CN1142007C - 用于燃料电池发电设备的物质传递复合膜片 - Google Patents

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Abstract

与燃料电池发电设备(10)一起使用的物质传输复合膜片(12)包括在相对的刚性、多孔支持薄层(64，66)之间的传输媒介核心(62)。引入表面(54)与来自燃料电池(13)的排气通道(40)接触以恢复物质并把物质传输到进入燃料电池(13)的氧化剂引入流(38)。优选的传输媒介核心(62)是含离子键的膜片，如水饱和的聚氟磺酸离子键膜片。物质传输复合膜片(12)可以是限定突起和凹陷的平坦的或模压层，大量这种层以镜面图像关系被设置在框体(46)内，其中相邻的膜片的压模形成的突起和凹陷相互接触以限定用于引入流(IS)和排气流(ES)的蛇纹状通道。

Description

用于燃料电池发电设备的物质传递复合膜片
技术领域
本发明涉及在大约环境压力下操作并且适合于在运输工具中使用的燃料电池发电设备，如便携发电设备或静止发电设备，并且本发明尤其涉及把诸如从该设备中排除的水蒸气这样的物质传递回到该设备以增进该设备的水份平衡和能量效率的燃料电池发电设备。
发明背景
燃料电池发电设备是公知的并且通常用于还原和氧化流体来产生电能，以用于电能装置，如运输工具航天器。在这种发电设备中，大量平面燃料电池通常被成堆设置，以电绝缘的框架靠包围该堆，其中框架限定了用于引导还原、氧化、冷却及生成物流体的流动的多叉管。各个电池通常包括由电解质分开的阳极和阴极。反应物或还原流体，如氢，被提供给阳极，并且氧化剂，如氧或空气被提供给阴极。在把质子交换膜片用作电解质的电池中，氢在阳极催化剂的表面电化学反应，产生氢离子和质子。把电子引导到外部负载电路并且然后返回到阴极，同时，氢离子传输过电解质到达阴极，在那里它们与氧化剂和电子反应，产生水并释放热能。
这种燃料电池的阳极和阴极由不同类型的电解质分开，这取决于燃料电池的操作条件和工作环境的限制。一种这样的电解质是质子交换膜片(“PEM”)电解质，其公知由固体聚合物构成。其它用于燃料电池的常见电解质包括维持在阳极和阴极之间的多孔的非传导性基体中的磷酸或氢氧化钾。已经发现在满足特定操作参数方面PEM电池具有比液体酸或碱电解质本质上优越性，因为PEM膜片在还原流体与氧化剂之间提供隔离物，其比通过毛细管力维持在多孔基体中的液体电解质更能容忍压力差动。另外，PEM电解质被固定，不能从电池浸出，并且膜片具有相对稳定的保水力。但是，众所周知，PEM电池有明显的限制，尤其在液体水向PEM的传输和从PEM的脱离方面以及在把还原气体和氧化流体同时传输到以及传输离开与PEM的相对的表面相邻的电极方面有明显限制。已有技术包括很多工作，以把这些限制最小化。
在使用PEM的燃料电池的操作中，膜片水饱和，并且与膜片相邻的阳极必须保持湿润。由于产生在阳极处的氢离子传输过电解质，它们把水分子与它们自身一起从阳极拖到阴极。水还通过渗透从阴极传输回到阳极。在阴极处形成的产物水通过蒸发或夹带被移入氧化剂循环气流，或通过毛细作用浸入或经过与阴极相邻的多孔流体传输层。多孔水传输板把液态水从冷却水源提供到阳极，并且把水从将其返回的阴极移到冷却水源和该传输板，从而也用来把热量从电解质和电极移开。
在PEM燃料电池操作中，关键是在阴极处产生水的速率与把水移离阴极并且把液态水提供给阳极的速率之间保持适当的水平衡。当从电池到外部负载电路引出的电流变化并且电池的操作环境变化时，燃料电池性能的操作极限由电池维持水平衡的能力限定。对于PEM燃料电池，如果没有足够的水被返回到阳极，PEM电解质的相邻部分枯竭，从而降低氢离子经PEM传输的速率，还导致还原流体的过渡(cross-over)，致使局部过热。类似地，如果从阳极移去的水不足，阴极会水过多，有效地限制向阴极提供的氧化剂，从而降低电流。另外，如果通过氧化剂气流把太多的水从附极移出，则阴极枯竭，限制了氢离子通过PEM的能力，从而降低电池性能。
由于燃料电池已经被集成到电力运输工具，如汽车、卡车、公共汽车等上安装的发电设备中，由于各种因素在发电设备中维持高效的水平衡成为了更大的挑战。例如，对静止燃料电池发电设备，水份从发电设备的流失可通过从与该设备独立的源向该设备提供水来替代。但是对于运输工具，为把燃料电池发电设备的重量和空间要求降低到最小，该设备必须能水份自足。水份自足意味着足够的水必须被维持在该设备中来补偿反应流体流带来的损失，以高效地操作该设备。例如，经由气态氧化剂的阴极排气流和/或气态还原流体的阳极排气流构成的设备排气流排除该设备的水必须由阴极处电化学反应产生的水平衡，并被维持在该设备内。
