[发明专利]降低寿命开始的输水差的水蒸气输送组件中的气流旁通

说明书

技术领域

本公开涉及水蒸气输送组件，更特别地，涉及用于燃料电池系统的水蒸气输送组件。

背景技术

燃料电池系统正逐渐在许多应用中用作动力源。例如，燃料电池系统已被提出用在车辆中，作为内燃机的替代品。燃料电池系统也可用作建筑物和住宅中的固定设备，摄像机、计算机等的便携电源。通常，燃料电池系统包括布置在燃料电池堆中用来发电的多个燃料电池，用于给电池充电或给电动机提供动力。

已知一种典型的燃料电池为聚合物电解质薄膜（PEM）燃料电池，其将燃料（例如氢气）与氧化剂（例如氧气）组合，以产生电和水。氧气通常由空气流提供。为了在期望的效率范围内执行，应当保持燃料电池的聚合物电解质薄膜的充分湿度。该充分湿度令人满意地延长燃料电池中电解质薄膜的有用寿命，并保持期望的操作效率。

作为燃料电池系统的一部分，可利用水蒸气输送（WVT）组件来加湿进入燃料电池堆的空气流。WVT组件从来自燃料电池堆的废气流向进入燃料电池堆的供给流输送水蒸气。这一般通过使用仅允许水蒸气从其穿过的水蒸气输送薄膜来完成。该薄膜通常永久性地连接至扩散介质层。该扩散介质层为控制气流的分离器的一部分。例如，该分离器可由通过限定分离器中气流流路的线分隔开的扩散介质层中的两个构成。

受让人的共同未决的、Martinchek等人的美国专利申请No. 12/796,320中描述了示例性的WVT组件，其内容通过引用包含于本文。WVT组件包括构造成接收湿流的多个湿板和构造成接收干流的多个干板。湿板和干板交替成堆，并通过输水薄膜彼此分隔开。水蒸气输送组件允许水从湿流输送至干流。水蒸气输送组件布置在一对端板之间。每个端板都具有多个向外延伸的肋。

作为燃料电池系统的一部分，WVT组件可用于加湿进入燃料电池堆的空气流。已知将WVT组件组装在具有一对湿流孔和一对干流孔的壳体内，并将该WVT组件结合进燃料电池模块，例如燃料电池系统的下端部单元（LEU）。WVT组件和端板布置在所述壳体内。湿流孔与WVT组件的湿板连通，干流孔与WVT组件的干板连通。所述壳体还包括形成在干流孔附近并与湿流孔连通的多个通道。端板的向外延伸肋与所述通道配合以限定壳体的湿流孔之间的弯曲旁通流路。

干流与湿流使用WVT组件的薄膜保持分隔开，该薄膜允许水蒸气从湿流通过到干流，而不允许气体如氧气通过（即，干空气流被加湿，但氧气含量不会消耗）。已知WVT组件的输水率会随着WVT组件的使用寿命而退化。期望在高流量的情况下寿命开始（BOL）时的输水率与寿命结束（EOL）时的输水率之间的差异距目标输水率不超过规定的偏差，例如，约-20%。由于不同WVT组件之间的性能差异，不同WVT组件中的特定一个可能在BOL时不期望地比不同WVT组件中的另一个更接近于EOL输水率。已知在预装测试期间遮住WVT组件中的一部分板，以将WVT组件调节成期望的BOL输水率。然而，由于未利用到整个WVT组件，所以该遮造成了不合期望地浪费。

还已知使用非集成的主动控制旁通阀，以在操作中控制输水率。然而，除了需要用于相关阀和歧管的显著封装容积之外，主动控制旁通阀还给燃料电池系统增加了显著的复杂性。

对于提供调节高流量时的BOL输水率的能力、并最小化BOL性能差异以允许随着WVT组件的使用寿命而额外可允许的输水率退化的WVT组件存在持续地需求。期望地，WVT组件最小化了否则会产生差的闲置性能的低流量时的流量旁通，并可被封装在现有的WVT壳体中。

发明内容

根据本发明，令人惊异地发现了一种WVT组件，其提供调节高流量时的BOL输水率的能力，最小化了BOL性能差异以允许随着WVT组件的使用寿命而额外可允许的输水率退化，最小化了否则会产生差的闲置性能的低流量时的流量旁通，并可被封装在现有的WVT壳体中。

在一个实施例中，一种用于水蒸气输送组件的旁通单元，包括主体、止回阀和可调节的流量调节器。所述主体具有贯穿其形成的管路。所述止回阀与所述管路连通。所述止回阀一般阻止旁通流流过所述管路，但在超过阈值流速时允许所述旁通流流过所述管路。所述可调节的流量调节器与所述管路连通。所述可调节的流量调节器允许调节所述旁通流的流量，以改变所述输水组件的输水率。

在另一实施例中，输水组件包括一对端部单元和衬垫之一，湿板、干板和输水薄膜的堆布置在所述一对端部单元之间，所述衬垫布置在湿板、干板和输水薄膜的所述堆中。端部单元和所述衬垫之一包括旁通单元。