CN104103844A - 简化的燃料电池加湿器设计 - Google Patents

Abstract

本发明涉及简化的燃料电池加湿器设计。提供一种具有在湿侧和干侧之间的褶状隔离层的燃料电池加湿器。该燃料电池加湿器包括壳体，该壳体包括第一进口、第一出口、和允许第一气体流经加湿器的第一气体流动区。该燃料电池加湿器还包括第二进口和第二出口、以及允许第二气体流经加湿器的第二气体流动区。特有地，第一气体具有高于第二气体的相对湿度。褶状扩散介质将第一流动区与第二流动区隔离开，使得水从第一气体流动到第二气体，由此增加第二气体的相对湿度。

Description

简化的燃料电池加湿器设计

技术领域

本发明涉及燃料电池，更具体地涉及燃料电池的加湿。

背景技术

燃料电池在许多应用中被用作电源。特别是，燃料电池被推荐用于汽车以代替内燃发动机。通常所采用的燃料电池设计利用固体聚合物电解质(“SPE”)膜或质子交换膜(“PEM”)来提供阳极和阴极之间的离子传输。

在质子交换膜类型的燃料电池中，氢气被提供至阳极作为燃料并且氧气被提供至阴极作为氧化剂。氧气可以是纯氧形式(O₂)或者空气(O₂与N₂的混合物)。PEM燃料电池通常具有膜电极组件(“MEA”)，其中固体聚合物膜具有在其一面上的阳极催化剂和在相反面上的阴极催化剂。典型的PEM燃料电池的阳极层和阴极层是由多孔的导电材料(诸如编织石墨、石墨化片材、或碳纸)构成，以便使燃料能够分散在膜的面对燃料供给电极的表面上。各电极具有担载在碳颗粒上的细散催化剂颗粒(例如，铂颗粒)，用以促进在阳极处的氢气氧化和在阴极处的氧气还原。质子从阳极经过离子传导聚合物膜流动到阴极，在阴极处这些质子与氧气化合而形成水，该水被从电池中排出。MEA被夹在一对多孔的气体扩散层(“GDL”)之间，这对气体扩散层又被夹在一对非多孔的导电元件或导电板之间。这些导电板充当阳极和阴极的集电器，并且包括形成于其中的适当的通道和开口，这些通道和开口用于将燃料电池的气体反应剂分布在各自的阳极催化剂和阴极催化剂的表面上。为了高效率地产生电，PEM燃料电池的聚合物电解质膜必须是薄的、化学稳定的、质子传导的、非导电的且不透气的。在典型的应用中，燃料电池是以许多独立燃料电池堆的阵列而提供，从而提供高水平的电功率。

燃料电池中所使用的内部膜通常维持在湿润状态。这有助于避免膜损伤或膜使用寿命缩短，以及维持期望的运行效率。例如，该膜的较低含水量导致较高的质子传导阻力，因而导致较高的欧姆电压损失。为了在膜中，特别是在进口区域中，维持足够的含水量，理想的是对进料气体进行加湿，特别是阴极进口。Goebel等人的共同拥有的美国专利申请序列号10/797,671、Sennoun等人的共同拥有的美国专利申请序列号 10/912,298、和Forte的共同拥有的美国专利申请序列号11/087,911中论述了燃料电池中的加湿，各专利申请的全部内容以参考的方式并入本文中。

为了维持期望的水分含量，常常将空气加湿器应用于加湿燃料电池中所使用的空气流。空气加湿器通常由圆型或箱型空气加湿组件所组成，该空气加湿组件被安装入空气加湿器的壳体内。Tanihara等人的美国专利申请序列号10/516,483、和美国专利第6,471,195号中示出并描述了此类型空气加湿器的例子，上述各文献的全部内容以参考的方式并入本文中。

膜加湿器也已被用于满足燃料电池加湿要求。就汽车燃料电池加湿用途而言，这种膜加湿器必须是紧凑的、显示低压力降，并且具有高性能特性。

膜加湿器的设计要求传质阻力与压力降之间的平衡。为了将水从湿侧经过膜传输至干侧，水分子必须克服以下阻力的某一组合：在湿和干流道中的对流传质阻力、经过膜的扩散传输阻力、和经过膜支撑材料的扩散传输阻力。紧凑的高性能膜加湿器通常要求具有高水传输速率(即，GPU在10,000-16,000的范围)的膜材料。GPU或气体透过单位是分压标准化通量，其中1 GPU=10-6 cm³(STP)/(cm² sec cm Hg)。结果，使湿流道和干流道以及膜支撑材料中的传输阻力最小化变为设计的焦点。