加强用于运输工具中的燃料电池发电设备的水平衡的一个方法是对电池和相关组件增压以提高高压气体流中的反应浓度，从而降低经设备排气流的水损失。但是，这种增压燃料电池发电设备要求附加成本、重量和控制装置，以提供适当的压力环境与控制，并且增压的设备要求从该设备得到的附加的能量，以操作增压泵、阀、扇等，这对于便携发电设备是不实际的。
另一个加强水平衡的方法是使用发电设备排气流的下游的冷凝热交换器，其中排气流被冷却到露点温度或以下，以从排气流凝结出液体，从而液体可被返回到发电设备。使用冷凝热交换器的PEM燃料电池发电设备的一个例子如1996年11月12日颁布给Van Dine等人的并转让给本发明的受让人的US专利No.5,573,866所示，该专利这里引入为参考。使用一个或多个冷凝热交换器的多个其它燃料电池发电设备技术上是已知的，它们通常使用周围空气流作为通过交换器的冷却流体，来冷却设备排气流。在Van Dine等人的专利中，热交换器被用于冷却排除容纳阴极的阴极室的排气流。在浸入阴极壳体之前，该流体提供空气作为阴极的氧化剂，并且一离开该室，该流包括蒸发的产物水和一部分甲醇、通过PEM的还原流体。冷凝热交换器通过与冷却周围空气流有热交换关系的阴极排气流，之后，间接地通过管道系统把冷凝的甲醇和水引回到电池的阳极侧。
尽管冷凝热交换器已经加强了水平衡和周围的能量效率并对燃料电池发电设备增压，随着周围温度升高，冷凝热交换器反而降低水恢复效率。在发电设备对运输工具，如汽车供电时，该设备将被暴露于极宽的范围的周围温度。例如，在周围空气冷却流通过热交换器时，交换器的性能将作为周围空气的温度的直接函数而改变，因为随着周围空气温度升高，从发电设备排气流凝结出的液体的量降低。
另一种设计来用在运输工具中的复杂的已知燃料电池发电设备也与周围空气条件的波动相关。这种设备的燃料电池通常使用周围空气作为引向阴极的氧化剂。热干燥周围空气增加了阴极干透的风险性。因此，进行了很多努力来防止尤其是PEM燃料电池中的阴极和相邻的电解质的干透，包括：把从冷凝热交换器冷凝出的液体引入以使浸入电池的气态反应物和氧化剂流潮湿；在与电极相通的流体中添加多孔支持层和水传输板，以经相邻的电池移动冷却水；以及在电池的阳极侧产生压力差动，其中气态还原流体被维持在比通过与还原气体分布通道相邻的多孔支持层的冷却水和阳极提供的水稍高的压力下，从而压力差动有助于水经多孔支持层和电池传输。维持有效的水平衡的这种努力包括附加成本、重量和体积，并且常常要求复杂的控制装置。
因此，已知的增压设备和使用周围空气作为阴极氧化剂或把周围空气使用于冷凝热交换器的设备由于上述特征不能最大化有效的水平衡并且不能最小化操作能量要求。因此，非常需要制造一种燃料电池供电设备，其实现整个设备的有效的水平衡并且最小化设备操作能量要求。
发明的公开
公开了一种与燃料电池发电设备一起使用的物质传输复合膜片。物质传输复合膜片包括相对的坚硬多孔支持薄层(sheet)之间的传输媒介核心，其中复合膜片的引入表面定位成与燃料电池发电设备的氧化剂引入流接触，把复合膜片的相对的排气表面定位成与退出燃料电池发电设备的排气流接触。传输媒介核心可包括用于从由极性和非极性分子构成的流体流中吸附如水分子的极性分子构成的流体物质的各种形式的材料的任何一种。优选的传输媒介核心是含离子键的膜片，如水饱和的聚氟磺酸离子键膜片。多孔的支持薄层可包括带有热固树脂的强化纤维，如带有酚醛树脂的碳薄层，或带有环氧树脂的玻璃纤维，其中薄层被热固化为刚性结构。
物质传输复合膜片可被设置在与燃料电池发电设备引入和排气流相通的物质传输设备的框体内，从而该框体限制了引入流和排气流的大量混合。框体可限定多叉管、通路和封层，以把引入和排气流引导成与复合膜片接触，或将其引导出框体外。或者，多叉管可在框体外部。物质传输复合膜片可以是限定突起和凹陷的平坦或模压(mounded)的层。大量模压层膜片可以以镜面图像关系设置在框体内，其中相邻的膜片的模压形成的突起和凹陷彼此接触。在这种镜面图像关系中，模压的物质交换复合膜片合作来相互结构支持，用于加强通过相邻的模之间限定的通路的流体的混合，并用于提高每一单位体积的框体暴露于流体的膜片的表面面积。
