[發(fā)明專利]用于燃料電池系統(tǒng)的增濕器

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201280008602.0
• 申請日: 2012-01-13
• 公開（公告）號: CN103392097A
• 公開（公告）日: 2013-11-13
• 發(fā)明（設計）人: D·范迪維斯;M·哈桑;J·威爾遜;J·庫梅羅
• 申請（專利權）人: 達納加拿大公司
• 主分類號: F24F6/00
• 分類號: F24F6/00;F28F3/08;F28F3/12;H01M8/04
• 代理公司: 中國國際貿(mào)易促進委員會專利商標事務所 11038
• 代理人: 白皎

相關申請的交叉引用

本申請要求2011年1月13日提交的美國臨時專利申請No.61/432,429和2011年9月6日提交的美國非臨時專利申請No.13/225,877的優(yōu)先權和權益，這些專利申請的內(nèi)容通過引用并入這里。

技術領域

本發(fā)明涉及燃料電池系統(tǒng)中的用來增濕反應氣體的增濕器。

背景技術

燃料電池系統(tǒng)從燃料和氧化劑之間的電化學反應產(chǎn)生電力。許多燃料電池系統(tǒng)使用氣態(tài)燃料（諸如分子氫）和氣態(tài)氧化劑（諸如空氣中包含的分子氧）。氫氣和氧氣之間的反應產(chǎn)生水，該水在燃料電池的廢氣中被排出。

許多燃料電池，并且特別地用于汽車推進的燃料電池，基于質(zhì)子交換隔膜（PEM）技術。這些燃料電池包含PEM隔膜，該隔膜在大約80℃下操作，并且該隔膜必須保持濕潤以便燃料電池的最佳性能和耐用性。這可以通過以下方法被實現(xiàn)：保證反應氣體的一種或兩種包含足夠的濕氣以防止隔膜的脫水。例如，已知將增濕器并入到燃料電池系統(tǒng)中以便通過從燃料電池的廢氣傳遞水蒸氣而增濕反應氣體的至少一種。增濕器潛在地可用于許多燃料電池應用（包括靜止的和便攜式的電力應用），但在車輛應用中特別有用，在車輛應用中重要的是，最大化燃料電池的功率密度和耐用性，同時最小化成本和尺寸。

在典型的現(xiàn)有技術燃料電池增濕器中，由氣體擴散層支撐的水可滲透隔膜插在濕和干氣體流之間，并且水蒸氣從濕氣體流跨越水可滲透的隔膜并且通過氣體擴散層傳遞到干氣體流中。現(xiàn)有技術的基于隔膜的增濕器包括管狀的和平面的構造。平面的構造提供的潛在益處是：高的運行效率，緊湊的尺寸，和低的制造成本。平面的增濕器的技術難題包括：在受控制的流體流動速率下實現(xiàn)隔膜到交換氣體的高表面積暴露，意味著緊密組裝的并且非常小的且一致重復的電池（板到隔膜）距離是必要的；和結合可靠地密封的隔膜到板以及板到板連接。為了維持緊密組裝的電池間隔，板需要非常薄，但也提供有效的流動通道以便交換氣體與留有間隙的隔膜和氣體擴散層連通。此外，用來將板流動通道和隔膜組裝和保持在一起的壓縮力和裝置必須足夠低以避免損壞易碎的隔膜/擴散層介質(zhì)或引起板-隔膜電池的間隔的可變性。

需要改進燃料電池增濕器的結構，以便以有效且節(jié)省成本的方式解決上述難題。

發(fā)明內(nèi)容

根據(jù)一個實施例，提供一種增濕器，該增濕器用來使水蒸氣從第一氣體流傳遞到第二氣體流。該增濕器包括：（a）布置成疊層的多個板，所述板的每一個限定用于所述第一氣體流或所述第二氣體流的氣體流動通道。所述板的每一個包括：（i）頂部、底部和在所述頂部和底部之間測得的厚度；（ii）沿所述板的邊緣的入口開口；（iii）沿所述板的邊緣的出口開口；（iv）在所述板的中心部分中限定的流動區(qū)域，所述流動區(qū)域具有沿所述板的頂部的敞開頂部和沿所述板的底部的敞開底部；（v）入口通道，所述入口通道將所述入口開口連接到所述流動區(qū)域的敞開頂部和敞開底部；（vi）出口通道，所述出口通道將所述流動區(qū)域的敞開頂部和敞開底部連接到所述出口開口；（vii）沿所述板的頂部延伸的平面的頂部密封表面，其中所述頂部密封表面在所述流動區(qū)域周圍連續(xù)地延伸，并且包括延伸過所述入口通道和所述出口通道的橋接部分；（viii）沿所述板的底部延伸的平面的底部密封表面，其中所述底部密封表面在所述流動區(qū)域周圍連續(xù)地延伸，并且包括延伸過所述入口通道和所述出口通道的橋接部分；（ix）多個支撐結構，所述多個支撐結構位于所述流動區(qū)域內(nèi)并且在所述板的頂部和底部之間延伸。多對所述板在所述疊層中被密封在一起，一個板的所述頂部密封表面被密封到相鄰的板的所述底部密封表面。所述增濕器還包括：（b）多個水可滲透的隔膜，其中所述隔膜的一個被布置在所述疊層中的每一對相鄰的板之間，并且被密封到所述一對相鄰的板，并且其中所述支撐結構在所述流動區(qū)域內(nèi)為所述水可滲透的隔膜提供支撐；（c）用于所述第一氣體流的一對歧管和用于所述第二氣體流的一對歧管，其中所述歧管的第一對與限定用于所述第一氣體流的所述氣體流動通道的第一多個所述板流動連通，并且其中所述歧管的第二對與限定用于所述第二氣體流的所述氣體流動通道的第二多個所述板流動連通，其中堆疊所述板并且布置所述歧管使得用于所述第一氣體流的所述氣體流動通道與用于所述第二氣體流的所述氣體流動通道貫穿所述疊層交替，并且使得所述水可滲透隔膜的每一個分離用于所述第一氣體流的所述氣體流動通道的一個與用于所述第二氣體流的所述氣體流動通道的一個。

根據(jù)實施例，所述增濕器還包括多個氣體擴散層，其中每一個所述氣體擴散層位于所述隔膜的一個和所述板的一個的流動區(qū)域之間。