因此，对用于加湿燃料电池的改进的材料和方法论存在着需求。

发明内容

在至少一个方面，本发明通过提供一种具有在湿侧和干侧之间的褶状隔离物的燃料电池加湿器组件而解决现有技术中的一个或多个问题。燃料电池加湿器组件包括壳体，该壳体具有第一进口、第一出口、和允许第一气体流经加湿器的第一气体流动区。该壳体还具有第二进口、第二出口、和允许第二气体流经加湿器的第二气体流动区。特有地，第一气体具有高于第二气体的相对湿度。褶状隔离物将第一流动区与第二流动区隔离开，使得水从第一气体流动到第二气体，由此增加第二气体的相对湿度。 

在另一个实施例中，提供一种燃料电池加湿器组件。该燃料电池加湿器组件包括壳体，该壳体具有第一进口、第一出口、和允许第一气体流经加湿器的第一气体流动区。该壳体还具有第二进口、第二出口、和允许第二气体流经加湿器的第二气体流动区。特有地，第一气体具有高于第二气体的相对湿度。燃料电池加湿器还包括将第一流动区与第二流动区隔离的褶状隔离物。该褶状隔离物包括扩散介质片和设置在该扩散介质片上的水传递层，使得水从第一气体流动到第二气体，由此增加第二气体的相对湿度。该褶状隔离物还包括设置在其上面的多个肋。

在另一个实施例中，提供一种用于制作上述燃料电池加湿器的方法。该方法包括将水传递层粘附到扩散介质片上以形成水传递层-扩散介质片组合的步骤。将端部密封凸条施加到水传递层-扩散介质片组合上。将水传递层-扩散介质片组合折叠以形成褶状隔离物，同时端部密封凸条连接以形成端部密封。该褶状隔离物限定在第一流动区中的第一组流道和在第二流动区中的第二组流道。通常将褶状隔离物布置在壳体的内部，该壳体具有第一进口、第一出口、和允许第一气体流经加湿器的第一气体流动区。该壳体还包括第二进口、第二出口、和允许第二气体流经加湿器的第二气体流动区。

本发明提供以下技术方案：

1. 一种燃料电池加湿器组件，包括：

壳体，所述壳体包括第一进口、第一出口、和允许第一气体流经所述加湿器的第一气体流动区，所述壳体还包括第二进口、第二出口、和允许第二气体流经所述加湿器的第二气体流动区，所述第一气体具有高于所述第二气体的相对湿度；以及

