專利名稱：用于燃料電池的隔膜加濕器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉M料電池以及特另U涉及用于燃料電池的隔膜加濕器。
背景技術(shù)：
燃料電池系統(tǒng)在寬范圍的應(yīng)用中越來越多地用作電源。例如，燃料 電池系統(tǒng)已經(jīng)被提議在用電設(shè)備(例如 )中作為內(nèi)燃機(jī)的替代物。這種系 統(tǒng)在共同所有的美國專利申請序號10/418,536中己經(jīng)被公開，其全部內(nèi)M此 引作參考。燃料電池還可以用作^m物禾唯宅中的固定發(fā)電站，用作攝像機(jī)、 計算機(jī)等的便攜電源。通常，燃料電池發(fā)電以用于對電池充電或者為電動機(jī)提 供電源。燃料電池是電化學(xué)體，其直接結(jié)合燃料例如氫和氧化齊,如氧來 產(chǎn)生電力。氧通常由空氣流提供。氫和氧結(jié)合導(dǎo)致水的形成?？梢允褂闷渌?料例如天然氣、甲醇、汽油和'j^t行生合^t料。燃料電池4頓的基礎(chǔ)工藝(basicprocess)效率高、基本上無污染、 安靜、沒有運動部件(除了空氣壓縮機(jī)、^4卩 、泵和傳動裝置)，并且可 以構(gòu)造成僅排放熱量和水作為副產(chǎn)物。術(shù)語"燃料電池"通常用于 單個電 池或者使用的多個電池，具體取決于^ffl該術(shù)語的上下文。多個電池通常捆在 一起并且設(shè)置成形成通常電串連連接的多個電池的堆。因為單4^燃料電池可以 組裝賂種尺寸的堆，所以系統(tǒng)可以設(shè)計成產(chǎn)生希望的育罎輸出水平，從而為 不同應(yīng)用提供設(shè)計的靈活性。不同燃料電池鄉(xiāng)可以配備有例如磷酸、堿性、熔融碳麟、固體 氧化物和質(zhì)子交換隔膜(PEM)。 PEM-^M料電池的基本元件是由聚合物隔膜 電解質(zhì)分離的兩個電極。每一電極在其一側(cè)涂覆有薄催化劑層。電極、催化劑 和隔膜組合形成隔膜電極組件(MEA)。在典型的PEM-MJt料電池中，MEA夾在"陽極"和"陰極"擴(kuò) 散介質(zhì)(以下稱"DM，s")或者擴(kuò)鵬之間，這些擴(kuò)散介質(zhì)或者擴(kuò)觀由彈性、 導(dǎo)電和氣體可滲透材料例如碳纖維或者紙形成。DM's作為陽極和陰極的主集
電器，并且為MEA提供機(jī)te持?？蛇x擇地，DM可以包含催化劑層并且與 隔膜接觸。DM，s和MEA被壓在一對導(dǎo)電板之間，其作為用于收 自主集 電器的電流的次級集電器。在雙極板的情況中板在堆的內(nèi)部相鄰電池之間傳導(dǎo) 電流并且在堆外部傳導(dǎo)電流(在單極板盼瞎況中在堆的端部)。次級集電器板都包含至少一個活性區(qū)域，期每氣態(tài)反應(yīng)物分布到陽 極和陰極的主要表面上。這些活性區(qū)域，也被稱為流場，通常包括多個槽脊
(land)，其結(jié)合所述主集電器并且在它們之間確定多個溝槽或者流槽。這些槽 提供嶽n氧雜些PEM敏則上的電極。特別地，EM:這些槽流到陽極，其 中催化劑《腿其分雌子和電子。在PEM的相對側(cè)上，Wl這些槽流到陰 豐肚，在此M過PEM吸引tlM子。艦外部電路收集的電子作為有用的能 量并且與質(zhì)子和氧結(jié)合以在陰極側(cè)產(chǎn)^7K蒸氣。許多燃料電池1頓內(nèi)部隔膜例如PEM型燃料電池，其包括質(zhì)子交 換隔膜，也稱為聚合物電解質(zhì)隔膜。為了在希望的效率范圍內(nèi)實施，希望將這 些隔膜保持在潮濕的條件下。因此，需要提供用于將燃料電池隔膜保持在潮濕 劍牛下的器件。這有助于避免破壞或者縮短隔膜的壽命，并且保持希望的工作 效率。例如，隔膜的劍氐7K含量會導(dǎo)致較高的質(zhì)子傳導(dǎo)阻力，這樣會導(dǎo)致較高 的歐姆電壓損耗。