專利名稱：用于燃料電池發(fā)電設(shè)備的物質(zhì)傳輸復(fù)合膜片的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及在大約環(huán)境壓力下操作并且適合于在運輸工具中使用的燃料電池發(fā)電設(shè)備，如便攜發(fā)電設(shè)備或靜止發(fā)電設(shè)備，并且本發(fā)明尤其涉及把諸如從該設(shè)備中排除的水蒸氣這樣的物質(zhì)傳遞回到該設(shè)備以增進該設(shè)備的水份平衡和能量效率的燃料電池發(fā)電設(shè)備。
背景技術(shù)：
燃料電池發(fā)電設(shè)備是公知的并且通常用于還原和氧化流體來產(chǎn)生電能，以用于電能裝置，如運輸工具航天器。在這種發(fā)電設(shè)備中，大量平面燃料電池通常被成堆設(shè)置，以電絕緣的框架靠包圍該堆，其中框架限定了用于引導(dǎo)還原、氧化、冷卻及生成物流體的流動的多叉管。各個電池通常包括由電解質(zhì)分開的陽極和陰極。反應(yīng)物或還原流體，如氫，被提供給陽極，并且氧化劑，如氧或空氣被提供給陰極。在把質(zhì)子交換膜片用作電解質(zhì)的電池中，氫在陽極催化劑的表面電化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生氫離子和質(zhì)子。把電子引導(dǎo)到外部負載電路并且然后返回到陰極，同時，氫離子傳輸過電解質(zhì)到達陰極，在那里它們與氧化劑和電子反應(yīng)，產(chǎn)生水并釋放熱能。
這種燃料電池的陽極和陰極由不同類型的電解質(zhì)分開，這取決于燃料電池的操作條件和工作環(huán)境的限制。一種這樣的電解質(zhì)是質(zhì)子交換膜片(“PEM”)電解質(zhì)，其公知由固體聚合物構(gòu)成。其它用于燃料電池的常見電解質(zhì)包括維持在陽極和陰極之間的多孔的非傳導(dǎo)性基體中的磷酸或氫氧化鉀。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)在滿足特定操作參數(shù)方面PEM電池具有比液體酸或堿電解質(zhì)本質(zhì)上優(yōu)越性，因為PEM膜片在還原流體與氧化劑之間提供隔離物，其比通過毛細管力維持在多孔基體中的液體電解質(zhì)更能容忍壓力差動。另外，PEM電解質(zhì)被固定，不能從電池浸出，并且膜片具有相對穩(wěn)定的保水力。但是，眾所周知，PEM電池有明顯的限制，尤其在液體水向PEM的傳輸和從PEM的脫離方面以及在把還原氣體和氧化流體同時傳輸?shù)揭约皞鬏旊x開與PEM的相對的表面相鄰的電極方面有明顯限制。已有技術(shù)包括很多工作，以把這些限制最小化。
在使用PEM的燃料電池的操作中，膜片水飽和，并且與膜片相鄰的陽極必須保持濕潤。由于產(chǎn)生在陽極處的氫離子傳輸過電解質(zhì)，它們把水分子與它們自身一起從陽極拖到陰極。水還通過滲透從陰極傳輸回到陽極。在陰極處形成的產(chǎn)物水通過蒸發(fā)或夾帶被移入氧化劑循環(huán)氣流，或通過毛細作用浸入或經(jīng)過與陰極相鄰的多孔流體傳輸層。多孔水傳輸板把液態(tài)水從冷卻水源提供到陽極，并且把水從將其返回的陰極移到冷卻水源和該傳輸板，從而也用來把熱量從電解質(zhì)和電極移開。
