离散支撑的湿侧板制造技术

一种水蒸汽传输分离器板组件及其制造方法。在由交替的湿侧板和干侧板的堆叠体构成的这种组件中，膜设置在湿侧板和干侧板之间，潮湿流体，例如燃料电池阴极排放物中可见的流体，抵靠每个膜的一侧流动，从而其水分含量中的至少一些行进经过膜到达膜的相对侧上的较低湿度流体。较低湿度流体，例如燃料电池阴极入口中可见的流体，通过经过膜的水分流的操作而经受湿度的增加。通过去除干侧板的扩散介质和连续增强结构，组件的至少一部分可以制造得更薄，从而简化总体组件。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术总体上涉及改进由燃料电池产生的水蒸汽的传输的方法，且更具体地涉及改进的水蒸汽传输(WVT)分离器板组件以及制造这种组件的方法。
技术介绍
在许多燃料电池系统中，氢或富含氢气体通过流场供应给燃料电池的阳极侧，同时氧(例如，大气氧的形式)通过独立流场供应给燃料电池的阴极侧。合适的催化剂(例如，钼)通常设置为多孔扩散介质上的层，扩散介质通常由碳织物或纸制成，从而其展现弹性、导电性和透气性。催化扩散介质用于利于阳极侧处的氢氧化和阴极侧处的氧还原。由阳极处的氢分解产生的电流从扩散介质的催化部分穿过且通过独立电路，使得其可以是有用功源，同时，离子化氢穿过MEA与阴极处的离子化氧结合，以形成高温水蒸汽作为反应副产物。在称为质子交换膜或聚合物电解质膜(在任一情况下，PEM)燃料电池的一种燃料电池形式中，全氟磺化酸(PFSA)离聚物膜(例如，Nafion )形式的电解质组装在阳极和阴极的扩散介质之间。该分层结构通常称为膜电极组件(MEA)，且形成单个燃料电池。许多这样的单个电池可以组合以形成燃料电池堆，从而增加其功率输出。燃料电池，尤其是PEM燃料电池，需要平衡水液位以确保适当操作。例如，重要的是避免燃料电池中具有过多的水，这可能导致反应物流场通道的溢流或相关阻塞，从而妨碍电池操作。另一方面，过少的水合作用限制膜的导电性且可能导致过早电池故障。加剧维持水液位平衡的困难的是，在燃料电池中发生许多相冲突的反应，其同时增加和减少局部和总体水合水平。确保燃料电池内的适当水合水平的一种方法包括在反应物进入燃料电池之前湿化反应物中的一种或两者。例如，可以使用阴极处产生的水，借助于合适的加湿装置，以减少阳极或PFSA离聚物膜的脱水的可能性。这样的加湿装置的一个示例是WVT单元(也称为膜加湿器)，其从潮湿燃料电池流动路径(也称为流动通道)吸取水分且将其置于用于传输水分低的反应物的供给路径中。这通常通过使用设置在相邻高湿度和低湿度流体之间的WVT膜来完成。所述膜允许水蒸汽从较高湿度流体穿过所述膜到达较低湿度流体，同时抑制入口气体在不首先穿过燃料电池的情况下从低湿度流体不希望地直接传送到含有高湿度流体的出口。在一种结构形式中，该膜可以附连到扩散介质层(也称为气体扩散介质 (GDM))，其总体上类似于上述MEA的扩散层(除了催化剂层之外)。这种膜和扩散介质层组合可以称为分离器、分离器板或膜加湿器组件。许多这种分离器板可以堆叠在一起，从而交替层利于干燥和潮湿流体的分别通过。在一个形式中，WVT单元包括湿侧分离器板(也称为湿侧板)和干侧分离器板(也称为干侧板)的交替层。已知制造具有整体流动通道的由塑料板制成的WVT分离器组件，其中，气体扩散和膜层使用压敏粘结剂(PSA)附连到塑料板。这种方法的制造、修理或更换是耗时和昂贵的。此外，使用塑料板增加了分离器板的总体尺寸。不包含塑料板的用于燃料电池系统的示例性膜加湿器在Skala的美国公布专利申请2009/0092863中公开，其由本专利技术的受让者拥有且在此通过参考全文引入。该申请中所述的装置描述了用于WVT单元的膜加湿器组件，其具有由扩散介质形成的顶侧和底层， 扩散介质继而由用未固化树脂浸溃的玻璃纤维形成。大致平面的细长带状物阵列设置在扩散介质顶层和底层之间以提供顶层和底层的增强且保持顶层和底层之间间隔开。虽然 Skala系统解决了先前WVT分离器板设计的许多缺陷，但是将期望使用分离器板组件堆叠体来进一步减少WVT单元的总体尺寸、重量和复杂性。