為了保持隔膜中，特別是入口區(qū)域中，的充足水含量，供給 氣體的增濕，特別是陰極入口的增濕是適宜的。在燃料電池中的加濕在共同擁 有的授予Goebel等人的美國專利申請序列號10/797,671、共同擁有的授予 Sennoun等人的美國專利申請序列號10/912,298以及共同擁有的授予Forte的美 國專利申請序列號11/087911中進(jìn)行了討論，它們的全部內(nèi)驗此引作參考。為了保 望的潮濕水平，空氣加濕器經(jīng)常用于力口濕在燃料電池中 4頓的空氣流?？諝饧訚衿饕话惆▓A形或盒形空氣加濕模塊，其安裝在空氣 加濕器的外殼內(nèi)。這種類型空氣力鵬器的實例在授予Tanihara等人的美國專利 申請序列號10/516,483中被展示并且描述，其全部內(nèi)雜此引作參考，以及美 國專利號6,471,195，其全部內(nèi)容在此引作參考。已經(jīng)利用隔膜加濕器以完成燃料電池加濕的要求。對于汽車燃料電 池加濕的應(yīng)用，這種隔膜加濕器需要是緊湊的、表現(xiàn)出低壓力降并且具有高性 能。隔膜加濕器的設(shè)計需要平衡物質(zhì)傳輸阻力和壓力降。為了ffiil隔膜
從濕側(cè)傳輸?shù)礁蓚?cè)，水舒必須克服一些以下阻力的組合在濕和干流槽中對
流物質(zhì)傳輸阻力、M31隔膜的擴(kuò)散傳輸阻力和M:隔膜支撐材料的擴(kuò)散傳輸阻
力。緊湊和高性能隔膜力B濕器通常需要具有高7]C傳輸率(即，GPU在10000-12000 范圍內(nèi))的隔膜材料。GPU或者氣#^透單位是分壓標(biāo)準(zhǔn)化通量，其中1GPU =10、m3 (STP) / (cm"少cmHg)。結(jié)果，使得濕和干流槽中的傳輸阻力最小 并且隔膜支撐材料 設(shè)計的焦點。希望生產(chǎn)用于燃料電池的隔膜加濕器，其中可以最小化物質(zhì)傳輸阻 力和壓力降。
發(fā)明內(nèi)容
〖0013]與本發(fā)明一致以及協(xié)調(diào)的，已經(jīng)令人驚奇地發(fā)現(xiàn)了用于燃料電池的 隔膜加濕器，其中可以最小化物質(zhì)傳輸阻力和壓力降。在另一實驗案中，用于燃料電池的隔膜加濕器包括具有形成于其 中的多個流槽的濕側(cè)板，濕側(cè)板的流槽適用于促進(jìn)濕氣體通過其流動；具有形 成于其中的多個流槽的干側(cè)板，干側(cè)板的流槽適用于鵬干氣體通過其流動， 其中濕側(cè)板的流槽產(chǎn)生與刊販流槽交叉流動的模式；i體在濕側(cè)板和與濕側(cè) 板相鄰的干側(cè)板之間的第一擴(kuò)散介質(zhì)，織一擴(kuò)散介質(zhì)適用于允許7jC蒸氣fflii 其傳輸；設(shè)置在濕側(cè)板和與干側(cè)板相鄰的刊販之間的第二擴(kuò)散介質(zhì)，第二擴(kuò) 散介質(zhì)適用于允許7jC蒸氣i!3i其傳輸；以及設(shè)置在第一擴(kuò)散介質(zhì)和第二擴(kuò)散介 質(zhì)之間的隔膜，隔膜適用于允許7jl蒸氣艦其傳輸，其中在濕氣體中的水蒸氣 ilil第一擴(kuò)散介質(zhì)、隔膜和第二擴(kuò)散介質(zhì)傳輸給干氣體。在又一個實施方案中，用于it料電池的隔膜加濕器包括具有形成于
其中的多個流槽的多個濕側(cè)板，濕側(cè)板的流槽適用于i^a濕氣體通過其流動；
具有形成于其中的多個流槽的多桿側(cè)板，干偵販的流槽適用于促進(jìn)巧體通 過其流動，其中濕側(cè)板的流槽產(chǎn)生相對于刊則板流槽效流動的模式；多個第
一擴(kuò)散介質(zhì)，所述第一擴(kuò)散介質(zhì)之一設(shè)置在每個濕側(cè)板和與濕側(cè)板相鄰的干側(cè)