褶状隔离物，所述褶状隔离物将所述第一流动区与所述第二流动区隔离开，使得水从所述第一气体流动到所述第二气体，由此增加所述第二气体的相对湿度。

2. 如方案1所述的燃料电池加湿器组件，其中所述褶状 隔离物包括多个折叠，所述折叠限定在所述第一流动区中的第一组流道和在所述第二流动区中的第二组流道。

3. 如方案1所述的燃料电池加湿器组件，其中所述第一组流道和所述第二组流道的流道具有V形或U形的截面。

4. 如方案1所述的燃料电池加湿器组件，其中所述褶状 隔离物包括扩散介质片。

5. 如方案4所述的燃料电池加湿器组件，其中所述褶状隔离物还包括设置在所述褶状扩散介质片之上的水传递层，所述水传递层接触所述第二流动区。

6. 如方案5所述的燃料电池加湿器组件，其中所述水传递层包括离聚物膜或非离聚物膜。

7. 如方案6所述的燃料电池加湿器组件，其中所述水传递层包含全氟磺酸聚合物。

8. 如方案4所述的燃料电池加湿器组件，其中所述扩散介质片包括选自由碳纸、编织聚合物网或由芳香族聚酯聚合物所制成的多孔纺粘介质及其组合组成的组的成分。

9. 如方案1所述的燃料电池加湿器组件，其中所述褶状 隔离物包括单个组件，所述组件具有扩散介质和水传递层的功能。

10. 如方案1所述的燃料电池加湿器组件，其中在所述第一组流道和所述第二组流道中的流道包括肋，所述肋确保所述流道保持打开以便于流动。

11. 如方案10所述的燃料电池加湿器组件，其中所述肋包含在其中设置有固体颗粒的固化树脂。

12. 如方案9所述的燃料电池加湿器组件，其中所述肋被压印在所述褶状隔离物中。

13. 如方案1所述的燃料电池加湿器组件，还包括在所述第一组流道和所述第二组流道的端部的端部密封。

14. 如方案1所述的燃料电池加湿器组件，还包括固定所述褶状扩散介质的封装边缘。

15. 燃料电池加湿器组件，包括：

壳体，所述壳体具有第一进口、第一出口、和允许第一气体流经所述加湿器的第一气体流动区，以及第二进口、第二出口、和允许第二气体流经所述加湿器的第二气体流动区，所述第一气体具有高于所述第二气体的相对湿度；以及

将所述第一流动区与所述第二流动区隔离开的褶状隔离物，所述褶状隔离物包括扩散介质片和设置在所述扩散介质片上的水传递层，使得水从所述第一气体流动到所述第二气体，由此增加所述第二气体的相对湿度，所述褶状隔离物还包括设置在其上的多个肋。

16. 一种用于制作燃料电池加湿器的方法，所述方法包括：

将水传递层粘附到扩散介质片上以形成水传递层-扩散介质片组合；

将端部密封凸条施加到所述水传递层-扩散介质片组合上；以及

将所述水传递层-扩散介质片组合折叠以形成褶状隔离物，同时所述端部密封凸条连接以形成端部密封，所述褶状隔离物限定在所述第一流动区中的第一组流道、和在所述第二流动区中的第二组流道。

17. 如方案16所述的方法，还包括将封装边缘施加到所述褶状隔离物的外周。

18. 如方案17所述的方法，还包括将所述褶状隔离物布置在壳体中，所述壳体具有第一进口、第一出口、和允许第一气体流经所述加湿器的第一气体流动区，以及第二进口、第二出口、和允许第二气体流经所述加湿器的第二气体流动区，所述第一气体具有高于所述第二气体的相对湿度。

19. 如方案17所述的方法，还包括将多个肋施加到所述水传递层，所述多个肋包含具有设置在其中的固体颗粒的固化树脂。

20. 如方案17所述的方法，还包括将所述隔离物定位在支撑框架上。

附图说明

基于详细说明和附图，将更全面地理解本发明的示例性实施例，在附图中：

图1提供燃料电池系统的示意图，该燃料电池系统包括用于将流动到燃料电池堆的阴极进口空气流加湿的膜加湿器组件。

图2提供燃料电池加湿器的透视图。

图3提供图2的燃料电池加湿器中所使用的隔离物的透视图。

图4提供图2的燃料电池加湿器中所使用的隔离物的截面图。

图5A、图5B和图5C提供用于形成图2至图4的燃料电池加湿器的方法的示意性流程图。

图6提供用于形成燃料电池加湿器的装置的示意图。

图7提供显示包含用于褶状隔离物的支撑框架的示意图。

具体实施方式

现在将详细参考本发明的优选组成、实施例和方法，这些构成了本发明人目前所了解的用于实施本发明的最佳方式。这些附图不必按比例绘制。然而，应当理解的是，所公开的实施例仅仅是本发明的示例，本发明可以各种形式和替代形式被具体化。因此，本文中公开的具体细节不应被理解成限制本发明，而只应被理解成本发明任何方面的代表性基础并且/或者被理解成用于教示本领域技术人员以多种方式利用本发明的代表性基础。

除了在实例中、或者否则在明确说明的情况下，在本说明书中表示材料的量或反应状态和/或用途的所有数量应被理解成在描述本发明的最宽泛范围时被词语“大约”所修饰。在所述数值极限内的实施通常是优选的。另外，除非明确地描述成相反的情况：百分比、“份”、和比值是按重量计算；术语“聚合物”包括“低聚物”、“共聚物”、“三元共聚物”等；将一组或一类材料描述成对于与本发明相关的给定目的是合适的或者优选的，意味着该组或该类材料的任意二个或更多成员的混合物是同等地合适的或优选的；按化学术语对各成分的描述是指在添加到本说明书中详述的任何组合中时的成分，并且未必排除一旦混合后在混合物中的成分之间的化学相互作用；首字母缩略词或其它缩略语的第一次定义应用于相同缩略语在本文中的所有随后的使用，并且将已作必要的变更应用到最初定义的缩略语的正常语法变体中；并且，除非明确地描述成相反的情况，性能的测量是利用相同技术来确定，如前面或后面关于相同性能所提及的。