在PEM燃料電池操作中，關(guān)鍵是在陰極處產(chǎn)生水的速率與把水移離陰極并且把液態(tài)水提供給陽極的速率之間保持適當(dāng)?shù)乃胶狻．?dāng)從電池到外部負載電路引出的電流變化并且電池的操作環(huán)境變化時，燃料電池性能的操作極限由電池維持水平衡的能力限定。對于PEM燃料電池，如果沒有足夠的水被返回到陽極，PEM電解質(zhì)的相鄰部分枯竭，從而降低氫離子經(jīng)PEM傳輸?shù)乃俾?，還導(dǎo)致還原流體的過渡(cross-over)，致使局部過熱。類似地，如果從陽極移去的水不足，陰極會水過多，有效地限制向陰極提供的氧化劑，從而降低電流。另外，如果通過氧化劑氣流把太多的水從陰極移出，則陰極枯竭，限制了氫離子通過PEM的能力，從而降低電池性能。
由于燃料電池已經(jīng)被集成到電力運輸工具，如汽車、卡車、公共汽車等上安裝的發(fā)電設(shè)備中，由于各種因素在發(fā)電設(shè)備中維持高效的水平衡成為了更大的挑戰(zhàn)。例如，對靜止燃料電池發(fā)電設(shè)備，水份從發(fā)電設(shè)備的流失可通過從與該設(shè)備獨立的源向該設(shè)備提供水來替代。但是對于運輸工具，為把燃料電池發(fā)電設(shè)備的重量和空間要求降低到最小，該設(shè)備必須能水份自足。水份自足意味著足夠的水必須被維持在該設(shè)備中來補償反應(yīng)流體流帶來的損失，以高效地操作該設(shè)備。例如，經(jīng)由氣態(tài)氧化劑的陰極排氣流和/或氣態(tài)還原流體的陽極排氣流構(gòu)成的設(shè)備排氣流排除該設(shè)備的水必須由陰極處電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的水平衡，并被維持在該設(shè)備內(nèi)。
加強用于運輸工具中的燃料電池發(fā)電設(shè)備的水平衡的一個方法是對電池和相關(guān)組件增壓以提高高壓氣體流中的反應(yīng)濃度，從而降低經(jīng)設(shè)備排氣流的水損失。但是，這種增壓燃料電池發(fā)電設(shè)備要求附加成本、重量和控制裝置，以提供適當(dāng)?shù)膲毫Νh(huán)境與控制，并且增壓的設(shè)備要求從該設(shè)備得到的附加的能量，以操作增壓泵、閥、扇等，這對于便攜發(fā)電設(shè)備是不實際的。
另一個加強水平衡的方法是使用發(fā)電設(shè)備排氣流的下游的冷凝熱交換器，其中排氣流被冷卻到露點溫度或以下，以從排氣流凝結(jié)出液體，從而液體可被返回到發(fā)電設(shè)備。使用冷凝熱交換器的PEM燃料電池發(fā)電設(shè)備的一個例子如1996年11月12日頒布給Van Dine等人的并轉(zhuǎn)讓給本發(fā)明的受讓人的US專利No.5,573,866所示，該專利這里引入為參考。使用一個或多個冷凝熱交換器的多個其它燃料電池發(fā)電設(shè)備技術(shù)上是已知的，它們通常使用周圍空氣流作為通過交換器的冷卻流體，來冷卻設(shè)備排氣流。在Van Dine等人的專利中，熱交換器被用于冷卻排除容納陰極的陰極室的排氣流。在浸入陰極殼體之前，該流體提供空氣作為陰極的氧化劑，并且一離開該室，該流包括蒸發(fā)的產(chǎn)物水和一部分甲醇、通過PEM的還原流體。冷凝熱交換器通過與冷卻周圍空氣流有熱交換關(guān)系的陰極排氣流，之后，間接地通過管道系統(tǒng)把冷凝的甲醇和水引回到電池的陽極側(cè)。
