CN101409352B - 燃料电池膜增湿器板设计 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及燃料电池膜增湿器板设计，具体而言公开了一种用于燃料电池的膜增湿器的板，其中所述板包括从扩散介质形成的顶层和从扩散介质形成的底层，其中大致平面的细长带状物阵列布置在所述顶层和所述底层之间。
Description
技术领域
本发明涉及燃料电池系统，且更具体地涉及用于燃料电池的膜增湿器的板。
背景技术
燃料电池系统日益增加地用作各种应用的电源。燃料电池系统已经被提出取代内燃机用于诸如车辆的动力消耗装置。这样的系统在共同拥有的美国专利申请序列No.10/418,536中公开，所述专利申请在此作为参考全文引入。燃料电池系统也用作建筑和住宅中的固定电源装置，以及摄像机、计算机等的便携式动力。通常，燃料电池系统产生用于给电池充电或提供动力给电动马达的电力。
燃料电池是电化学设备，直接将燃料(如氢气)和氧化物(如氧气)结合产生电力。氧气通常由空气流供应。氢气和氧气结合形成水。可以使用其它燃料，例如天然气、甲醇、汽油和源于煤的合成燃料。
燃料电池系统采用的基本过程是有效的、大致无污染的、安静的、没有移动部件(除了空气压缩机、冷却风扇、泵和致动器之外)，且构造为仅留下热和水作为副产品。根据其使用环境，术语“燃料电池”通常指的是单个电池或多个电池。多个电池通常捆扎在一起，且布置形成堆，其中多个电池通常以电气串联布置。由于单个燃料电池可以组装成具有各种尺寸的堆，系统可设计为产生希望的能量输出水平，提供对不同应用的设计灵活性。
可以提供不同的燃料电池类型，例如，磷酸、碱、熔融碳酸盐、固体氧化物、和质子交换膜(PEM)。PEM型燃料电池的基本部件是由聚合物膜电解质隔开的两个电极。每个电极在一侧上用薄的催化剂层涂层。电极、催化剂和膜一起形成膜电极组件(MEA)。
在典型的PEM型燃料电池中，MEA夹在“阳极”和“阴极”扩散介质(其后称为“DM”)或扩散层之间，所述扩散介质或扩散层由弹性、导电、透气性材料制成，如碳纤维织物或纸。DM用作阳极和阴极的主集电器，以及为MEA提供机械支撑。可替换地，DM可以包含催化剂层且与膜接触。DM和MEA冲压在一对导电板之间，所述板充当次集电器，用于从主集电器收集电流。在双极板的情况下，板在电池堆内部相邻的电池之间传导电流，在单极板的情况下，板在电池堆外部电池堆端部处传导电流。
次集电器板各包括将气体反应物分配跨过阳极和阴极的主面的至少一个活性区域。这些活性区域(也称为流场)通常包括接合主集电器的多个肩台，且在它们之间限定多个凹槽或流动通道。通道供应氢气和氧气给PEM任一侧上的电极。具体而言，氢气流动通过通道到阳极，其中催化剂促进分离成质子和电子。在PEM的相对侧上，氧气流动通过通道到阴极，其中氧气将氢气质子吸引穿过PEM。电子通过外部电路捕获作为有用能量，且与质子和氧气结合在阴极侧处产生水汽。
许多燃料电池使用内部膜，如包括质子交换膜(也称为聚合物电解质膜)的PEM型燃料电池。为了在希望的效率范围内运行，希望将膜保持在潮湿状况。因而，需要提供一种将燃料电池膜保持在潮湿状况的装置。这有助于避免膜的损害或寿命缩短，以及保持希望的操作效率。例如，膜的较低的水含量导致较高的质子传导电阻，从而导致较高的欧姆电压损失。进气(尤其是阴极进口处)的增湿是希望的，以在膜中保持足够的水含量。燃料电池的增湿在Goebel等共同拥有的美国专利申请No.10/797,671；Sennoun等共同拥有的美国专利申请No.10/912,298；和Forte等共同拥有的美国专利申请No.10/087,911中进行了讨论，所述专利申请每个都作为参考全文引入。
为了保持希望湿度水平，空气增湿器通常用于增湿燃料电池中使用的空气流。空气增湿器通常包括安装到空气增湿器壳体中的圆形的或箱形空气增湿模块。这种空气增湿器的示例在Tanihara等的美国专利申请No.10/516,4833(该申请作为参考全文引入)和美国专利No.6,471,195(该申请作为参考全文引入)中示出并讨论。