板之間，第一擴(kuò)散介質(zhì)適用于允許7jC蒸氣ffiii其傳輸；多個第二擴(kuò)散介質(zhì)，第 二擴(kuò)散介質(zhì)之一設(shè)置在^ii側(cè)板和與干側(cè)板相鄰的干側(cè)板之間，第二擴(kuò)散介 質(zhì)適用于允許7K蒸氣通過其傳輸；以及設(shè)置在各個第一擴(kuò)散介質(zhì)和各個第二擴(kuò) 散介質(zhì)之間的隔膜，隔膜適用于允許7K蒸氣通過其傳輸，其中在濕氣體中的水
蒸氣fflii第一擴(kuò)散介質(zhì)、隔膜和第二擴(kuò)散介質(zhì)傳輸給H體。
根據(jù)以下結(jié)合附圖對優(yōu)選實 案的詳細(xì)描述，本發(fā)明的上述以及
其它優(yōu)點對于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說將變得更力,顯，其中圖1是根據(jù)本發(fā)明的一個實 案的隔膜加濕器組件的部分示意
圖，并且示出了濕板流槽和干板流槽的截面；圖2是在圖1中示出的齡隔膜加濕器組件的7jC分壓分布的圖示；圖3是圖1示出的隔膜加濕器組件的，透視圖；圖4是圖1和圖3示出的隔膜加濕器組件的透視圖；圖5是在圖4中M圈A指示的隔膜加濕器組件的角落部分的部分
放爐見圖；圖6是多個堆疊隔膜加濕器組件的透視圖；圖7是沿圖4的線7-7的隔膜加濕器組件的截面亂并且示出了在 濕板中形成的流槽-,圖8是沿圖4的線8-8的隔膜加濕器組件的截面圖，并且示出了在 干板中形成的流槽；圖9是根據(jù)本發(fā)明另一實施方案的隔膜加濕器組件的截面圖，并且 示出了濕板中形成的流槽；以及圖10是根據(jù)本發(fā)明的另一實施方案的隔膜加濕器組件的截面圖， 并_^出了干板中形成的流槽。
具體實施例方式以下詳細(xì)的描述和附圖描述和解釋了本發(fā)明的各種示例性的實施方 案。這些描述和附圖起到使得本領(lǐng)域獄人員獸,利用和使用本發(fā)明的作用，
并且不是旨在以任何方式限定本發(fā)明的范圍。圖1示出了根據(jù)本發(fā)明實施方案用于燃料電池(未示出)的隔膜加 濕器組件IO。隔膜加濕器組件10包括濕板12和干板14。對于在此示出和描 述的實施方案，描述了用于燃料電池陰極的隔膜加濕器組件IO。然而，應(yīng)該理 解隔膜加濕器組件10可以用于燃料電池的陽極側(cè)或者希望的其它位置。濕板12包括形成在其中的多個流槽16。流槽16適用于將濕氣體從 燃料電池的陰極輸送到排氣口 (未示出)。在示出的實施方案中，槽16包括寬 度W^和深度H^。槽脊(land) 18形皿濕板12中相鄰槽16之間。槽脊18 包括寬度W，?？梢?頓任何常規(guī)材料形成濕板12，所述常規(guī)材料例如是鋼、 聚合物和復(fù)合材料等。干板14包括形成在其中的多個流槽20。所述槽20適用于將來自氣
(未示出)的n懶送至u燃料電池的陰極。如在此4頓，濕氣體表示包
含的7jC蒸氣和/或液態(tài)水的水平在^體的水蒸氣和/或液態(tài)水的水平;tJl的氣 體例如空氣和02、 N2、 H20、 H2的氣^^昆合物。干氣體表示不含7K蒸氣或者包 括的7jC蒸氣和/或液態(tài)水的7jC平在濕氣體包含的水蒸氣和/或液態(tài)水的7jC平之下 的氣體例如空氣和02、 N2、 HP和&的氣體混合物。應(yīng)該理解的是，可以根 據(jù)需要使用其它氣體或者氣體混合物。在示出的實施方案中，槽20包括寬度 WeD和深度HcD。槽脊22形jtt干板14中的相鄰槽20之間。槽脊22包括寬 度Wld?？梢允褂萌魏纬Ｒ?guī)材料形成干板14，所述常規(guī)材料例如是鋼、聚合物 和復(fù)合材料等。擴(kuò)散介質(zhì)或者擴(kuò)散層24被設(shè)置成與濕側(cè)板12相鄰并且鄰接其槽脊 18。相似地，擴(kuò)散介質(zhì)或者擴(kuò)鵬26被設(shè)置成與刊販14相鄰并且鄰接糊 脊22。