[发明专利]具有集成集管的板型水蒸汽传送单元

说明书

技术领域

本发明总体涉及一种改善由燃料电池产生的水蒸汽的传送的方法，并且尤其涉及一种用于水蒸汽传送(WVT)单元的改善的密封策略。

背景技术

燃料电池系统通过燃料和氧化剂的氧化和还原产生电能。例如，氢，是非常有吸引力的燃料源，因为它是清洁的且它能够用于在燃料电池中有效地产生电。汽车工业在氢燃料电池作为用于车辆的动力源的发展中已经花费了大量资源。由氢燃料电池供能的车辆将比使用内燃机的现今车辆更加有效且将产生更少的排放物。

在通常的燃料电池系统中，氢或富氢的气体作为反应剂通过流动路径被供应到燃料电池的阳极侧，而氧(例如以大气氧的形式)作为反应剂通过分立的流动路径供应到燃料电池的阴极侧。催化剂，通常以贵金属的形式，例如铂，放置在阳极或阴极处，以有助于反应剂电化学转化成电子和正电荷离子(对于氢)以及负电荷离子(对于氧)。在一种熟知的燃料电池形式中，阳极和阴极可以由导电的气体扩散媒介(GDM)层形成，其中催化剂沉积在该气体扩散媒介层上以形成催化剂涂覆的扩散媒介(CCDM)。电解质层(也称为离子聚合物层)分离阳极与阴极用以允许离子从阳极至阴极的选择的通过，而同时阻止产生的电子的通过；作为替代，在阴极处与带电荷离子复合之前，电子被迫使流动通过外部导电的电路(例如负载)用以执行有用的工作。在阴极处的正电荷和负电荷离子的组合导致作为反应的副产物的无污染的水的产生。在另一种熟知的燃料电池形式中，阳极和阴极可以直接形成在电解质层上，用来形成已知为膜电极组件(MEA)的分层结构。

质子交换膜(PEM)燃料电池对于车辆和相关的移动应用已经示出特别的前途。PEM燃料电池的电解质层是固体质子传输膜，例如全氟磺酸膜(PFSA)(其商业实例是Nafion^TM)。不管是使用上述的基于MEA的方法还是基于CCDM的方法，与阴极通过电介质层分立的阳极的出现形成了单个PEM燃料电池；许多这样的单个电池可以组合用以形成燃料电池堆，增加其功率输出。多个堆可以耦合在一起用以进一步增加功率输出。

燃料电池，尤其是PEM燃料电池，需要平衡的水的水平以确保合适的操作。例如，在燃料电池中避免具有过多的水是重要的，其可能导致反应剂流动场通道的淹没或相关的阻塞，从而危害电池操作。在另一方面，过少的水化作用限制膜的电导率且可能导致过早的电池故障。在保持水的水平平衡中的难度加剧在于存在发生在燃料电池中的大量的冲突反应，其同时地增加和减少局部和全局的水化作用水平。

确保水化作用在整个燃料电池中的适当水平的一种方法包括在反应剂进入燃料电池之前加湿所述反应剂中的一个或两个。例如，通过合适的加湿装置，可以使用在阴极处产生的水，以减少阳极或PFSA离子聚合物膜的脱水作用的可能性。这样的加湿装置的一个实例是水蒸汽传送(WVT)单元(也称为膜加湿器)，其从潮湿的燃料电池流动路径或流动通道抽取湿气且将其放置进入用于传送低湿度反应剂的流动路径中。这通常通过使用WVT膜来完成，该膜布置在邻近的高湿度与低湿度流体之间。该膜允许水蒸汽从较高湿度流体通过它流到较低湿度流体，同时阻止气体从低湿度流体(例如，阴极入口气体)不合期望地直接流到包含高湿度流体(例如，阴极出口气体)的出口，无需首先通过该燃料电池。在建造的一种形式中，该膜可以附接至GDM。WVT膜与GDM的组合可以称为分离器、分离器板、或膜加湿器组件。大量的这样的分离器板可以堆叠在一起使得交替层有助于干流体与湿流体的相互作用。

在一种形式中，堆叠的分离器板通常包括适于传送阴极和阳极流体的多个板内流动通道。WVT单元可以是交叉流动WVT单元，其中相邻板的流动通道定向为彼此垂直。在另一配置中，WVT单元可以限定相反流布置，其中通过湿板的流动与通过干板的流动的方向相反。

传统地，WVT单元封装在大体立方体单元中，其外部地附接至燃料电池堆且具有四个歧管，所述歧管作为用于相应的湿的和干的流动通道的入口和出口。通常地，WVT单元壳体集成在燃料电池模块例如下端单元(LEU)内的燃料电池系统中。为了防止湿的和干的流体两者的泄露，其减少燃料电池系统的效率和寿命，歧管被密封在表面上，通过该表面它们在WVT单元内连接至堆。前述的交叉流配置需要在每一个平面上的密封，通过所述平面，入口和出口歧管连接至WVT单元；通常地，密封发生在WVT单元的至少三个平面上，其中这些平面的一个与剩余的两个成角度。密封用于将所有四个流体流动歧管(湿入口和湿出口和干入口和干出口)密封至在LEU内的它们的匹配元件。