[发明专利]离散支撑的湿侧板

说明书

本申请要求于2011年1月20日提交的美国临时申请No.61/434,569的申请日的权益。

技术领域

本发明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。

背景技术

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，铂)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，)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，其由本发明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渍的玻璃纤维形成。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。

发明内容