在使用根据本发明的物质交换复合膜片的燃料电池发电设备的操作中，传递到燃料电池之前的氧化剂引入流经框体被引导成与膜片的引入表面接触，同时排气流被通过该框架引导成与该膜片的排气表面接触。排气流中的水分子和任何其它极性分子(如甲醇)将选择地传输过传输媒介核心，并进入引入流，以帮助湿润和加热引入流，从而有助于通过限制电池的水损失保持燃料电池内的水平衡。
因此，本发明的通常的目的是提供一种与燃料电池发电设备一起使用的物质传输复合膜片，其克服了已有技术的燃料电池发电设备的不足。
更具体的目标是提供一种用在燃料电池发电设备的物质传输设备内的物质传输复合膜片，其与周围空气条件无关地把热量、水和燃料从设备排气流传输到设备引入流。
还有一个目的是提供一种用在燃料电池发电设备的物质传输设备内的物质传输复合膜片，其在物质传输设备中可忍受大的压力波动。
根据本发明的一个方面，提供一种用于燃料电池发电设备的物质传输复合膜片，具有把氧化剂引入流引导到燃料电池的氧化剂通道并具有把排气流引导出燃料电池的设备排气通道，复合膜片包括：
a：传输媒介核心装置，用于选择地从排气流中吸附极性分子构成的流体物质，并用于解除吸附由极性分子构成的流体物质而成为氧化剂引入流；
b：第一与第二刚性、多孔、支持薄层，设置在传输媒介核心装置的相对侧并刚性支持传输媒介核心装置，其中第一支持薄层的外表面限定物质传输复合膜片的引入表面，第二支持薄层的外表面限定膜片的排气表面；
c：框体装置，用于支持与氧化剂通道和设备排气通道进行流体交换的物质传输复合膜片，并用于支持与氧化剂引入流和设备排气流成物质传输关系的膜片，从而使得引入流与膜片的引入表面接触，排气流与膜片的排气表面接触。
优选地，其中框体装置包括多叉管装置，用于把氧化剂引入流引导成与物质传输复合膜片的引入表面接触或引导出不与物质传输复合膜片的引入表面接触，用于把排气流引导成与膜片的排气表面接触或引导出不与膜片的排气表面接触，用于防止引入和排气流的混合。
根据本发明的另一个方面，提供一种用于燃料电池发电设备的物质传输复合膜片，具有把氧化剂引入流引导到燃料电池的氧化剂通道并具有把排气流引导出燃料电池的设备排气通道，复合膜片包括：
a：传输媒介核心装置，用于选择地从排气流中吸附极性分子构成的流体物质，并用于解除吸附由极性分子构成的流体物质而成为氧化剂引入流；
b：第一与第二刚性、多孔、支持薄层，设置在传输媒介核心装置的相对侧并刚性支持传输媒介核心装置，其中第一支持薄层的外表面限定物质传输复合膜片的引入表面，第二支持薄层的外表面限定膜片的排气表面；
c：物质传输复合膜片形成到设置成镜面图像关系的大量的模压层复合膜片中，使得第一模压层的至少一个突起与相邻的第二模压层的至少一个凹陷接触以限定各层之间的引入流和排气流通道；
d：框体装置，用于支持与氧化剂通道和设备排气通道进行流体交换的模压层复合膜片，并用于支持与氧化剂引入流和设备排气流成物质传输关系的膜片，从而使得引入流与膜片的引入表面接触，排气流与膜片的排气表面接触。
优选地，其中框体装置包括多叉管装置，用于把氧化剂引入流引导成与物质传输复合膜片的引入表面接触或引导出不与物质传输复合膜片的引入表面接触，用于把排气流引导成与膜片的排气表面接触或引导出不与膜片的排气表面接触，用于防止引入和排气流的混合。
按照本发明的再一个方面，提供一种从离开燃料电池发电设备的燃料电池的流体的设备排气流恢复物质并把恢复的物质返回到进入燃料电池的氧化剂引入流的方法，该方法包括步骤：
a：经刚性支持传输媒介核心的物质传输复合膜片的第一刚性、多孔、支持薄层传递排气流，该核心用于选择地从排气流中吸附极性分子构成的流体物质，并用于解除吸附由极性分子构成的流体物质而成为氧化剂引入流；
b：经相对于第一支持薄层的第二刚性、多孔、支持薄层传递氧化剂引入流，其中传输媒介核心被设置在第一和第二支持薄层之间并被它们支持，从而从排气流中吸附的极性分子经第二支持薄层被解除吸附，成为氧化剂引入流；以及
c：把氧化剂引入流引导到燃料电池中。
当联系附图阅读下面的说明时，本发明的这些和其它目标变得更明显。
附图的简要描述
图1是本发明的物质传输复合膜片在燃料电池发电设备的物质传输设备内的简单表示；
图2A是本发明的物质传输复合膜片的第一实施例的剖面图；
图2B是本发明的物质传输复合膜片的第二实施例的剖面图；
图3是表示出在框体肩部上支持的膜片的本发明的物质传输复合膜片的模压层实施例的剖面图；
图4是图3的模压层物质传输复合膜片和框体肩部的部分(fragmentary)透视图；
图5是沿着图6的线5-5的大量以镜面图像关系支持在框体内的模压层物质传输复合膜片的侧剖面图；