盡管冷凝熱交換器已經(jīng)加強了水平衡和周圍的能量效率并對燃料電池發(fā)電設(shè)備增壓，隨著周圍溫度升高，冷凝熱交換器反而降低水恢復(fù)效率。在發(fā)電設(shè)備對運輸工具，如汽車供電時，該設(shè)備將被暴露于極寬的范圍的周圍溫度。例如，在周圍空氣冷卻流通過熱交換器時，交換器的性能將作為周圍空氣的溫度的直接函數(shù)而改變，因為隨著周圍空氣溫度升高，從發(fā)電設(shè)備排氣流凝結(jié)出的液體的量降低。
另一種設(shè)計來用在運輸工具中的復(fù)雜的已知燃料電池發(fā)電設(shè)備也與周圍空氣條件的波動相關(guān)。這種設(shè)備的燃料電池通常使用周圍空氣作為引向陰極的氧化劑。熱干燥周圍空氣增加了陰極干透的風(fēng)險性。因此，進行了很多努力來防止尤其是PEM燃料電池中的陰極和相鄰的電解質(zhì)的干透，包括把從冷凝熱交換器冷凝出的液體引入以使浸入電池的氣態(tài)反應(yīng)物和氧化劑流潮濕；在與電極相通的流體中添加多孔支持層和水傳輸板，以經(jīng)相鄰的電池移動冷卻水；以及在電池的陽極側(cè)產(chǎn)生壓力差動，其中氣態(tài)還原流體被維持在比通過與還原氣體分布通道相鄰的多孔支持層的冷卻水和陽極提供的水稍高的壓力下，從而壓力差動有助于水經(jīng)多孔支持層和電池傳輸。維持有效的水平衡的這種努力包括附加成本、重量和體積，并且常常要求復(fù)雜的控制裝置。
因此，已知的增壓設(shè)備和使用周圍空氣作為陰極氧化劑或把周圍空氣使用于冷凝熱交換器的設(shè)備由于上述特征不能最大化有效的水平衡并且不能最小化操作能量要求。因此，非常需要制造一種燃料電池供電設(shè)備，其實現(xiàn)整個設(shè)備的有效的水平衡并且最小化設(shè)備操作能量要求。
發(fā)明的公開公開了一種與燃料電池發(fā)電設(shè)備一起使用的物質(zhì)傳輸復(fù)合膜片(masstransfer composite membrane)。物質(zhì)傳輸復(fù)合膜片包括相對的堅硬多孔支持薄層(sheet)之間的傳輸媒介核心，其中復(fù)合膜片的引入表面定位成與燃料電池發(fā)電設(shè)備的氧化劑引入流接觸，把復(fù)合膜片的相對的排氣表面定位成與退出燃料電池發(fā)電設(shè)備的排氣流接觸。傳輸媒介核心可包括用于從由極性和非極性分子構(gòu)成的流體流中吸附如水分子的極性分子構(gòu)成的流體物質(zhì)的各種形式的材料的任何一種。優(yōu)選的傳輸媒介核心是含離子鍵的膜片，如水飽和的聚氟磺酸離子鍵膜片。多孔的支持薄層可包括帶有熱固樹脂的強化纖維，如帶有酚醛樹脂的碳薄層，或帶有環(huán)氧樹脂的玻璃纖維，其中薄層被熱固化為剛性結(jié)構(gòu)。
物質(zhì)傳輸復(fù)合膜片可被設(shè)置在與燃料電池發(fā)電設(shè)備引入和排氣流相通的物質(zhì)傳輸設(shè)備的框體內(nèi)，從而該框體限制了引入流和排氣流的大量混合?？蝮w可限定多叉管、通路和封層，以把引入和排氣流引導(dǎo)成與復(fù)合膜片接觸，或?qū)⑵湟龑?dǎo)出框體外?；蛘撸嗖婀芸稍诳蝮w外部。物質(zhì)傳輸復(fù)合膜片可以是限定突起和凹陷的平坦或模壓(mounded)的層。大量模壓層膜片可以以鏡面圖像關(guān)系設(shè)置在框體內(nèi)，其中相鄰的膜片的模壓形成的突起和凹陷彼此接觸。在這種鏡面圖像關(guān)系中，模壓的物質(zhì)交換復(fù)合膜片合作來相互結(jié)構(gòu)支持，用于加強通過相鄰的模之間限定的通路的流體的混合，并用于提高每一單位體積的框體暴露于流體的膜片的表面面積。