膜增湿器也已经用来实现燃料电池增湿需求。对于汽车燃料电池增湿应用而言，这样的膜增湿器需要是紧凑的，展现出低压降，且具有高的性能特性。典型的膜增湿器包括湿板，所述湿板包括靠近DM在其中形成的多个流动通道。流动通道适于从燃料电池的阴极传送湿气给排气。典型的膜增湿器也包括干板，所述干板包括靠近DM在其中形成的多个流动通道。流动通道适于从气体源传送干燥气体给燃料电池的阴极。类似的膜增湿器组件可以用于燃料电池的阳极侧，或根据希望以其他方式使用。
流动通道通常在湿板和干板的两侧上形成，所述湿板和干板由腹板隔开。腹板防止形成流动通道的材料的变形。通过采用腹板来支撑所述板和流动通道，增加了所述板和流动通道的总体尺寸，从而导致增加的材料和制造成本、以及增加的膜增湿器制造时间。
通常，DM在湿板每侧和干板每侧上靠近流动通道布置。为了防止DM的移动，粘合剂手动地施加到湿板和干板或DM，且所述板和DM被冲压在一起。手动施加粘合剂给所述板或DM增加组装时间和膜增湿器的制造成本。另外，粘合剂的存在增加了所述板的总体尺寸，从而导致增加的膜增湿器的材料和制造成本。
希望生产用于膜增湿器的板，其中，所述板的尺寸、所述膜增湿器和所述板的材料成本、所述膜增湿器的组装时间最小化。
发明内容
根据本发明，已经令人惊奇地发现了一种用于膜增湿器的板，其中，所述板的尺寸、所述膜增湿器和所述板的材料成本、所述膜增湿器的组装时间最小化。
在一个实施例中，用于燃料电池的膜增湿器的板包括从扩散介质形成的大致平面的顶层；从扩散介质形成的大致平面的底层；和大致平面的细长带状物阵列，所述细长带状物阵列布置在所述顶层和所述底层之间以在它们之间限定多个流动通道，所述带状物从聚合材料制成。
在另一实施例中，用于燃料电池的膜增湿器的板包括从扩散介质形成的大致平面的顶层；从扩散介质形成的大致平面的底层；大致平面的细长带状物阵列，所述细长带状物阵列布置在所述顶层和所述底层之间以在它们之间限定多个流动通道，所述带状物从聚合材料制成；第一熔接棒，所述第一熔接棒至少一部分布置在所述顶层和所述底层之间；和第二熔接棒，所述第二熔接棒至少一部分布置在所述顶层和所述底层之间。
在另一实施例中，一种用于制造燃料电池系统的膜增湿器的板的方法，所述方法包括步骤：设置从扩散介质形成的大致平面的顶层；设置从扩散介质形成的大致平面的底层；设置大致平面的细长带状物阵列，并将所述带状物布置在所述顶层和所述底层之间以在它们之间限定多个流动通道，所述带状物从聚合材料制成；和将所述带状物粘附到所述顶层和所述底层。
附图说明
根据优选实施例的以下详细说明结合附图考虑，本领域技术人员将清楚本发明的上述和其它优势，其中：
图1是本领域公知的膜增湿器组件的分解透视图；
图2是图1的膜增湿器组件的湿板的透视图；
图3是根据本发明实施例的膜增湿器组件的板的透视图；
图4是图2所示的板的前视图且示出了在其中形成的流动通道；和
图5是根据本发明实施例的形成图3的板的过程的示意图。
具体实施方式
以下详细说明和附图描述和图示了本发明的多个实施例。所述说明和附图用于使得本领域技术人员能够实施本发明，而不打算以任何方式限制本发明的范围。关于所披露的方法，所述步骤本质上是示范性的，因而，步骤的顺序不是必须的或重要的。
图1示出了本领域公知的用于燃料电池系统(未示出)的膜增湿器组件10。膜增湿器组件10包括湿板12、干板14、扩散介质22，24和膜26。描述用于燃料电池阴极侧的膜增湿器组件10。然而，应当理解，膜增湿器组件10可以用于燃料电池的阳极侧或根据希望以其他方式使用。湿板12包括在其中形成的多个流动通道16，如图2所示。肩台18在湿板12中每个横向相邻的通道16之间形成，而腹板19在竖直相邻的流动通道16之间形成。通道16适于从燃料电池的阴极传送湿气给排气(未示出)。
干板14类似于在此所述的湿板12。干板14包括在其中形成的多个流动通道(未示出)。类似于湿板12，肩台(未示出)在干板14中每个横向相邻的通道16之间形成，而腹板(未示出)在竖直相邻的通道之间形成。所述通道适于从气体源(未示出)传送干燥气体给燃料电池的阴极。如在此使用的，湿气意味着在其中包括高于干燥气体水平的水平的水汽和/或液体水的气体，例如空气和O2，N2，H2O和H2的气体混合物。干燥气体意味着没有水汽或在其中包括低于该湿气水平的水平的水汽和/或液体水的气体，例如空气和O2，N2，H2O和H2的气体混合物。应当理解，可以根据希望使用其它气体或气体混合物。