图6是用于容纳大量模压层物质传输复合膜片的物质传输设备的框体的顶剖面图。
实施本发明的最佳模式
具体参考附图，在图1中简单表示出燃料电池发电设备并且通常以参考序号10表示，作为用于本发明的物质传输复合膜片12的适当的工作环境。发电设备10包括至少一个燃料电池13和支持膜片12的物质传输设备14。燃料电池13包括如质子交换膜片(“PEM”)或酸或具有第一主表面18和相对的第二主表面20的基底电解质的电解质16；由多孔阳极支持层24支持的与电解质16的第一主表面18紧密接触的阳极22；由多孔阳极支持层28支持的与电解质16的第二主表面20紧密接触的阴极26。阳极和阴极多孔支持层24，28可由多孔或开槽的石墨、碳或金属薄层构成。燃料电池13可与另一个实际相同的燃料电池(未示出)以公知方式结合，来形成一个电池堆。如已有技术中常见的那样，可把燃料电池13封闭在结构30中，该结构限定用于把还原流体和氧化剂流引导进或引导出电池的多叉管，该结构30还包括导电装置，用于把燃料电池产生的电流引导出电池13，到达用电设备32，如通过一个标准外部负载电路34来进行。
诸如空气的氧化剂或引入流经主要氧化剂通道38从氧化剂源36被引入燃料电池13，该通道把氧化剂流传送到多孔阴极支持层28中，使得氧化剂通过并与阴极26接触，以向阴极26提供氧化剂，用于促进阴极处的电化学反应并通过蒸发和/或夹带把在阴极26处形成的水以及电解质16从阳极22携带来的水或氧化剂流中的任何加湿的水扫入氧化剂流中。之后氧化剂流作为设备排气通道40内的设备排气流流出阴极支持层28。设备排气通道可在这种流通过辅助燃烧器(未示出)之后引导阳极排气流。因此，设备排气流可包括流出阴极支持层的阴极排气流或流经辅助燃烧器的阳极排气流，或阴极与阳极排气流的组合。还原流体流从还原流体提供源42经还原流体入口44被引导到多孔阳极支持层24，从而诸如氢的还原流体变为与阳极22接触。以公知方式，在阳极22处还原流体电化学反应，以产生质子和电子，其中电子流经外部负载电路34，对如对运输工具供电的电机的电设备32供电，同时，质子途径电解质16到达阴极26。然后电子继续经电路34到达阴极，在那里，它们与氧化剂和质子反应，形成水和热。
物质传输设备14被固定于与主氧化剂通道38和设备排气通道40连通的流体中。物质传输设备14包括用于支持与氧化剂引入流和设备排气流成物质传输关系的物质传输复合膜片12、并用于防止引入和排气流之间的大量混合的框体装置46。框体装置可在框体的引入通道48与框体的排气通道50之间支持膜片12。引入通道48把氧化剂或引入流从引入流供给管道52引导过物质传输复合膜片12的引入表面54并引出框体46而进入主氧化剂通道38。框体46的排气通道50把设备排气流从设备排气通道40经膜片12的排气表面56引导出框体46，并经设备排放口58离开设备10。从而框体46的引入和排气通道48，50与物质传输复合膜片12合作来限制氧化剂引入和设备排气流之间的大量混合并把膜片12定位成与引入和排气流有物质传输关系。燃料电池发电设备10还可包括定位在引入流供给管道52上的鼓风机60，以可变地加速气体氧化剂向设备10的流动。可选择地，出于相同的目的，鼓风机60可沿着主氧化剂通道38被定位。但是，应强调这种鼓风机具有把氧化剂的操作压力仅稍微提高到从空气压力到空气压力以上的大约1.0P.S.I的范围，或从大约14.7P.S.I.A到大约15.7P.S.I.A的能力。
最好如图2A所示，物质传输复合膜片12包括设置在第一刚性、多孔、支持薄层64与第二刚性、多孔、支持薄层66之间的传输媒介核心62。复合膜片12的引入表面54是第一刚性、多孔、支持薄层64的与接触传输媒介核心62接触的第一支持薄层64的接触表面68相对的外表面。膜片12的排气表面56是第二刚性、多孔、支持薄层66的与接触核心62的第二支持薄层66的接触表面70相对的外表面。
传输媒介核心62可以是传输媒介核心装置，用于选择地吸附由包含极性和非极性分子组成的流体物质的第一流体流内的极性分子构成的流体物质，例如包括水蒸汽和/或夹带的液体水份(是极性分子构成的流体物质)和空气(是非极性分子构成的物质)的一个流，并用于把吸收的流体解除吸附而成为具有比第一流更低含量的极性分子所构成的流体物质的第二流。在使用传输媒介核心装置中，第一流是设备排气流，第二流是引入流。列举出的传输媒介核心装置包括含离子键的材料，如美国Delaware的Willmington的E.I.DuPont公司的商标名称为“NAFION”水饱和的聚氟磺酸离子键膜片。