在使用根據(jù)本發(fā)明的物質(zhì)交換復(fù)合膜片的燃料電池發(fā)電設(shè)備的操作中，傳遞到燃料電池之前的氧化劑引入流經(jīng)框體被引導(dǎo)成與膜片的引入表面接觸，同時排氣流被通過該框架引導(dǎo)成與該膜片的排氣表面接觸。排氣流中的水分子和任何其它極性分子(如甲醇)將選擇地傳輸過傳輸媒介核心，并進入引入流，以幫助濕潤和加熱引入流，從而有助于通過限制電池的水損失保持燃料電池內(nèi)的水平衡。
因此，本發(fā)明的通常的目的是提供一種與燃料電池發(fā)電設(shè)備一起使用的物質(zhì)傳輸復(fù)合膜片，其克服了已有技術(shù)的燃料電池發(fā)電設(shè)備的不足。
更具體的目標(biāo)是提供一種用在燃料電池發(fā)電設(shè)備的物質(zhì)傳輸設(shè)備內(nèi)的物質(zhì)傳輸復(fù)合膜片，其與周圍空氣條件無關(guān)地把熱量、水和燃料從設(shè)備排氣流傳輸?shù)皆O(shè)備引入流。
還有一個目的是提供一種用在燃料電池發(fā)電設(shè)備的物質(zhì)傳輸設(shè)備內(nèi)的物質(zhì)傳輸復(fù)合膜片，其在物質(zhì)傳輸設(shè)備中可忍受大的壓力波動。
當(dāng)聯(lián)系附圖閱讀下面的說明時，本發(fā)明的這些和其它目標(biāo)變得更明顯。
附圖的簡要描述

圖1是本發(fā)明的物質(zhì)傳輸復(fù)合膜片在燃料電池發(fā)電設(shè)備的物質(zhì)傳輸設(shè)備內(nèi)的簡單表示；圖2A是本發(fā)明的物質(zhì)傳輸復(fù)合膜片的第一實施例的剖面圖；圖2B是本發(fā)明的物質(zhì)傳輸復(fù)合膜片的第二實施例的剖面圖；圖3是表示出在框體肩部上支持的膜片的本發(fā)明的物質(zhì)傳輸復(fù)合膜片的模壓層實施例的剖面圖；圖4是圖3的模壓層物質(zhì)傳輸復(fù)合膜片和框體肩部的部分(fragrmentary)透視圖；圖5是沿著圖6的線5-5的大量以鏡面圖像關(guān)系支持在框體內(nèi)的模壓層物質(zhì)傳輸復(fù)合膜片的側(cè)剖面圖；
圖6是用于容納大量模壓層物質(zhì)傳輸復(fù)合膜片的物質(zhì)傳輸設(shè)備的框體的頂剖面圖。
實施本發(fā)明的最佳模式具體參考附圖，在圖1中簡單表示出燃料電池發(fā)電設(shè)備并且通常以參考序號10表示，作為用于本發(fā)明的物質(zhì)傳輸復(fù)合膜片12的適當(dāng)?shù)墓ぷ鳝h(huán)境。發(fā)電設(shè)備10包括至少一個燃料電池13和支持膜片12的物質(zhì)傳輸設(shè)備14。燃料電池13包括如質(zhì)子交換膜片(“PEM”)或酸或具有第一主表面18和相對的第二主表面20的基底電解質(zhì)的電解質(zhì)16；由多孔陽極支持層24支持的與電解質(zhì)16的第一主表面18緊密接觸的陽極22；由多孔陽極支持層28支持的與電解質(zhì)16的第二主表面20緊密接觸的陰極26。