扩散介质或扩散层22靠近湿板12的两侧布置且邻接其肩台18。类似地，扩散介质或扩散层24靠近干板14的两侧布置且邻接其肩台。如图1所示，膜26布置在扩散介质22和扩散介质24之间。膜26可以是任何常规的膜，例如诸如以商标销售的全氟磺酸(PFSA)、亲水聚合物膜、和聚合物复合膜。应当理解，可以根据希望使用附加的湿板12、干板14、扩散介质22，24和膜26。
图3和4示出了根据本发明实施例的板28。板28包括大致平面的顶层30、大致平面的底层32、第一大致平面的熔接棒36、第二大致平面的熔接棒38和大致平面的细长带状物阵列34。对于在此显示和描述的实施例而言，板28是用于类似于在此所述的膜组件10的膜增湿器组件(未示出)的湿板。然而，应当理解，板28可以是用于膜增湿器组件10的干板。在所示实施例中，顶层30和底层32是扩散介质。扩散介质从任何常规材料制成，例如玻璃纤维、玻璃基纸、碳纤维织物、纸等。
第一熔接棒36的一部分布置在顶层30和底层32之间且粘附到顶层30和底层32的每个的外边缘。第二熔接棒38的一部分布置在顶层30和底层32之间且粘附到顶层30和底层32的每个的外边缘。应当理解，熔接棒36，38可以全部布置在顶层30和底层32之间，而不偏离本发明的范围和精神。在所示实施例中，熔接棒36，38的部分熔融而与顶层30和底层32形成在一起。通过将熔接棒36，38加热至刚好低于其融化温度并冲压或辗轧顶层30、熔接棒36，38和底层32以利于其密封，熔接棒36，38与顶层30和底层32形成在一起。可替换地，顶层30和底层32可加热至刚好低于熔接棒36，38的融化温度并与熔接棒36，38冲压或辗轧在一起。熔接棒36，38也可以用粘合剂(例如，B级环氧树脂、乙烯-醋酸乙烯酯、聚偏氟乙烯(polyvinylideneifluoride)、压敏粘合剂)粘附到顶层30和底层32。可使用任何常规材料形成熔接棒36，38，例如钢、聚合物、石墨和复合材料。
在图3和4所示实施例中，带状物34布置在顶层30和底层32之间且至少部分地粘附到顶层30和底层32。带状物34是具有圆柱形形状和大致圆形截面形状的聚合物条。有利的结果已经用具有大约0.55mm的直径的带状物34获得，但是可以根据希望使用其它直径。应当理解，任何常规材料可以用于形成带状物34，例如钢、聚合物、石墨和复合材料。也应当理解，带状物34可根据希望具有任何形状和截面形状。带状物34与顶层30和底层32协作在它们之间限定多个流动通道40。每个带状物34的一部分与顶层30粘合，且每个带状物34的另一部分与底层32粘合。通过将带状物34加热至刚好低于其融化温度并冲压或辗轧顶层30、带状物34和底层32，带状物34与顶层30和底层32形成在一起。可替换地，顶层30和底层32可加热至刚好低于带状物34的融化温度并冲压或辗轧到带状物34。带状物34也可以用粘合剂(例如，B级环氧树脂、乙烯-醋酸乙烯酯、聚偏氟乙烯、压敏粘合剂)粘附到顶层30和底层32。
板28通过单独地组装板28的每个部件形成。可替换地，顶层30、底层32和带状物34可通过连续过程组装和粘附以形成板28。图5是根据本发明实施例形成板28的方法的示意图。形成顶层30的材料从第一源42提供。形成底层32的材料从第二源44提供。形成第一熔接棒36的材料从第三源46提供。应当理解，源42，44，46可以是散装材料卷，或源42，44，46是挤压并提供大致连续的相应材料供应的挤压机。