擴(kuò)散介質(zhì)24、 26由彈性并且氣體可滲透性材料例如碳纖維、紙張和玻 璃纖維等形成。隔膜28設(shè)置在擴(kuò)散介質(zhì)24和擴(kuò)散介質(zhì)26之間。隔膜28可以是任 何傳統(tǒng)隔膜例如使用Nafion⑧商標(biāo)銷售的全氟磺酸(PFSA)、親水聚合物隔膜 和聚合物復(fù)合隔膜等。對于緊湊燃料電池加濕器應(yīng)用，通常希望隔膜28具有 大于8000 GPU的滲透性，以及通常在10000-12000 GPU范圍內(nèi)。圖2示出了隔膜加濕器組件10的示意性圖解，隔膜加濕器組件10 包括槽16、擴(kuò)散介質(zhì)24、隔膜28、擴(kuò)散介質(zhì)26和槽20，具有橫過隔膜加濕
組件10的7jC分壓圖解標(biāo)。從濕側(cè)槽16向干側(cè)槽20的7K的分子傳輸包括數(shù)
種傳輸模式。水蒸氣的對流物質(zhì)傳輸發(fā)生在槽16、 20中。3!31擴(kuò)散介質(zhì)24、 26 時發(fā)生擴(kuò)散傳輸。7K蒸氣2il過隔膜28被擴(kuò)散傳輸。此外，如果在濕側(cè)板12 的槽16和干側(cè)板4的槽20之間絲壓差，另卩么水借助^il力(hydraulic force) M隔膜28傳輸。在濕側(cè)板12的槽16和干側(cè)板14的槽20之間的纟^M也 會影響它們之間的水傳輸。在濕側(cè)板12的槽16和干側(cè)板14的槽20之間還存 在烚交換。在圖2中的線P示出了貫穿隔膜加濕器10的7jC分壓分布。對于從濕側(cè)槽16向Tfj槽20的水傳輸?shù)拿恳徊剑梢杂嬎銁K流量。 對于在槽16、 20中的7jC傳輸
<formula>formula see original document page 10</formula>
其中
m :在氣體混合物中水蒸氣的擴(kuò)散率(^犯c)
槽深度(W) 鵬副莫水?dāng)U散流量(蘼，附2靴) &。水分壓(尸a) 仏理想氣體常數(shù) 幼舍伍德數(shù)
r:鵬(iO對于通ar散介質(zhì)24、 26的水輸送
<formula>formula see original document page 10</formula>
其中
擴(kuò)散介質(zhì)厚度(m) e :擴(kuò)散介質(zhì)孔隙率 t :擴(kuò)散介質(zhì)彎曲度對于通過隔膜28的7jC輸送(為了解釋的目的4頓全氟磺酸隔膜):
<formula>formula see original document page 10</formula>其中:
五隔膜的當(dāng)量重量(gmA^m/廣^rscy/)
Pm:隔膜密度(gm7Vb如^W) A2。，r隔膜中的水?dāng)U散率(c附2/虹)
隔膜厚度(cm) 入水的吸收(摩爾Hp/摩爾S03H)圖3示出了在圖1中示出的隔膜加濕器組件10的，圖，圖4解 釋了組裝的隔膜加濕器組件IO。如在圖5中更清晰地闡述，濕側(cè)板12包括在 其頂側(cè)和底側(cè)上形成的槽16。相似地，干側(cè)板14包括形鵬其頂偵,底側(cè)的 槽20。如圖6所示，在板12、 14的頂側(cè)和底側(cè)上形成槽16、 20允許板2、 14 堆疊成7k蒸氣傳輸(WVT)單元30。在示出的實施方案中，附加擴(kuò)散介質(zhì)32 設(shè)置在濕側(cè)板12上，并且擴(kuò)散介質(zhì)34與刊則板14相鄰設(shè)置，以《腿堆疊成 WVT單元30。此外，擴(kuò)散介質(zhì)材料可以根據(jù)需要僅僅圍繞濕側(cè)板12或者干 側(cè)板14使用。應(yīng)該理解，不脫離本發(fā)明的范圍和衞申的 下，可以使用針 對擴(kuò)散介質(zhì)的其它構(gòu)造。