第一与第二刚性、多孔、支持薄层64，66可以是刚性的多孔的支持薄层装置，用于以刚性配置支持传输媒介核心，如带有集成其中的热固树脂的强化纤维。列举出的支持薄层包括如带有酚醛树脂的碳纤维薄层，或带有环氧树脂的玻璃纤维。
如图2B所示，物质传输复合膜片12包括传输媒介核心装置的另一个实施例，这里称为三层核心72，其中，核心62被设置在第一多孔憎水层74和第二多孔憎水层76之间。列举出的多孔憎水层72和74包括憎水聚合物薄层，如美国Delaware的Willmington的DuPont公司销售的公知的“TEFLON”聚合物。
物质传输复合膜片12可形成于模压层78中，最好从图2和4可见，以获得后面要描述的很多优点。在一个优选实施例中，模压层复合膜片78被固紧于框体46的底表面84上面的第一框体肩部80和第二框体肩部82之间。第一框体肩部80包括第一肩部86或边缘，第二框体肩部82包括第二肩部88以使得膜片78被紧固于并延伸在第一和第二肩部86，88之间。第一框体肩部80限定第一引入流槽90，第二框体肩部82限定第二引入流槽92，该槽允许氧化剂引入流流进或流出，而与模压层复合膜片78的引入表面94接触或不接触。
最好从图3可见，模压层复合膜片78形成第一、第二和第三突起96A，96B，96C以及第一、第二、第三和第四凹陷98A，98B，98C和98D，它们相互合作来限定大量引入流通道和排气流通道。为了容易理解和更有效，引入流通道在图3和5中以参考字母“IS”指定，排气流通道以参考字母“ES”指定。排气流通道ES允许燃料电池设备排气流通过并与模压层复合膜片的排气表面100接触。为了容易理解，在图3，4和5所见的代表性的例子的引入流通道还提供有参考序号102A，102B，102C，102D，并且在图3，4和5所见的代表性的例子的排气流通道同样给出参考序号104A，104B，104C。
图4是图3的支持在第一与第二框体肩部80，82之间的模压层复合膜片78的部分顶透视图，其表示出膜片78的一部分的突起和凹陷的蛋箱形状，这一点与图3的横剖面图正好相反。模压层复合膜片78的实际相同的附加突起表示在图4中并标以96D，96E，96F，96G，96H，96I，96J，96K，96L，96M，并且为了清楚起见，实际相同的凹陷与这些突起相邻地部分表示出来，但是并没有分别地指定参考序号。在图4中，引入流通道102A，102B，102C，102D更清楚地表示为与接触膜片78的引入表面94的非线性的引入流通道网集成一起，并且类似地，排气流通道104A，104B，104C与接触膜片78的相对的排气表面100的非线性的排气流通道网集成一起。如图4所示，应强调模压层复合膜片78的任何附加突起和凹陷不必要线对齐或平行对齐，但是反而可以以任何形式设置，以增强在膜片限定的通道内通过的引入和排气流流体的混合。另外，图3和4实施例所示的凹陷和突起表现出大致相近似的尺寸，但是对于本发明，突起和凹陷可以是提供来用于在模压层复合膜片78限定的平面下和/或上延伸的任何尺寸。
图5表示形成于大量模压层复合膜片中的物质传输复合膜片12，包括与第二模压层复合膜片106成镜面图像关系堆叠或设置的图3和4所示的模压层复合膜片78和第一与第二框体肩部80，82，以及与第二膜片106和第四模压层复合膜片110成镜面图像关系来类似堆叠地第三模压层复合膜片108。第二模压层复合膜片106被支持在第三框体肩部112与第四框体肩部114之间，第三膜片108被支持在第五框体肩部116与第六框体肩部118之间，第四膜片110被支持在第七框体肩部120与第八框体肩部122之间，其中第八框体肩部以合作方式彼此堆叠，来在框体的底表面86与框体46的顶表面124之间限定框体46的流体密封侧，如图5所示。词语“以镜面图像关系指模压层复合膜片的至少一个突起与一个相邻模压层复合膜片的至少一个凹陷相接触，例如图5所示，模压层复合膜片78的第一突起96A与第二模压层复合膜片106的第一凹陷134相接触。很明显，通过如图5所示的相邻模压层的突起与凹陷之间进行多处接触，这些层就可以彼此协调，从而提供针对移动的相互性的结构支撑或者由在引入流‘IS’通道中的流体与排出流体‘ES’通道内的流体之间的内压变化所导致的裂口。相邻模压与凹陷的其它接触限定多个集成、曲折通道以便流体流过，由此增强流体的混合与该流体暴露给该膜片的表面。此外，框架46内的彼此合作的镜面图像关系的堆叠的相邻的模压层复合膜片78，106，108，110提高每一单位体积的框体暴露于引入和排气流的膜片的表面面积。