在所示实施例中，形成带状物34的材料也从第三源46提供，且从相同材料制成。然而，形成带状物34的材料可以根据希望从另一源提供并从不同材料制成。带状物34布置在顶层30和底层32之间以制成在它们之间具有流动通道40的隔开的细长带状物34阵列。有利的结果已经对具有以1.5mm到2.0mm间隔隔开的带状物34的板28获得，但是可以根据希望使用其它间隔。形成第二熔接棒38的材料也从第三源46提供。形成顶层30和底层32的材料由多个加热器48加热至低于形成熔接棒36，38和带状物34的材料的融化温度的温度。应当理解，熔接棒36，38和带状物34可由加热器48加热至低于融化温度的温度。也应当理解，在熔接棒36，38和带状物34上形成或与熔接棒36，38和带状物34挤压在一起的粘合剂可用于将顶层30和底层32粘附到其上。加热器48可以是任何常规加热设备，例如红外加热器、电加热器、气体加热器等。还应当理解，第二聚合物可以粘合到来自第三源46的材料以利于带状物34粘附到层30，32，或第二聚合物可与来自第三源46的材料挤压在一起以利于带状物34粘附到层30，32。
顶层30和底层32然后通过多个辗压机50与熔接棒36，38和带状物34冲压或辗轧在一起，以在它们之间形成大致不透流体的密封且形成板28。应当理解，膜(未示出)可根据希望辗轧和粘附到至少一个层30，32。板28通常允许在进一步处理之前冷却。进一步处理包括由第一切削设备52进行修整操作以修整板28至希望宽度，和由第二切削设备54进行修整操作以修整板28至希望长度。切削设备52，54可以是任何常规切削设备，例如剪切设备、喷水剪切设备等。板28的进一步处理也可以包括将粘附底层沉积到其上，电晕放电处理，和射频辉光放电。一旦完成进一步处理，板28可以在燃料电池系统中或根据希望以其他方式安装和使用。
因为层30，32直接粘附到熔接棒36，38和带状物34，排除了适于支撑层30，32和带状物34的腹板的需要。另外，板28的高度H和流动通道高度HC最小化。对于小于或等于0.63mm的板28的高度H和小于或等于0.43mm的流动通道高度HC来说，已经获得了有利的结果。然而，可以根据希望使用其它的高度H和流动通道高度HC。从板28排除腹板也使通道40的液压直径最大化且使制造板28的材料成本最小化。通过使板28的高度H最小化，更多的板28可以安装在水汽传递(WVT)单元以与燃料电池系统使用，或与公知的WVT单元相比，可以使用较小的WVT单元而不影响其性能。通过使WVT单元的尺寸最小化，燃料电池系统的成本和尺寸最小化。
操作中，湿侧板28靠近并垂直于干板(未示出)布置，以提供类似于图1所示的配置的穿越流动配置。然而，可以根据希望使用其它的配置，例如平行流动。膜(未示出)布置在湿板28和干板之间以形成增湿器单元。多个单元然后堆叠在WVT单元中。湿气体被促使流动通过在WVT单元湿侧板28中形成的通道40。湿气体从湿气体供应源接收。可以使用任何常规装置来输送湿气体给通道40，例如与通道40连通的供应集管(supply header)。湿气体可以根据希望从燃料电池系统的排气流供应。湿气体离开通道40到达排气。干燥气体被促使流动通过在干侧板中形成的通道。干燥气体从干燥气体供应源接收。可以使用任何常规装置来输送干燥气体给所述通道，例如与所述通道连通的供应集管。干燥气体然后离开在干侧板中形成的通道到达燃料电池系统的部件，例如压缩机(未示出)，或干燥气体可以排出给排气。
在湿气体流动通过通道40和干燥气体流动通过所述通道期间，从湿气体到干燥气体的水分子传输可以包括以下模式：A)在湿板28的通道40和干板的通道中的水汽的对流传质；B)通过湿板28的顶层30和底层32和干板的层的扩散传输；和C)借助于扩散通过所述膜的水汽传输。此外，如果在湿板28中的通道40和干侧板中的通道之间存在压力差，那么水借助于液压力传输通过膜。另外，如果湿气体流和干燥气体流处于不同的温度，那么从热流体到膜和从膜到冷流体的热传递也影响水的传输。水也以体相冷凝或蒸发(即，流体可包含夹杂的液体水RH>100％)。在与水溢出有关的湿气体和干燥气体之间也可存在焓交换。
本领域技术人员从前述说明可以容易地确定本发明的基本特性，在不用偏离其精神和范围的情况下可以对本发明进行各种修改和变型以适于各种用途和条件。
Claims (19)
1.一种用于燃料电池的膜增湿器的板，包括：
由扩散介质形成的大致平面的顶层；
由扩散介质形成的大致平面的底层；