在示出的實施方案中，隔膜28纏繞擴(kuò)散介質(zhì)32、濕 側(cè)板12和擴(kuò)散介質(zhì)24，盡管應(yīng)該理解隔膜28可以一其它方式設(shè)置在擴(kuò)散介質(zhì) 32、濕側(cè)板12和擴(kuò)散介質(zhì)24之上或者圍繞它們設(shè)置。圖7和圖8示出了濕側(cè)板12和干側(cè)板14的截面圖，以及各個板12、 14的槽16、 20的交叉流動配置。在示出的實施方案中，隔膜28在板12、 14 的外部圍M)1粘結(jié)材料36粘結(jié)到板12、 14上，從而最大化它們之間的密封 性能。應(yīng)該理解可以使用其它常規(guī)材料例如墊圈或者其它密封，或者根據(jù)需要 不密封或者使用粘結(jié)劑。擴(kuò)散介質(zhì)24、 32設(shè)置在形鵬濕側(cè)板12中的各個空腔38、 40中。 空腔39、 41還形鵬Tf則板14中以容納擴(kuò)散介質(zhì)26、 34。應(yīng)該理解，在不脫 離本發(fā)明范圍和精神的鵬下，擴(kuò)散介質(zhì)24、 26、 32、 34可以延伸至板12、 14 的外部圍緣。與板12、 14的各個外部圍緣相鄰的基本上平坦的密封表面42、44、 46、 48還可以，板12、 14之間的密封。在圖7和圖8示出的實施方案中，板12、 14通過擠出工藝形成， 盡管可以根據(jù)需要4頓其它工藝形成板12、 14。對于槽16、 20深度H^、 而言，小于或等于0.5謹(jǐn)?shù)那闆r已經(jīng)取得了令規(guī)喜的結(jié)果，盡管可以根據(jù)
需要使用其它深度的1、 Hcd。大約0.3mm的流槽16、 20深度H^、 Hcd已
經(jīng)取得了更令人欣喜的結(jié)果。使用在這個范圍內(nèi)的槽深度包括平衡在槽16、 20
中的傳輸阻力和槽壓力降的作用。當(dāng)槽深度減小時，在槽中的物質(zhì)傳輸阻力減
小。然而，槽壓力,加，這降低了燃料電池的效率。對于100kWe燃料電池
系統(tǒng)，如果深度Hcw、 HcD在J^范圍內(nèi)已經(jīng)導(dǎo)致在濕側(cè)槽16和刊則槽20中
小于30kPa的總壓力降。槽面積比AR由以下等式確定 『
輯= c 。 『c + ^對于槽寬度W。為0.5mm至5mm的情況，槽面積比AR為75%-85 %盼瞎況已經(jīng)得到令人欣喜的結(jié)果，盡管可以根據(jù)需要使用其它的比AR和槽 寬度We。選擇這種槽面積比AR禾口槽寬度W。以最大化在槽脊18、 22之下的 隔膜面積利用率，并且最小化膜28侵A^者其它結(jié)構(gòu)i4A槽16、 20。當(dāng)通過 槽16、 20的氣流是層流時，取得了進(jìn)一步的有利結(jié)果，其最小ttJ13i槽16、 20 的壓力降并且最大4W逝廣散介質(zhì)24、 26、 32、 34和膜28的7K蒸氣傳輸。然 而，可以根據(jù)需要提供湍流。使用在圖7和圖8中公開的交叉流動配置實現(xiàn)了 如下益處借助保鄉(xiāng)過於板12、 14的基本上線性的流動通路最小^M3！ 槽16、 20的壓力降，最小化用于堆30的包裝尺寸以及簡化氣體的供給要求， 這些將在這里進(jìn)一步描述。當(dāng)擴(kuò)散介質(zhì)24、 26、 32、 34具有小于0.2mm的厚 度，并且通常在0.05和0.15mm之間，孔隙率在50-95%范圍內(nèi)，并且通常在 79-90%之間時，得到了進(jìn)一步令A(yù)^喜的結(jié)果，盡管可以根據(jù)需要使用其它的 厚度和孔隙率。在給出的范圍內(nèi)f頓擴(kuò)散介質(zhì)24、 26、 32、 34提高了與槽脊18、 22相鄰的隔膜28區(qū)域的4頓效率，并且最小化了在擴(kuò)散介質(zhì)24、 26、 32、 34 中的物質(zhì)傳輸阻力。