[發(fā)明專利]具有集成集管的板型水蒸汽傳送單元

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• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201310618326.6
• 申請(qǐng)日: 2013-10-17
• 公開（公告）號(hào): CN103779594A
• 公開（公告）日: 2014-05-07
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: D·A·馬丁徹克;I·R·杰米;J·M·古斯達(dá)
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 通用汽車環(huán)球科技運(yùn)作有限責(zé)任公司
• 主分類號(hào): H01M8/04
• 分類號(hào): H01M8/04
• 代理公司: 中國專利代理(香港)有限公司 72001
• 代理人: 崔幼平;傅永霄

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明總體涉及一種改善由燃料電池產(chǎn)生的水蒸汽的傳送的方法，并且尤其涉及一種用于水蒸汽傳送(WVT)單元的改善的密封策略。

背景技術(shù)

燃料電池系統(tǒng)通過燃料和氧化劑的氧化和還原產(chǎn)生電能。例如，氫，是非常有吸引力的燃料源，因?yàn)樗乔鍧嵉那宜軌蛴糜谠谌剂想姵刂杏行У禺a(chǎn)生電。汽車工業(yè)在氫燃料電池作為用于車輛的動(dòng)力源的發(fā)展中已經(jīng)花費(fèi)了大量資源。由氫燃料電池供能的車輛將比使用內(nèi)燃機(jī)的現(xiàn)今車輛更加有效且將產(chǎn)生更少的排放物。

在通常的燃料電池系統(tǒng)中，氫或富氫的氣體作為反應(yīng)劑通過流動(dòng)路徑被供應(yīng)到燃料電池的陽極側(cè)，而氧(例如以大氣氧的形式)作為反應(yīng)劑通過分立的流動(dòng)路徑供應(yīng)到燃料電池的陰極側(cè)。催化劑，通常以貴金屬的形式，例如鉑，放置在陽極或陰極處，以有助于反應(yīng)劑電化學(xué)轉(zhuǎn)化成電子和正電荷離子(對(duì)于氫)以及負(fù)電荷離子(對(duì)于氧)。在一種熟知的燃料電池形式中，陽極和陰極可以由導(dǎo)電的氣體擴(kuò)散媒介(GDM)層形成，其中催化劑沉積在該氣體擴(kuò)散媒介層上以形成催化劑涂覆的擴(kuò)散媒介(CCDM)。電解質(zhì)層(也稱為離子聚合物層)分離陽極與陰極用以允許離子從陽極至陰極的選擇的通過，而同時(shí)阻止產(chǎn)生的電子的通過；作為替代，在陰極處與帶電荷離子復(fù)合之前，電子被迫使流動(dòng)通過外部導(dǎo)電的電路(例如負(fù)載)用以執(zhí)行有用的工作。在陰極處的正電荷和負(fù)電荷離子的組合導(dǎo)致作為反應(yīng)的副產(chǎn)物的無污染的水的產(chǎn)生。在另一種熟知的燃料電池形式中，陽極和陰極可以直接形成在電解質(zhì)層上，用來形成已知為膜電極組件(MEA)的分層結(jié)構(gòu)。

質(zhì)子交換膜(PEM)燃料電池對(duì)于車輛和相關(guān)的移動(dòng)應(yīng)用已經(jīng)示出特別的前途。PEM燃料電池的電解質(zhì)層是固體質(zhì)子傳輸膜，例如全氟磺酸膜(PFSA)(其商業(yè)實(shí)例是Nafion^TM)。不管是使用上述的基于MEA的方法還是基于CCDM的方法，與陰極通過電介質(zhì)層分立的陽極的出現(xiàn)形成了單個(gè)PEM燃料電池；許多這樣的單個(gè)電池可以組合用以形成燃料電池堆，增加其功率輸出。多個(gè)堆可以耦合在一起用以進(jìn)一步增加功率輸出。

燃料電池，尤其是PEM燃料電池，需要平衡的水的水平以確保合適的操作。例如，在燃料電池中避免具有過多的水是重要的，其可能導(dǎo)致反應(yīng)劑流動(dòng)場通道的淹沒或相關(guān)的阻塞，從而危害電池操作。在另一方面，過少的水化作用限制膜的電導(dǎo)率且可能導(dǎo)致過早的電池故障。在保持水的水平平衡中的難度加劇在于存在發(fā)生在燃料電池中的大量的沖突反應(yīng)，其同時(shí)地增加和減少局部和全局的水化作用水平。

確保水化作用在整個(gè)燃料電池中的適當(dāng)水平的一種方法包括在反應(yīng)劑進(jìn)入燃料電池之前加濕所述反應(yīng)劑中的一個(gè)或兩個(gè)。例如，通過合適的加濕裝置，可以使用在陰極處產(chǎn)生的水，以減少陽極或PFSA離子聚合物膜的脫水作用的可能性。這樣的加濕裝置的一個(gè)實(shí)例是水蒸汽傳送(WVT)單元(也稱為膜加濕器)，其從潮濕的燃料電池流動(dòng)路徑或流動(dòng)通道抽取濕氣且將其放置進(jìn)入用于傳送低濕度反應(yīng)劑的流動(dòng)路徑中。這通常通過使用WVT膜來完成，該膜布置在鄰近的高濕度與低濕度流體之間。該膜允許水蒸汽從較高濕度流體通過它流到較低濕度流體，同時(shí)阻止氣體從低濕度流體(例如，陰極入口氣體)不合期望地直接流到包含高濕度流體(例如，陰極出口氣體)的出口，無需首先通過該燃料電池。在建造的一種形式中，該膜可以附接至GDM。WVT膜與GDM的組合可以稱為分離器、分離器板、或膜加濕器組件。大量的這樣的分離器板可以堆疊在一起使得交替層有助于干流體與濕流體的相互作用。

在一種形式中，堆疊的分離器板通常包括適于傳送陰極和陽極流體的多個(gè)板內(nèi)流動(dòng)通道。WVT單元可以是交叉流動(dòng)WVT單元，其中相鄰板的流動(dòng)通道定向?yàn)楸舜舜怪薄Ｔ诹硪慌渲弥校琖VT單元可以限定相反流布置，其中通過濕板的流動(dòng)與通過干板的流動(dòng)的方向相反。

傳統(tǒng)地，WVT單元封裝在大體立方體單元中，其外部地附接至燃料電池堆且具有四個(gè)歧管，所述歧管作為用于相應(yīng)的濕的和干的流動(dòng)通道的入口和出口。通常地，WVT單元?dú)んw集成在燃料電池模塊例如下端單元(LEU)內(nèi)的燃料電池系統(tǒng)中。為了防止?jié)竦暮透傻牧黧w兩者的泄露，其減少燃料電池系統(tǒng)的效率和壽命，歧管被密封在表面上，通過該表面它們?cè)赪VT單元內(nèi)連接至堆。前述的交叉流配置需要在每一個(gè)平面上的密封，通過所述平面，入口和出口歧管連接至WVT單元；通常地，密封發(fā)生在WVT單元的至少三個(gè)平面上，其中這些平面的一個(gè)與剩余的兩個(gè)成角度。密封用于將所有四個(gè)流體流動(dòng)歧管(濕入口和濕出口和干入口和干出口)密封至在LEU內(nèi)的它們的匹配元件。