力板的挤压构件(120)穿过所述第一开口(322)与所述压力板接触，在所述电池堆叠体在所述堆叠方向上被压缩的状态下所述固定部分(500)将所述压力板固定到位，

所述燃料电池的特征在于：

所述固定部分(500)包括设置在所述外壳中以在所述堆叠方向上面对所述压力板的阴螺纹部分，和具有被连接到所述阴螺纹部分的近端和与所述压力板接触的远端的螺栓构件(500)，并且

所述第一开口(322)被用于：在通过将所述挤压构件(120)插入到所述第一开口(322)中来挤压所述压力板(200)后，使得所述挤压构件(120)经过所述第一开口(322)来从所述外壳(300)中被拉出。

2.根据权利要求1所述的燃料电池，其中，所述第一开口(322)在所述堆叠方向上面对所述压力板。

3.一种燃料电池，包括：

电池堆叠体(100)，在所述电池堆叠体(100)中堆叠有多个单元电池，

外壳(300)，所述外壳(300)容纳所述电池堆叠体，和

压力板(200)，所述压力板(200)在所述电池堆叠体在堆叠方向上的端部和所述外壳之间的位置处被放置在所述外壳中，

所述燃料电池的特征在于：

所述外壳(100)至少具有开口面积不同的第一开口(322)和第二开口(321)，所述第一开口(322)和所述第二开口(321)在所述堆叠方向上面对所述压力板，

所述第一开口(322)被用于：在通过将挤压构件(120)插入到所述第一开口(322)中来挤压所述压力板(200)后，使得所述挤压构件(120)经过所述第一开口(322)来从所述外壳(300)中被拉出，并且

第二开口(321)被用于：在所述电池堆叠体在所述堆叠方向上被压缩的状态下，将所述压力板固定到位。

4.根据权利要求3所述的燃料电池，其中，具有比所述第二开口(321)大的开口面积的所述第一开口(322)的数目是一个到三个。

5.根据权利要求4所述的燃料电池，其中，所述第一开口(322)的数目是两个或者三个，并且所述第一开口(322)被定位为使得当从所述堆叠方向上看时，所述电池堆叠体的重心位于两个第一开口之间或者在由三个第一开口包围的区域中。

6.根据权利要求4所述的燃料电池，其中，所述第一开口(322)的数目是一个，并且当在所述堆叠方向上看时，所述第一开口(322)位于与所述电池堆叠体的重心相对的位置处。

7.根据权利要求4到6中任何一项所述的燃料电池，其中，所述第一开口(322)用于使得用于从所述外壳外侧在所述堆叠方向上挤压所述压力板的挤压构件与所述压力板接触。

8.根据权利要求3到6中任何一项所述的燃料电池，其中，具有比所述第一开口(322)小的开口面积的所述第二开口(321)在所述第二开口的内周边中具有螺纹沟槽。

9.根据权利要求7所述的燃料电池，其中，具有比所述第一开口(322)小的开口面积的所述第二开口(321)在所述第二开口的内周边中具有螺纹沟槽。

10.一种用于生产燃料电池的方法，其特征在于包括：

制备堆叠有多个单元电池的电池堆叠体(100)和用于容纳所述电池堆叠体的外壳(300)，

在所述外壳中放置所述电池堆叠体(100)，使得所述电池堆叠体在堆叠方向上的端部经由压力板(200)面对所述外壳，

通过从所述外壳外侧利用挤压构件(120)挤压经由第一开口(322)插入的所述压力板，来在所述堆叠方向上在所述外壳中压缩所述电池堆叠体(100)，

在所述电池堆叠体被所述挤压构件(120)压缩的状态下，通过固定部分(500)将所述压力板(200)固定到位，所述固定部分(500)包括设置在所述外壳中以在所述堆叠方向上面对所述压力板的阴螺纹部分，和具有被连接到所述阴螺纹部分的近端和与所述压力板接触的远端的螺栓构件(500)，以及

使得所述挤压构件(120)经过所述第一开口(322)来从所述外壳(300)中被拉出。

11.根据权利要求10所述的生产方法，其中

所述外壳(300)具有穿过所述外壳的侧壁的至少两种类型的开口，

所述电池堆叠体(100)被放置在所述外壳中，使得所述电池堆叠体在所述堆叠方向上的端部经由所述压力板(200)面对所述侧壁，

通过使用挤压构件(120)穿过所述侧壁的第一开口(322)从所述外壳外侧在所述堆叠方向上挤压所述压力板(200)，来压缩所述电池堆叠体，并且

通过在所述压力板(200)和所述侧壁的第二开口(321)之间附接螺栓构件(500)，来固定所述压力板(200)。

12.根据权利要求11所述的生产方法，其中，当通过挤压所述挤压构件(120)而被施加到所述电池堆叠体的压缩负荷达到预定值时，通过附接所述螺栓构件(500)来固定所述压力板(200)，并且在所述螺栓构件(500)被附接之后释放所述挤压构件(120)的挤压力。

13.根据权利要求12所述的生产方法，其中，检测所述挤压构件的挤压力的外部装置被用于检测当所述压力板被固定时被施加到所述电池堆叠体的所述压缩负荷。