當(dāng)優(yōu)iM過擴(kuò)散介質(zhì)24、 26、 32、 34的水蒸氣傳輸時， ^H L尺寸在大約0.01-100 W:范圍內(nèi)，通常在1和50微米之間的擴(kuò)散介質(zhì) 24、 26、 32、 34時，已經(jīng)得到令人欣喜的結(jié)果，盡管可以根據(jù)需要使用其它的 孑L尺寸。為了有助于對抗擴(kuò)散介質(zhì)24、 26、 32、 34iSA槽16、 20，導(dǎo)致在槽 16、 20中產(chǎn)生更高的壓力降，希望擴(kuò)散介質(zhì)24、 26、 32、 34具有大于40,000kPa 的彈性模量，并且更希望具有大于100,000kPa的彈性模量。操作時，促使?jié)駳怏wM3i在濕側(cè)板12中形成的槽16流動。濕氣體
來自濕氣 。可以4頓任何常規(guī)體將濕氣體縱給槽16，例如與槽16相
連接的給料集管(supplyheader)。在示出的實 案中，濕氣體由燃料電池的 排氣流提供。濕氣體從流槽16中離開而駄排氣口。使刊體艦形鵬干 側(cè)板14中的流槽20流動。干氣體來自于T^體源?？梢允褂萌魏纬Ｒ?guī)裝置將 ^體分配給槽20，例如與槽20相連接的給料集管。然后干氣體排出流槽20。
在示出的實船案中，^體由rat機(jī)(未示出)提供。對于示出的實 案而言，濕氣體的^j^通常低于^體的^Jt。 來自壓縮機(jī)的干氣術(shù)顯度可以在大約180°C，來自燃料電池抖一氣口的濕氣術(shù)顯 度可以是大約80-95°C。如果j頓空氣冷卻器(未示出)7賴口來自壓縮機(jī)的干 氣體，溫度可以在95-105"C范圍內(nèi)。應(yīng)該理解，不脫離本發(fā)明范圍和精神的前 提下，可以4頓其它纟鵬范圍。作為在濕氣體和^體之間的 驢差的結(jié)果， ^體還在其加濕過程中被冷卻。冷卻作用還增加了新加濕的氣體(T^體) 的相X^顯度，從而最小化在燃料電池元件上的氣體干燥影響。在Mil槽16的濕氣體和ffiil槽20的干氣體的流動過程中，濕氣體 與^體是交叉氣流。應(yīng)該理解，氣體流的逆流還可以用于{^ 自濕氣 的7K蒸氣向刊術(shù)荒傳輸。對于燃料電池力鵬應(yīng)用而言，7jC傳輸效率需求通常 劍氐。結(jié)果，在逆流和交叉流i體之間只存在小的預(yù)斯性能差。水針由濕氣 體傳輸給巧體包括以下模式A)在槽16、 20中7K蒸氣的對流物質(zhì)傳輸；B) il31擴(kuò)散介質(zhì)24、 26、 32、 34的擴(kuò)散傳輸；C)禾擁擴(kuò)散M隔膜28的tR蒸 氣傳輸。此外，如果在濕側(cè)板12中的槽16和干側(cè)板14中的槽20之間存在壓 力差，7K會利用、鵬力3131隔膜28傳輸。此外，如果濕氣鵬和^術(shù)荒溫 度不同，那么由熱流體向膜28和由膜28向冷流體的熱傳遞還可以影響水的傳 輸。7jC還可以在體相(bulkphase)中冷凝或者蒸發(fā)(即，流體可以包含RH>100% 的夾帶液態(tài)水)。隨著7jC流向，在濕氣體和干氣體之間還可以存在烚交換。如前所述，板12、 14通過擠出工藝形成。通過以這種方式形 12、 14，使得制造的復(fù)雜性最小化。由于帝臘復(fù)雜性的最小化，同樣最小化了其成 本。圖9和圖10解釋了本發(fā)明的另一實施方案。與圖1-8重復(fù)的相似結(jié) 構(gòu)使用相似的附圖標(biāo)記和單引號(')標(biāo)記表示。在示出的實M案中，板12'、 14'M沖壓工藝形成，獲得示出的槽形狀，盡管可以根據(jù)需要使用其它的工藝