还应当理解的是，由于具体的部件和/或条件当然可以有变化，所以本发明并不局限于下述的具体实施例和方法。此外，本文中使用的术语仅仅是用于描述本发明具体实施例的目的，而并非意图以任何方式限制本发明。

还必须指出的是，除非上下文另有明确说明，本说明书和所附权利要求中使用的单数形式“一”、“一个”和“该”包括复数的所指对象。例如，以单数形式对一个部件的引述意图包括多个部件。

在本申请的全文中，在引述出版物的情况下，这些出版物的全部公开内容以参考的方式并入本申请中，以便更充分地描述本发明所属领域的状态。

参照图1，提供包括膜加湿器组件的燃料电池系统的示意图。燃料电池系统10包括燃料电池堆12。压缩机14提供到在阴极输入管线16上的燃料电池堆12的阴极侧的空气流。来自压缩机14的空气流被传送经过膜加湿器组件18以便被加湿。阴极排气在阴极输出管线20上从燃料电池堆12被输出。阴极排气包含相当大量的水蒸气和/或液态水作为燃料电池堆12中电化学过程的副产物。正如本领域中众所周知的，可以将阴极排气传送至膜加湿器组件18从而为在管线16上的阴极进口空气提供加湿。

参照图2、图3和图4，提供图1的燃料电池系统中所使用的燃料电池加湿器组件的示意图。在此实施例中，褶状隔离层位于湿侧和干侧之间。燃料电池加湿器组件18包括壳体20，该壳体20具有第一进口22、第一出口24、和允许第一气体如箭头28所示流经加湿器的第一气体流动区26(湿测)。燃料电池加湿器组件18还包括第二进口30和第二出口32、以及允许第二气体如箭头36所示流经加湿器的第二气体流动区34(干侧)。特有地，第一气体具有高于第二气体的相对湿度(例如，含水量)。因此，第一气体被称为湿气体,第二气体被称为干气体。就燃料电池用途而言，第一气体和第二气体通常是含氧气体诸如空气。褶状隔离物38将第一流动区26与第二流动区34隔离。褶状隔离物38允许水从第一气体传递到第二气体，由此增加第二气体的相对湿度(例如，含水量)。褶状隔离物38包括用于此目的的扩散介质39。

仍然参照图2、图3和图4，褶状隔离物38包括多个折叠40，这些折叠40限定在第一流动区26中的第一组流道42和在第二流动区34中的第二组流道44。在一个改进例中，第一组流道42和第二组流道44具有V形或U形的截面。在另一个改进例中，水传递层50被设置在褶状扩散介质36之上并且接触第二流动区。在一个改进例中，水传递层50包括离聚物膜或非离聚物膜。可构成水传递层50的合适离聚物的例子包括、但不限于全氟磺酸聚合物。在另一个改进例中，褶状扩散介质36包括选自由碳纸、编织聚合物网或者由芳香族聚酯聚合物(诸如液晶聚合物(LCP)、聚邻苯二甲酰胺(PPA)等)所制成的多孔纺粘介质组成的组的成分。在另一个改进例中，褶状隔离物38包括单个组件，该组件具有扩散介质和水传递层的功能。如图4中所示，隔离物38包括肋52，该肋52确保流道保持开放以便于流动。在一个改进例中，肋52包含其中放置有固体间隔颗粒(例如，玻璃球)的耐水的固化树脂。在另一个改进例中，肋52被压印在隔离物38上。端部密封54位于第一组流道和/或第二组流道的端部。在一些改进例中，封装边缘56将隔离物固定在位。用于封装边缘56的合适材料的例子包括硅酮或其它耐水橡胶树脂。