技术实现思路
根据本专利技术的一个方面，一种分离器板组件可以制成较薄、较轻和较简单，以实现在WVT装置的相邻流场之间水蒸汽的有效传输，以便提供WVT干侧的湿化。所述组件可包括彼此隔开的一对湿侧分离器(或分离器板)。一对WVT膜设置在该对湿侧分离器的外表面上或附近，使得所述膜彼此面对面以在它们之间限定干侧流动通道。设置在该对WVT膜的面对面表面之间的间隔构件限定相邻湿侧分离器板之间的干侧区域的厚度。通过这种结构，取代常规干侧板形成的通道具有的厚度基本上由间隔构件限定，而不是由常规绳和附加扩散介质限定。因而，即使在干侧流动通道中存在附加支撑结构，它们也不会造成干侧流动通道厚度增加超过间隔构件所建立的厚度。此外，限定干侧流动通道的相对顶表面和底表面(或者侧向表面，取决于燃料电池取向)的湿侧WVT膜的存在意味着不存在或消除多余膜结构，这进一步有助于燃料电池厚度和部件数量。在一个优选形式中，间隔构件可以是沿反应物流的方向沿相对边缘设置的带的形式。根据本专利技术的另一方面，一种制造这种分离器板组件的各个板的方法可以用于制作较简单、重量较轻、较低成本的WVT单元。所述方法包括提供具有第一和第二表面的一对湿侧分离器^fWVT膜应用于该对湿侧分离器的第一表面；应用边缘带，所述边缘带定位在所述WVT膜中的至少一个的表面的相对边缘上；以及层叠该对湿侧分离器，其中，WVT膜彼此面对面。由此，位于该对WVT膜之间的边缘带限定在该对水蒸汽传输膜之间形成的流动通道的大致全部厚度。如结合本专利技术的至少上述方面所讨论的，分离器板组件可以在没有常规干侧分离器板的情况下制成，其可以用边缘处以及板表面上的任选间歇性(即，离散的)支撑位置处的垫片取代。该配置类似于堆叠的多个湿侧板，从而在每个相邻的堆叠板或层之间是通过相邻湿侧板之间的边缘垫片和离散支撑件形成的薄干侧流动区域。位于湿侧和干侧流场之间的膜允许水分从前者传送到后者。与湿侧分离器的相对侧上的相对平衡压力(例如，由于来自于阴极供给压缩机的相对均匀的进入干侧空气压力)结合，垫片和离散支撑件足以避免在WVT操作期间否则可能发生的振动和相关震动现象。此外，离散支撑件确保板之间的一致间隔，从而导致WVT堆叠体内的均匀分布干侧质量流。如果期望，WVT组件可以使用在生产最终产品时消除板堆叠操作的过程制造。例如，可以使用基于卷筒物的过程，其利于连续形成湿侧分离器板，其中，堆叠体由被打褶和Z型折叠的连续卷筒物物品构成。在一个形式中，与常规“纸和绳”(“paper and string”) 板配置或塑料板配置相比，去除干侧板导致干侧流动通道高度的显著减少。本专利技术人已经发现，通过用本专利技术方法取代“纸和绳”干侧板，可以实现相继湿侧板之间的间隙中的干侧流动通道高度的大约67%的减少或者对于塑料板配置减少高达大约75%。具有离散支撑湿侧板的WVT组件可以具有以下益处中的一个或多个。在一些实施例中，WVT组件可以具有改进的水传输速率性能，例如，已经证实，在原型WVT组件中，在低流量时增加大约5%且在高流量时增加大约25%。这允许减少所需膜活性区域且因而伴随着减少分离器组件的数量。因而，WVT组件由于以下中的一个或多个原因可以具有较低成本(1)消除膜活性区域(和相关板数量)、(2)消除干侧分离器组件部件和(3)堆叠WVT 芯作为分离器组件生产过程的一部分。由于消除干侧分离器组件部件(例如，每个干侧分离器组件3. 4克，可能是大约350克每个芯(取决于WVT组件中的湿和干侧组件的数量)， WVT组件可以具有较低质量，或者2. 6千克目标的大约13. 5% )。由于消除干侧分离器组件部件(例如，对于采用两件式GDM具有87绳的干侧板来说，大约10000件每个芯)，WVT组本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
...

【专利技术属性】
技术研发人员：D·A·马丁彻克，T·D·布伦彻蒂，
申请(专利权)人：通用汽车环球科技运作有限责任公司，
类型：发明
国别省市：