形成板12'、 14'。濕側(cè)板12'包括折疊邊緣50。折疊折疊邊緣50包括基本上平坦的密 封表面52、 54。在示出的實施方案中，折疊折疊邊緣50包括設(shè)置在其中的填 充物56，所述填充物適用于有助于M其對抗氣體流的繞流(bypass)。應(yīng)該 理解，折疊折疊邊緣50可以根據(jù)需要全部填充有填充物56，部分填充有填充 物56或者不配備填充物56。干側(cè)板14'包括折疊折疊邊緣58。折疊折疊邊緣58包括基本上平坦 的密封表面60、 62。應(yīng)該理解，折疊折疊邊緣58可以提供有填充物64，其可 以全部填充折疊折疊邊緣58，部分填充折疊折疊邊緣58或者折疊折疊邊緣58 不配備填充物(如圖所示)。<柳通過沖壓工藝形成的濕側(cè)板12'和干側(cè)板14'還可以最小化板 12'、 14'的厚度。M按這種方式形成板12'、 14'，制造的復(fù)雜性被最小化。由 于制造復(fù)雜性最小化，其 同樣被最小化。乘除的結(jié)構(gòu)和操作基本上與以上 圖l-8描述的相同。
[0052灘據(jù)前面的描述，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員可以容易地確定本發(fā)明的實 質(zhì)特性，在不脫離本發(fā)明精神和范圍的 下，還可以對于本發(fā)明進(jìn)行各種變 化和修改以適合于各種用途和條件。
權(quán)利要求
1、一種用于燃料電池的隔膜加濕器，包括具有至少一個形成于其中的基本上線性的流槽的基本上平坦的第一板，所述第一板的流槽適用于促進(jìn)第一氣體通過其流動；具有至少一個形成于其中的基本上線性的流槽的基本上平坦的第二板，所述第二板的流槽適用于促進(jìn)第二氣體通過其流動，其中所述第一板的流槽基本上垂直于所述第二板的流槽；設(shè)置在所述第一板和所述第二板之間的擴(kuò)散介質(zhì)，所述擴(kuò)散介質(zhì)適合于允許水蒸氣通過其傳輸；以及設(shè)置在所述第一板和所述第二板之間的隔膜，所述隔膜適合于允許水蒸氣通過其傳輸，其中在第一氣體中的水蒸氣通過所述擴(kuò)散介質(zhì)和所述隔膜傳輸?shù)降诙怏w。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1的加濕器，其中第i體禾嗨二氣體中的至少之一選 自空氣和包括02、 N2、 H20、 H2至少一種的氣體混合物。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1的力口濕器，其中所述隔膜具有大于8000GPU的滲透率。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1的加濕器，其中所述第一板和所述第二板包括與其圍 緣相鄰的基本上平坦的密封表面。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1的加濕器，其中所述第一板和所述第二板具有鈹褶外緣。
6、 根據(jù)權(quán)利要求5的加濕器，其中所述第一板的折齡卜緣和所述第二板 的折疊外緣的至少之一包括設(shè)置在其中的填充物。
7、 根據(jù)權(quán)利要求1的力口濕器，其中所述第一板和所示第二凈 過沖壓工 藝形成。
8、 根據(jù)權(quán)利要求1的加濕器，其中所^^述第一板和所述第二Wil擠 出工藝形成。
9、 根據(jù)權(quán)利要求1的力口濕器，其中所述第一板的槽和所述第二板的槽的 至少之一具有至多0.5mm的深度。
10、 根據(jù)權(quán)利要求1的加濕器，其中所述第一板的槽和所述第二板的槽 的至少之一具有大約0.3mm的深度。
11、 根據(jù)權(quán)利要求l的加濕器，其中對于100kWe燃料電池系統(tǒng)而言，在 所述第一板的槽和所述第二板的槽中的總壓力降小于30千帕。
12、 根據(jù)權(quán)利要求1的加濕器，其中對于所述第一板的槽和所述第二板 的槽的至少之一，槽面積比由下列等式確定槽臓比=￥1^^，大小為細(xì)。丄
13、 根據(jù)權(quán)利要求1的加濕器，其中第1體和第二氣體的至少之一的 流動是層流。