第一、第三、第五和第七框体肩部80，112，116，120彼此合作地限定第一引入流多叉管126，该多叉管与第五框体肩部116中限定的第一引入流槽90和第三引入流槽128交换流体。类似地，第二、第四、第六和第八框体肩部82，114，118和122彼此合作地限定第二引入流多叉管130，该多叉管与第六框体肩部118中限定的第二引入流槽92和第四引入流槽132交换流体。
因此最好在图5中所示，第一和第二引入流多叉管126，130提供用于引入氧化剂流的通道，以把其传递到并传递出引入流通道102A，102B，102C，102D和图5所示的并由字母“IS”指定的其它的引入流通道。要强调的是，第一和第二引入流多叉管126，130和相关的引入流槽90，92，128，132仅是本发明的框体46的一个实施例，框体可包括多叉管装置，用于把引入氧化剂流引导成与物质传输复合膜片12的引入表面54接触或不接触，并用于把设备排气流引导成与膜片12的排气表面56接触或不接触，如1988年3月1日颁布给Briggs的美国专利No.4728585和1988年3月10日颁布给Romanowski的美国专利No.4743518中所示的内部和外部多叉管和热交换器技术中公知的多叉管，其中这两篇专利都被转让给本发明的受让人。
图6表示框体46从顶部看的部分平面图，其中第一引入流多叉管126表示为与框体46的上游入口侧136内的第一批大量的实际相同的引入流槽交换流体，这些槽中的一些以138A，138B，138C指定，第二引入流多叉管130表示为与框体46的下游入口侧140内的第二批大量的实际相同的引入流槽交换流体，这些槽中的一些以142A，142B，142C指定。第一排气流多叉管144在图6中表示为在框体46的上游排气侧146内，与第一批大量的实际相同的排气流槽交换流体，这些槽中的一些以148A，148B，148C指定，第二排气流多叉管150表示为在框体56的下游排气侧152内，与第二批大量的实际相同的排气流槽交换流体，这些槽中的一些以154A，154B，154C指定。
在具有支持在图1，5和6所示的框体46中的本发明的模压层传输复合膜片78，106，108，10的燃料电池发电设备10的操作中，氧化剂流从氧化剂源36经引入流供给管道152到达第一引入流多叉管126并且经第一和第三引入槽90，128以及第三批大量的引入槽138A，138B，138C被分散到引入流通道102A，102B，102C，102D和图5所示的并由字母“IS”指定的其它的引入流通道。氧化剂流将以第一流动箭头156所指定的一般方向传递过框体46并离开引入流通道，经第二和第四引入槽92，132以及第二批大量的引入槽142A，142B，142C进入第二引入流多叉管130，并离开框体46进入主氧化剂通道38。设备排气流将通过设备排气通道40进入第一排气流多叉管144，经第一批大量的排气槽148A，148b，148C进入排气通道104A，104B，104C以及图5所示的标有“ES”的其它这种通道，并继续以图6所示的第二流动箭头158所代表的一般方向通过框体46。之后排气流经第二批大量排气槽154A，154B，154C进入第二排气多叉管152并经设备排出口58离开框体46。
应强调图6仅是简单表示出引入流供给管道52、主氧化剂通道38、设备排气通道40和设备排出口58没有直接经框体46的侧136，140，146，152进入多叉管126，130，144和150，但是可代替其的是经传统的有效的内部或外部多叉管装置对它们进行引导，如在上述两个参考的美国专利中所述的那样并且如技术上公知的那样。还指出图6中第一流动箭头156以“断开的线”表示，而第二流动箭头158以“不间断的线”表示，为的是强调经引入流通道“IS”的流动方向156与经排气流通道“ES”的流动方向158处于框体内的不同的层面。这种不同层面的流动更好是在图5中表示，其中经引入流通道“IS”的流动方向156是从第一框体肩部80到第二框体肩部82的，而经排气流通道“ES”的流动方向158是垂直于第一框体肩部80到第二框体肩部82之间的轴的进入图5中的方向。
为了解释的目的，图6还表示出框体46的在框体46的上游引入侧136与上游的排气侧146之间被移去的顶表面124的一部分，以简单表示模压层复合膜片78的一部分。如所见的那样，膜片78的在图6中的部分包括第一凹陷98A和与框体的上游排气侧146相邻的第一突起96A，在第一凹陷和突起98A，96A后面以及之间对齐的另外的突起96D，其进一步例示出图4所示的各排突起与凹陷的不平行对齐，这用来在整个框体46上限定蛇纹状引入和排气流通道。