大致平面的细长带状物阵列，所述细长带状物阵列布置在所述顶层和所述底层之间以在它们之间限定多个流动通道，所述带状物从聚合材料制成；和
第一熔接棒，第一熔接棒具有第一部分和第二部分，所述第一部分的厚度大于第二部分的厚度，所述第一熔接棒的第二部分夹在所述顶层和所述底层之间，其中第一部分的厚度等于所述板的高度，组合的第二部分的厚度、顶层的厚度和底层的厚度等于所述板的高度。
2.根据权利要求1所述的板，其特征在于还包括第二熔接棒，所述第二熔接棒的至少一部分布置在所述顶层和所述底层之间。
3.根据权利要求1所述的板，其特征在于，所述顶层和所述底层从玻璃纤维、碳纤维织物、和纸中的一种制成。
4.根据权利要求1所述的板，其特征在于，所述顶层和所述底层由玻璃基纸制成。
5.根据权利要求1所述的板，其特征在于，所述带状物从聚丙烯、聚乙烯、乙烯-丙稀共聚物、和聚丁烯中的一种制成。
6.根据权利要求1所述的板，其特征在于，所述带状物至少部分地粘附到所述顶层和所述底层。
7.根据权利要求6所述的板，其特征在于，所述带状物用粘合剂粘附到所述顶层和所述底层。
8.根据权利要求7所述的板，其特征在于，所述粘合剂是B级环氧树脂、乙烯-醋酸乙烯酯、聚偏氟乙烯、压敏粘合剂中的一种。
9.根据权利要求6所述的板，其特征在于，所述带状物被加热且与所述顶层和所述底层冲压在一起，以将所述带状物粘附到所述顶层和所述底层。
10.根据权利要求6所述的板，其特征在于，所述顶层和所述底层被加热且所述带状物与所述顶层和所述底层冲压在一起，以将所述带状物粘附到所述顶层和所述底层。
11.根据权利要求1所述的板，其特征在于，所述顶层、所述底层和所述带状物的组合高度为大约0.63毫米。
12.根据权利要求1所述的板，其特征在于，所述带状物具有大致圆形的截面形状。
13.一种用于燃料电池的膜增湿器的板，包括：
由扩散介质形成的大致平面的顶层；
由扩散介质形成的大致平面的底层；
大致平面的细长带状物阵列，所述细长带状物阵列布置在所述顶层和所述底层之间以在它们之间限定多个流动通道，所述带状物从聚合材料制成；
第一熔接棒，第一熔接棒具有第一部分和第二部分，所述第一部分的厚度大于第二部分的厚度，所述第二部分夹在所述顶层和所述底层之间，其中第一部分的厚度等于所述板的高度，组合的第二部分的厚度、顶层的厚度和底层的厚度等于所述板的高度；和
具有第一部分和第二部分的第二熔接棒，所述第一部分的厚度大于第二部分的厚度，所述第二部分夹在所述顶层和所述底层之间，其中第一部分的厚度等于所述板的高度，组合的第二部分的厚度、顶层的厚度和底层的厚度等于所述板的高度。
14.根据权利要求13所述的板，其特征在于，所述带状物用B级环氧树脂、乙烯-醋酸乙烯酯、聚偏氟乙烯、压敏粘合剂中的一种粘附到所述顶层和所述底层。
15.根据权利要求13所述的板，其特征在于，所述带状物被加热且与所述顶层和所述底层冲压在一起，以将所述带状物粘附到所述顶层和所述底层。
16.一种用于制造燃料电池系统的膜增湿器的板的方法，所述方法包括步骤：
设置由扩散介质形成的大致平面的顶层；
设置由扩散介质形成的大致平面的底层；
设置大致平面的细长带状物阵列，并将所述带状物布置在所述顶层和所述底层之间以在它们之间限定多个流动通道，所述带状物从聚合材料制成；和
将所述带状物粘附到所述顶层和所述底层；和
设置至少第一熔接棒，所述第一熔接棒具有第一部分和第二部分，所述第一部分的厚度大于第二部分的厚度，第二部分夹在所述顶层和所述底层之间，其中第一部分的厚度等于所述板的高度，组合的第二部分的厚度、顶层的厚度和底层的厚度等于所述板的高度。
17.根据权利要求16所述的方法，其特征在于还包括步骤：加热顶层和底层并将顶层和底层与带状物冲压在一起以将带状物粘附到其上。
18.根据权利要求16所述的方法，其特征在于还包括步骤：加热带状物并将带状物与顶层和底层在一起以将带状物粘附到其上。
19.根据权利要求16所述的方法，其特征在于还包括步骤：设置粘合剂以将所述带状物粘附到顶层和底层。
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