参照图5A、图5B、图5C和图6，提供显示用于制作上述燃料电池加湿器隔离物的方法的示意图。图5A、图5B和图5C提供该方法的示意性流程图，而图6提供用于形成隔离物的装置的示意图。在步骤a)中，利用从涂敷器62施加的胶粘剂60将水传递层50粘附在扩散介质片39上，以形成水传递层-扩散介质片组合60。从辊64中提供水传递层50，同时从辊66中提供扩散介质片39，同时惰轮68帮助将水传递层50放置在扩散介质片39上。在步骤b)中，从涂敷器72中将端部密封凸条70施加到水扩散层50上。端部密封凸条70包含粘合树脂和任选的固体间隔颗粒(例如，玻璃球)。在将水传递层-扩散介质片组合60折叠时，端部密封凸条70形成上述的端部密封74。在步骤c)，从涂敷器78中将肋凸条76施加到水传递层-扩散介质片组合60上以形成肋条52(图4)。在步骤d)中，从涂敷器82中将端部密封凸条80施加在水传递层50的端部以便在折叠后形成端部密封54。端部密封凸条80包含粘合树脂。在步骤e)中，将水传递层-扩散介质片组合60折叠以形成隔离物38，由此形成在第一流动区中的第一组流道和在第二流动区中的第二组流道，如上所述。在步骤f)中，将封装边缘56施加到隔离物38的外周周围。最后，在步骤g)中将隔离物布置在壳体20内。

参照图7，提供显示包含用于褶状隔离物的支撑框架的示意图。在步骤h)中，将支撑格栅90弯曲成支撑框架92。通常，支撑格栅90和因此支撑框架92是由柔性金属(诸如铝)形成。然后，将隔离物90定位在支撑框架92上以形成支撑框架-隔离物组合94。

虽然上面描述了示例性实施例，但这些实施例并非意图描述本发明的所有可能形式。相反，本说明书中所使用的词语是描述性的而并非限制性的词语，应当理解的是在不背离本发明的精神和范围的情况下可以作出各种变化。另外，可以将各种实施例的特征加以组合以形成本发明的另外的实施例。

Claims (10)

1.一种燃料电池加湿器组件，包括：

壳体，所述壳体包括第一进口、第一出口、和允许第一气体流经所述加湿器的第一气体流动区，所述壳体还包括第二进口、第二出口、和允许第二气体流经所述加湿器的第二气体流动区，所述第一气体具有高于所述第二气体的相对湿度；以及

褶状隔离物，所述褶状隔离物将所述第一流动区与所述第二流动区隔离开，使得水从所述第一气体流动到所述第二气体，由此增加所述第二气体的相对湿度。

2.如权利要求1所述的燃料电池加湿器组件，其中所述褶状 隔离物包括多个折叠，所述折叠限定在所述第一流动区中的第一组流道和在所述第二流动区中的第二组流道。

3.如权利要求1所述的燃料电池加湿器组件，其中所述第一组流道和所述第二组流道的流道具有V形或U形的截面。

4.如权利要求1所述的燃料电池加湿器组件，其中所述褶状 隔离物包括扩散介质片。

5.如权利要求4所述的燃料电池加湿器组件，其中所述褶状隔离物还包括设置在所述褶状扩散介质片之上的水传递层，所述水传递层接触所述第二流动区。

6.如权利要求5所述的燃料电池加湿器组件，其中所述水传递层包括离聚物膜或非离聚物膜。

7.如权利要求6所述的燃料电池加湿器组件，其中所述水传递层包含全氟磺酸聚合物。

8.如权利要求4所述的燃料电池加湿器组件，其中所述扩散介质片包括选自由碳纸、编织聚合物网或由芳香族聚酯聚合物所制成的多孔纺粘介质及其组合组成的组的成分。

9.燃料电池加湿器组件，包括：

壳体，所述壳体具有第一进口、第一出口、和允许第一气体流经所述加湿器的第一气体流动区，以及第二进口、第二出口、和允许第二气体流经所述加湿器的第二气体流动区，所述第一气体具有高于所述第二气体的相对湿度；以及

将所述第一流动区与所述第二流动区隔离开的褶状隔离物，所述褶状隔离物包括扩散介质片和设置在所述扩散介质片上的水传递层，使得水从所述第一气体流动到所述第二气体，由此增加所述第二气体的相对湿度，所述褶状隔离物还包括设置在其上的多个肋。

10.一种用于制作燃料电池加湿器的方法，所述方法包括：

将水传递层粘附到扩散介质片上以形成水传递层-扩散介质片组合；

将端部密封凸条施加到所述水传递层-扩散介质片组合上；以及

将所述水传递层-扩散介质片组合折叠以形成褶状隔离物，同时所述端部密封凸条连接以形成端部密封，所述褶状隔离物限定在所述第一流动区中的第一组流道、和在所述第二流动区中的第二组流道。