14、 根據(jù)權(quán)利要求1的加濕器，其中第一氣體的溫度比第二氣體的皿 低，導(dǎo)致在其加濕過程中^4嗨二氣體。
15、 根據(jù)權(quán)利要求l的力臨器，其中所述擴(kuò)散介質(zhì)具有小于0.2111111的厚 度、50%-95%的孔隙率、0.01至100微米的平均孔尺寸以及大于40000kPa的彈性模量。
16、 一種用于燃料電池的隔膜加濕器，包括具有形成于其中的多個流槽的濕側(cè)板，所述濕側(cè)板的流槽適用于lfiit濕 氣體艦其流動；具有形成于其中的多個流槽的刊販，所述干側(cè)板的流槽適用于鵬干 氣體M其流動，其中所述濕偵販的流槽產(chǎn)生與所述干側(cè)板的流槽效流動的 模式；設(shè)置在所述濕側(cè)板和與所述濕側(cè)板相鄰的所述干側(cè)板之間的第一擴(kuò)散介 質(zhì)，所述第一擴(kuò)散介質(zhì)適用于允許水蒸氣M其傳輸；體S^f述濕偵販和與所述干側(cè)板相鄰的所述干側(cè)板之間的第二擴(kuò)散介 質(zhì)，所述第二擴(kuò)散介質(zhì)適用于允許7jC蒸氣M31其傳輸；以及設(shè)置在所述第一擴(kuò)散介質(zhì)和所述第二擴(kuò)散介質(zhì)之間的隔膜，所述隔膜適用于允許7K蒸氣M其傳輸，其中在濕氣體中的7jc蒸氣M:所述第一擴(kuò)散介質(zhì)、所述隔膜和所述第二擴(kuò)散介質(zhì)傳輸給T^體。
17、 根據(jù)權(quán)利要求16的加濕器，其中所述濕側(cè)板的槽和所述干偵販的槽 中的至少之一具有至多0.5mm的深度。
18、 根據(jù)權(quán)利要求16的加濕器，其中所述濕側(cè)板的槽和所述干側(cè)板的槽 的至少之一具有大約0.3mm的深度。
19、 根據(jù)權(quán)利要求16的加濕器，其中對于所述濕側(cè)板的槽和所述刊販的槽的至少之一，槽面積比由下列等式確定槽面積比=槽寬y脊寬度'大小為75 %-85 %'并且具有Q'5mm 5 5腿的槽寬度。
20、 一種用于燃料電池的隔膜力口濕器，包括.-具有形成于其中的多個流槽的多個濕側(cè)板，所述濕側(cè)板的流槽適用于促 進(jìn)濕氣體艦其流動；具有形成于其中的多個流槽的多個干側(cè)板，所述干側(cè)板的流槽適用于促 進(jìn)干氣體通過其流動，其中所述濕側(cè)板的流槽產(chǎn)生與所述干側(cè)板的流槽交叉流 動的模式；多個第一擴(kuò)散介質(zhì)，所述第一擴(kuò)散介質(zhì)之一設(shè)置在各個所述濕側(cè)板和與 所述濕側(cè)板相鄰的所述干側(cè)板之間，所述第一擴(kuò)散介質(zhì)適用于允許水蒸氣通過 其傳輸；多個第二擴(kuò)散介質(zhì)，所述第二擴(kuò)散介質(zhì)之一設(shè)置在各個所述濕側(cè)板和與 所述刊則板相鄰的所述干偵販之間，所述第二擴(kuò)散介質(zhì)適用于允許水蒸氣通過 其傳輸；以及設(shè)置在各個所述第一擴(kuò)散介質(zhì)和所述第二擴(kuò)散介質(zhì)之間的隔膜，所述隔 膜適用于允許7K蒸氣通過其傳輸，其中在濕氣體中的水蒸氣皿所述第一擴(kuò)散 介質(zhì)、所述隔膜和所述第二擴(kuò)散介質(zhì)傳輸給干氣體。
全文摘要
公開了一種用于燃料電池的隔膜加濕器，其中最小化了加濕器中的壓力降并且最優(yōu)化了燃料電池中質(zhì)子交換膜的濕度。
文檔編號H01M8/04GK101098021SQ20071013883
公開日2008年1月2日 申請日期2007年6月29日 優(yōu)先權(quán)日2006年6月29日
發(fā)明者A·M·布倫納, G·W·斯卡拉, H·A·加斯泰格, S·G·格貝爾, Y·張 申請人:通用汽車環(huán)球科技運作公司