本发明的物质传输复合膜片12的预测测试操作在50千瓦燃料电池发电设备的增强水平衡方面表示出有利的效果。在测试操作中，物质传输设备14的框体46被构造来支持以在如图3，4和5简单示出的镜面图像关系设置在模压层中的大约300平方英尺的复合膜片12。测试物质传输复合膜片包括配置成三层核心的传输媒介核心，其中核心大约是5-10微米薄层的“Nafion”，商标“Nafion”是由上面参考的E.I.DuPont(杜邦)公司制造聚氟磺酸离子键膜片。“Nafion”核心被定位在第一和第二多孔憎水层之间，每个多孔憎水层大约是公知的“Teflon”(特氟珑)商标的憎水聚合物25微米厚的多孔薄层，其也是E.I.DuPont(杜邦)公司制造的常利用的材料。上述尺寸的三层核心还可从美国的Maryland的Ekton的W.L.Gore公司来组装并且被确定为“Gore Select Membrane”。第一和第二刚性多孔支持薄层64，66从大约8微米厚的碳纤维制造，该碳纤维来自美国纽约的Slate Hill的Technical Fibre Products有限公司，并且指定为“RK25”，用酚醛树脂将其浸入到大约30-50wt％的含量，这种酚醛树脂来自美国Wisconsin的Sheboygan的Plenco公司，诸如牌号为No.12285。三层核心和第一与第二刚性多孔支持薄层被设置在限定想要的模压层结构的压模(未示出)上，之后被加热到275到375华氏度(°F)，进行大约5分钟。在把层热固化成刚性模压层后，把它粘结到框体肩部，并且大量的模压层和框体肩部可被紧固于水传输设备14内。框体肩部可由技术上公知的常见的塑料制成，其可兼容地粘结到模压层物质传输复合材料。
测试操作的结果表明设备排气流(包括阴极和燃烧的阳极排气流)经设备排气通道40进入具有上述尺寸的物质传输复合膜片的水传输设备，设备排气流有大约194°F的温度和每小时大约155磅的水含量(后面称为“P.P.H”)，并且当其经设备排出口58离开物质传输设备时，温度为152°F且水含量大约是34.4 P.P.H。经引入流供给管道52进入物质传输设备的氧化剂引入流具有大约77°F的温度和大约0.0 P.P.H的水含量。当氧化剂引入流经主氧化剂通道38离开物质传输设备时，其温度增加到135°F并且水含量增加到大约120P.P.H.。再次应强调本发明的物质传输符合膜片12的上述优越性能以代表着比已有的燃料电池发电设备有本质的性能改进的重量轻且致密的结构有利地增强了燃料电池发电设备10的水平衡，而与周围空气温度和湿度条件无关。
尽管本发明已经参考燃料电池发电设备的物质传输复合膜片的特定结构进行描述和图示，应理解本发明并不限制于这些特定的例子和图示。例如，膜片可被用于平直薄层配置、设置的对这种模压层没有镜面图像对数量的特定限制的模压层实施例或热交换器技术中公知的任何其它形式，以暴露与两个流体成热或物质传输关系的膜片的相对表面。另外，主氧化剂通道38和设备排气通道40表示出为管道或沟槽，但是它们可以仅仅是支持燃料电池组件的结构30内的通孔，其中物质传输设备直接被固紧于该结构。因此，主要以附加的权利要求而不是前面的描述为参考来确定本发明的范围。

Claims (16)

1.一种用于燃料电池发电设备的物质传输复合膜片，具有把氧化剂引入流引导到燃料电池的氧化剂通道并具有把排气流引导出燃料电池的设备排气通道，复合膜片包括：
a：传输媒介核心装置，用于选择地从排气流中吸附极性分子构成的流体物质，并用于解除吸附由极性分子构成的流体物质而成为氧化剂引入流；
b：第一与第二刚性、多孔、支持薄层，设置在传输媒介核心装置的相对侧并刚性支持传输媒介核心装置，其中第一支持薄层的外表面限定物质传输复合膜片的引入表面，第二支持薄层的外表面限定膜片的排气表面；
c：框体装置，用于支持与氧化剂通道和设备排气通道进行流体交换的物质传输复合膜片，并用于支持与氧化剂引入流和设备排气流成物质传输关系的膜片，从而使得引入流与膜片的引入表面接触，排气流与膜片的排气表面接触。
2.根据权利要求1的物质传输复合膜片，其中传输媒介核心装置包括含离子键的材料。
3.根据权利要求1的物质传输复合膜片，其中第一与第二刚性、多孔、支持薄层还包括带有热固化来刚性支持传输媒介核心装置的整体树脂的强化纤维薄层。
