[发明专利]水蒸汽转移装置

说明书

技术领域

本公开涉及一种水蒸汽转移设备，并且更具体地涉及一种用于在燃料电池系统中使用的水蒸汽转移装置。

背景技术

燃料电池系统正越来越广泛地在各种不同的应用场合中被用作电源。例如，已经提出将燃料电池系统用于机动车辆中以代替内燃机。燃料电池系统还可以被用作建筑物和住宅中的固定发电厂，摄像机、计算机中的便携电源等。通常，燃料电池系统包括被设置为燃料电池堆的多块燃料电池以产生电力，用于给电池充电或者给电机供电。

一种典型的燃料电池被称为质子交换膜(PEM)燃料电池，其将燃料（例如氢气）和氧化剂（例如氧气）相组合以生成电力和水。氧气通常由空气流提供。为了在所需的效率范围内工作，应该保持燃料电池的质子交换膜中足够的湿度。足够的湿度可以令人满意地延长燃料电池中交换膜的有效寿命并且保持所需的工作效率。

作为燃料电池系统的一部分，水蒸汽转移(WVT)设备可以被用于给进入燃料电池堆中的空气流加湿。WVT设备将水蒸汽从来自于燃料电池堆的排气流转移至进入燃料电池堆的进气流。这通常可以通过使用只允许水蒸汽从中经过的水蒸汽转移膜来实现。该膜通常被永久性地连接至控制气流的被称为分离部分的扩散介质层。

Skala的公开号为2009/0092863的美国专利申请中公开了一种用于燃料电池系统的示范性WVT设备，因此通过引用将其全部的公开内容并入本文。Skala介绍了一种用于WVT设备的面板，具有由扩散介质构成的顶层以及由扩散介质构成的底层。基本为平面的细长带状物阵列被设置在顶部扩散介质层和底部扩散介质层之间以构成WVT设备中的单块面板。膜被粘接至顶部扩散介质层和底部扩散介质层中的至少一者。

作为燃料电池系统的一部分，WVT设备可以被用于给进入燃料电池堆中的空气流加湿。已知可以将WVT设备组装在壳体内，并且将WVT装置装入燃料电池系统的燃料电池模块例如下端单元(LEU)中。WVT具有流过其中的干气流和湿气流。干气流是流至燃料电池系统阴极入口的空气流，并且通常是借助压缩机从大气中抽入。干气流可以具有最小的相对湿度以及大约为二十一个百分点(21%)的氧气含量。湿气流通常来自于燃料电池堆的阴极出口，高度潮湿并且仅含很少量的氧气或者根本不含氧气。具体的相对湿度和氧气含量取决于燃料电池堆的工作状态。干气流的压力通常高于湿气流，具体的压力则取决于通过燃料电池系统中模块化流道的压降以及在给定的工作状态下燃料电池堆两端的压降。

利用WVT设备中的膜保持干气流和湿气流分离，该膜允许水蒸汽从湿气流通过到达干气流而不允许气体例如氧气通过(也就是说干气流被加湿但氧气含量不会减少)。为了让WVT设备有效运行，湿气流和干气流都必须被密封至它们在燃料电池模块内的配合部件。干气流泄漏会导致输送至燃料电池堆的氧气反应物的损失，并且需要通过压缩机额外输入空气，这将降低燃料电池系统的效率。湿气流泄漏会导致被加湿的空气绕过WVT设备，并且被向外倾泄或者排出。湿气流泄漏会导致可供用于转移至干气流的水蒸汽变少。

已知的设计方案试图使用弹性体密封件为干气流和湿气流提供充分的流体紧密密封。在大多数情况下，湿气流和干气流的密封面是彼此垂直的。这就会引发一些问题例如需要保持WVT装置和燃料电池模块中的配合部件之间的精密公差，目的是为了保持目标密封压力。由于安装期间的密封件摩擦，因此难以将WVT装置安装到燃料电池模块内也是公知的。尽管也可以改变弹性体密封件的压力以在WVT装置四个密封面中的两个密封面内获得充分的密封，但是很难改变WVT装置中另外两个密封面内的压力。

对于WVT装置存在持续的需求：简化到燃料电池模块内的安装，避免在WVT装置所需的密封面内使用压紧密封，并且使WVT装置端板两端的压差最小化。优选地，WVT装置与常规装置相比需要的构件更少并且具有更少的部件数量，而且对于与燃料电池模块的装配接口允许更大的公差。

发明内容

根据本公开，出人意料地公开了一种WVT装置，简化了到燃料电池模块内的安装，避免在WVT装置所需的密封面内使用压紧密封，使WVT装置端板两端的压差最小化，与常规装置相比需要的构件更少且具有更少的部件数量，而且对于与燃料电池模块的装配接口允许更大的公差。