[發明專利]降低壽命開始的輸水差的水蒸氣輸送組件中的氣流旁通

有效

• 申請號: 201210320000.0
• 申請日: 2012-09-03
• 公開（公告）號: CN102969520A
• 公開（公告）日: 2013-03-13
• 發明（設計）人: D.A.馬丁徹克;T.D.布龍徹特蒂;I.R.杰米
• 申請（專利權）人: 通用汽車環球科技運作有限責任公司
• 主分類號: H01M8/04
• 分類號: H01M8/04
• 代理公司: 中國專利代理(香港)有限公司 72001
• 代理人: 劉楨;何逵游

技術領域

本公開涉及水蒸氣輸送組件，更特別地，涉及用于燃料電池系統的水蒸氣輸送組件。

背景技術

燃料電池系統正逐漸在許多應用中用作動力源。例如，燃料電池系統已被提出用在車輛中，作為內燃機的替代品。燃料電池系統也可用作建筑物和住宅中的固定設備，攝像機、計算機等的便攜電源。通常，燃料電池系統包括布置在燃料電池堆中用來發電的多個燃料電池，用于給電池充電或給電動機提供動力。

已知一種典型的燃料電池為聚合物電解質薄膜（PEM）燃料電池，其將燃料（例如氫氣）與氧化劑（例如氧氣）組合，以產生電和水。氧氣通常由空氣流提供。為了在期望的效率范圍內執行，應當保持燃料電池的聚合物電解質薄膜的充分濕度。該充分濕度令人滿意地延長燃料電池中電解質薄膜的有用壽命，并保持期望的操作效率。

作為燃料電池系統的一部分，可利用水蒸氣輸送（WVT）組件來加濕進入燃料電池堆的空氣流。WVT組件從來自燃料電池堆的廢氣流向進入燃料電池堆的供給流輸送水蒸氣。這一般通過使用僅允許水蒸氣從其穿過的水蒸氣輸送薄膜來完成。該薄膜通常永久性地連接至擴散介質層。該擴散介質層為控制氣流的分離器的一部分。例如，該分離器可由通過限定分離器中氣流流路的線分隔開的擴散介質層中的兩個構成。

受讓人的共同未決的、Martinchek等人的美國專利申請No.?12/796,320中描述了示例性的WVT組件，其內容通過引用包含于本文。WVT組件包括構造成接收濕流的多個濕板和構造成接收干流的多個干板。濕板和干板交替成堆，并通過輸水薄膜彼此分隔開。水蒸氣輸送組件允許水從濕流輸送至干流。水蒸氣輸送組件布置在一對端板之間。每個端板都具有多個向外延伸的肋。

作為燃料電池系統的一部分，WVT組件可用于加濕進入燃料電池堆的空氣流。已知將WVT組件組裝在具有一對濕流孔和一對干流孔的殼體內，并將該WVT組件結合進燃料電池模塊，例如燃料電池系統的下端部單元（LEU）。WVT組件和端板布置在所述殼體內。濕流孔與WVT組件的濕板連通，干流孔與WVT組件的干板連通。所述殼體還包括形成在干流孔附近并與濕流孔連通的多個通道。端板的向外延伸肋與所述通道配合以限定殼體的濕流孔之間的彎曲旁通流路。

干流與濕流使用WVT組件的薄膜保持分隔開，該薄膜允許水蒸氣從濕流通過到干流，而不允許氣體如氧氣通過（即，干空氣流被加濕，但氧氣含量不會消耗）。已知WVT組件的輸水率會隨著WVT組件的使用壽命而退化。期望在高流量的情況下壽命開始（BOL）時的輸水率與壽命結束（EOL）時的輸水率之間的差異距目標輸水率不超過規定的偏差，例如，約-20%。由于不同WVT組件之間的性能差異，不同WVT組件中的特定一個可能在BOL時不期望地比不同WVT組件中的另一個更接近于EOL輸水率。已知在預裝測試期間遮住WVT組件中的一部分板，以將WVT組件調節成期望的BOL輸水率。然而，由于未利用到整個WVT組件，所以該遮造成了不合期望地浪費。

還已知使用非集成的主動控制旁通閥，以在操作中控制輸水率。然而，除了需要用于相關閥和歧管的顯著封裝容積之外，主動控制旁通閥還給燃料電池系統增加了顯著的復雜性。

對于提供調節高流量時的BOL輸水率的能力、并最小化BOL性能差異以允許隨著WVT組件的使用壽命而額外可允許的輸水率退化的WVT組件存在持續地需求。期望地，WVT組件最小化了否則會產生差的閑置性能的低流量時的流量旁通，并可被封裝在現有的WVT殼體中。

發明內容

根據本發明，令人驚異地發現了一種WVT組件，其提供調節高流量時的BOL輸水率的能力，最小化了BOL性能差異以允許隨著WVT組件的使用壽命而額外可允許的輸水率退化，最小化了否則會產生差的閑置性能的低流量時的流量旁通，并可被封裝在現有的WVT殼體中。

在一個實施例中，一種用于水蒸氣輸送組件的旁通單元，包括主體、止回閥和可調節的流量調節器。所述主體具有貫穿其形成的管路。所述止回閥與所述管路連通。所述止回閥一般阻止旁通流流過所述管路，但在超過閾值流速時允許所述旁通流流過所述管路。所述可調節的流量調節器與所述管路連通。所述可調節的流量調節器允許調節所述旁通流的流量，以改變所述輸水組件的輸水率。

在另一實施例中，輸水組件包括一對端部單元和襯墊之一，濕板、干板和輸水薄膜的堆布置在所述一對端部單元之間，所述襯墊布置在濕板、干板和輸水薄膜的所述堆中。端部單元和所述襯墊之一包括旁通單元。