4.根据权利要求1的物质传输复合膜片，其中传输媒介核心装置包括三层核心，该三层核心包括定位在核心装置的相对侧上的第一和第二多孔憎水层，用于选择地从排气流中吸附极性分子构成的流体物质，并用于解除吸附由极性分子构成的流体物质而成为氧化剂引入流。
5.根据权利要求4的物质传输复合膜片，其中第一和第二多孔憎水层每个还包括大约25微米厚的多孔薄层并且核心装置包括大约5到10微米厚的聚氟磺酸离子键材料。
6.根据权利要求1的物质传输复合膜片，其中膜片形成到模压层中，包括从膜片引入和排气表面限定的平面延伸开的突起和凹陷，其中突起和凹陷互相合作来限定大量的引入和排气流通道。
7.根据权利要求1的物质传输复合膜片，其中框体装置包括多叉管装置，用于把氧化剂引入流引导成与物质传输复合膜片的引入表面接触或引导出不与物质传输复合膜片的引入表面接触，用于把排气流引导成与膜片的排气表面接触或引导出不与膜片的排气表面接触，用于防止引入和排气流的混合。
8.一种用于燃料电池发电设备的物质传输复合膜片，具有把氧化剂引入流引导到燃料电池的氧化剂通道并具有把排气流引导出燃料电池的设备排气通道，复合膜片包括：
a：传输媒介核心装置，用于选择地从排气流中吸附极性分子构成的流体物质，并用于解除吸附由极性分子构成的流体物质而成为氧化剂引入流；
b：第一与第二刚性、多孔、支持薄层，设置在传输媒介核心装置的相对侧并刚性支持传输媒介核心装置，其中第一支持薄层的外表面限定物质传输复合膜片的引入表面，第二支持薄层的外表面限定膜片的排气表面；
c：物质传输复合膜片形成到设置成镜面图像关系的大量的模压层复合膜片中，使得第一模压层的至少一个突起与相邻的第二模压层的至少一个凹陷接触以限定各层之间的引入流和排气流通道；
d：框体装置，用于支持与氧化剂通道和设备排气通道进行流体交换的模压层复合膜片，并用于支持与氧化剂引入流和设备排气流成物质传输关系的膜片，从而使得引入流与膜片的引入表面接触，排气流与膜片的排气表面接触。
9.根据权利要求8的物质传输复合膜片，其中传输媒介核心装置包括含离子键膜片。
10.根据权利要求9的物质传输复合膜片，其中第一与第二刚性、多孔、支持薄层还包括带有热固化来刚性支持传输媒介核心装置的整体树脂的强化纤维薄层。
11.根据权利要求10的物质传输复合膜片，其中传输媒介核心装置包括三层核心，该三层核心包括定位在核心装置的相对侧上的第一和第二多孔憎水层，用于选择地从排气流中吸附极性分子构成的流体物质，并用于解除吸附由极性分子构成的流体物质而成为氧化剂引入流。
12.根据权利要求11的物质传输复合膜片，其中第一和第二多孔憎水层每个还包括大约25微米厚的多孔薄层并且核心装置包括大约5到10微米厚的聚氟磺酸离子键膜片。
13.根据权利要求12的物质传输复合膜片，其中框体装置包括多叉管装置，用于把氧化剂引入流引导成与物质传输复合膜片的引入表面接触或引导出不与物质传输复合膜片的引入表面接触，用于把排气流引导成与膜片的排气表面接触或引导出不与膜片的排气表面接触，用于防止引入和排气流的混合。
14.一种从离开燃料电池发电设备的燃料电池的流体的设备排气流恢复物质并把恢复的物质返回到进入燃料电池的氧化剂引入流的方法，该方法包括步骤：
a：经刚性支持传输媒介核心的物质传输复合膜片的第一刚性、多孔、支持薄层传递排气流，该核心用于选择地从排气流中吸附极性分子构成的流体物质，并用于解除吸附由极性分子构成的流体物质而成为氧化剂引入流；
b：经相对于第一支持薄层的第二刚性、多孔、支持薄层传递氧化剂引入流，其中传输媒介核心被设置在第一和第二支持薄层之间并被它们支持，从而从排气流中吸附的极性分子经第二支持薄层被解除吸附，成为氧化剂引入流；以及
c：把氧化剂引入流引导到燃料电池中。
15.根据权利要求14的方法，还包括步骤：在经第一支持薄层传递设备排气流后，经定位在第一支持薄层和传输媒介核心之间的第一多孔憎水层传递设备排气流，并且在经第二支持薄层传递氧化剂引入流后，经定位在第二支持薄层和传输媒介核心之间的第二多孔憎水层传递氧化剂引入流。
16.根据权利要求14的方法，还包括步骤：经与第一刚性多孔支持薄层相邻的大量蛇纹状排气流通道传递设备排气流，排气流通道由物质传输复合膜片的模压层的第一侧的突起和凹陷限定，并且经与第二刚性多孔支持薄层相邻的大量蛇纹状引入流通道传递氧化剂引入流，引入流通道由物质传输复合膜片的模压层的第二侧的突起和凹陷限定。
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