[发明专利]微桁架水蒸汽传输装置

说明书

技术领域

本公开涉及燃料电池部件，尤其涉及通过光聚作用制造的水蒸汽传输装置。

背景技术

燃料电池已经被提出为用于电动车辆及多种其它应用的一种清洁、有效和环保的能源。单独的燃料电池可串联堆叠在一起形成用于多种应用的燃料电池堆。燃料电池堆能够供应足以驱动车辆的电量。特别地，燃料电池堆已经被认为可能替代现代汽车中使用的传统内燃机。

一种燃料电池是聚合物电解质膜（PEM）燃料电池。PEM燃料电池包括三个基本部件：电解质膜；和一对电极，包括阴极和阳极。电解质膜夹在电极之间形成膜电极组件（MEA）。MEA通常布置在多孔扩散介质（DM）之间，例如碳纤维纸，便于反应物的传输，例如氢气到阳极，氧气到阴极。在电化学燃料电池反应中，氧气在阳极中被催化氧化产生自由质子和电子。质子通过电解质到阴极。阳极的电子无法通过电解质膜，而是通过电力负载（例如电机）作为电流到达阴极。质子与阴极中的氧气和电子反应产生水。

如本领域所公知的，燃料电池堆中的膜为了有效的性能必须具有一定的相对温度（RH）。常常进行测量以将膜水合作用保持在最优化质子穿过电解质膜的期望范围内。在通常的方法中，至少一种反应物在被引导至燃料电池之前被引导至膜湿润器或水蒸汽传输（WVT）装置。例如，在Goebel等人共同享有的美国专利No.7,036,466、Sennoun等人共同享有的美国专利申请公开No.2006/0029837及Forte共同享有的美国专利申请公开No.2005/0260469中描述了燃料电池的湿润，这些文献的内容都通过参考包含于本文。WVT装置通常用于湿润被引导至燃料电池堆的阴极的空气。Tanihara等人的美国专利No.7,156,379（该篇文献的内容通过参考包含于本文）和Shimanuki等人的美国专利No.6,471,195（该篇文献的内容通过参考包含于本文）中图示和描述了空气湿润器的实例。WVT装置可在燃料电池堆的外部或形成在燃料电池堆内。

Zhang等人共享的美国专利申请公开No.2008/0001313中公开了一种典型的膜湿润器型WTV装置，该篇文献的内容通过参考包含于本文。膜湿润器包括基本上平面的第一板和基本上平面的第二板，其中第一板具有形成在其中的至少一个基本上线性的流动通道，第二板具有形成在其中的至少一个基本上线性的流动通道。第一和第二板的流动通道分别便于第一和第二气体从其中流动通过。扩散介质布置在在第一与第二板之间，并适于允许水蒸汽从其传输通过。膜也布置在第一板与第二板之间，并适于允许水蒸汽从其传输通过。第一气体中的水蒸汽传输通过扩散介质和膜至第二气体。

对于具有水蒸汽传输装置的燃料电池系统持续有如下需要：保持机械强度及有关水蒸汽传输装置的膜的蠕变、热膨胀和湿膨胀的稳定性。期望地，水蒸汽传输装置具有在水蒸汽传输装置操作期间足以吸收膜膨胀的通过平面刚度。

发明内容

根据本公开，令人惊喜地公开了一种具有水蒸汽传输装置，其保持机械强度及有关水蒸汽传输装置的膜的蠕变、热膨胀和湿膨胀的稳定性，并具有在水蒸汽传输装置操作期间足以吸收膜膨胀的通过平面刚度。

在一个实施例中，燃料电池系统包括燃料电池，该燃料电池具有布置在一对电极之间的电解质膜、一对扩散介质层及一对导电燃料电池板，所述电极构造成接收湿润流体。所述电极构造成从与其流体连通的水蒸汽传输装置接收湿润流体。所述水蒸汽传输装置包括湿流区域层, 所述湿流区域层具有布置在一对细微桁架结构之间的粗微桁架结构。所述湿流区域层的粗和细微桁架结构由辐射敏感材料形成。干流区域层具有布置在一对细微桁架结构之间的粗微桁架结构。所述干流区域层的粗和细微桁架结构由辐射敏感材料形成。膜布置在所述湿流区域层与所述干流区域层之间，并且适于允许水蒸汽从湿流体从其传输通过至干流体，以形成湿润流体。

本发明还提供了以下方案：

1. 一种燃料电池系统，包括：

燃料电池，其具有布置在一对电极之间的电解质膜、一对扩散介质层及一对导电燃料电池板，所述电极构造成接收湿润流体；以及

与所述燃料电池流体连通的水蒸汽传输装置，所述水蒸汽传输装置包括湿流区域层、干流区域层和布置在所述湿流区域层与所述干流区域层之间的膜，其中所述湿流区域层具有布置在一对细微桁架结构之间的粗微桁架结构，所述湿流区域层由辐射敏感材料形成，并且适于促进湿流体从其中流动通过，所述干流区域层具有布置在一对细微桁架结构之间的粗微桁架结构，所述干流区域层由辐射敏感材料形成，并且适于促进干流体从其中流动通过，所述膜适于允许水蒸汽通过其中从所述湿流体传输至所述干流体。