陽極和陰極多孔支持層24,28可由多孔或開槽的石墨、碳或金屬薄層構(gòu)成。燃料電池13可與另一個實際相同的燃料電池(未示出)以公知方式結(jié)合，來形成一個電池堆。如已有技術(shù)中常見的那樣，可把燃料電池13封閉在結(jié)構(gòu)30中，該結(jié)構(gòu)限定用于把還原流體和氧化劑流引導(dǎo)進或引導(dǎo)出電池的多叉管，該結(jié)構(gòu)30還包括導(dǎo)電裝置，用于把燃料電池產(chǎn)生的電流引導(dǎo)出電池13，到達用電設(shè)備32，如通過一個標(biāo)準(zhǔn)外部負載電路34來進行。
諸如空氣的氧化劑或引入流經(jīng)主要氧化劑通道38從氧化劑源36被引入燃料電池13，該通道把氧化劑流傳送到多孔陰極支持層28中，使得氧化劑通過并與陰極26接觸，以向陰極26提供氧化劑，用于促進陰極處的電化學(xué)反應(yīng)并通過蒸發(fā)和/或夾帶把在陰極26處形成的水以及電解質(zhì)16從陽極22攜帶來的水或氧化劑流中的任何加濕的水掃入氧化劑流中。之后氧化劑流作為設(shè)備排氣通道40內(nèi)的設(shè)備排氣流流出陰極支持層28。設(shè)備排氣通道可在這種流通過輔助燃燒器(未示出)之后引導(dǎo)陽極排氣流。因此，設(shè)備排氣流可包括流出陰極支持層的陰極排氣流或流經(jīng)輔助燃燒器的陽極排氣流，或陰極與陽極排氣流的組合。還原流體流從還原流體提供源42經(jīng)還原流體入口44被引導(dǎo)到多孔陽極支持層24，從而諸如氫的還原流體變?yōu)榕c陽極22接觸。以公知方式，在陽極22處還原流體電化學(xué)反應(yīng)，以產(chǎn)生質(zhì)子和電子，其中電子流經(jīng)外部負載電路34，對如對運輸工具供電的電機的電設(shè)備32供電，同時，質(zhì)子途徑電解質(zhì)16到達陰極26。然后電子繼續(xù)經(jīng)電路34到達陰極，在那里，它們與氧化劑和質(zhì)子反應(yīng)，形成水和熱。
物質(zhì)傳輸設(shè)備14被固定于與主氧化劑通道38和設(shè)備排氣通道40連通的流體中。物質(zhì)傳輸設(shè)備14包括用于支持與氧化劑引入流和設(shè)備排氣流成物質(zhì)傳輸關(guān)系的物質(zhì)傳輸復(fù)合膜片12、并用于防止引入和排氣流之間的大量混合的框體裝置46。框體裝置可在框體的引入通道48與框體的排氣通道50之間支持膜片12。引入通道48把氧化劑或引入流從引入流供給管道52引導(dǎo)過物質(zhì)傳輸復(fù)合膜片12的引入表面54并引出框體46而進入主氧化劑通道38?？蝮w46的排氣通道50把設(shè)備排氣流從設(shè)備排氣通道40經(jīng)膜片12的排氣表面56引導(dǎo)出框體46，并經(jīng)設(shè)備排放口58離開設(shè)備10。從而框體46的引入和排氣通道48,50與物質(zhì)傳輸復(fù)合膜片12合作來限制氧化劑引入和設(shè)備排氣流之間的大量混合并把膜片12定位成與引入和排氣流有物質(zhì)傳輸關(guān)系。燃料電池發(fā)電設(shè)備10還可包括定位在引入流供給管道52上的鼓風(fēng)機60，以可變地加速氣體氧化劑向設(shè)備10的流動?？蛇x擇地，出于相同的目的，鼓風(fēng)機60可沿著主氧化劑通道38被定位。但是，應(yīng)強調(diào)這種鼓風(fēng)機具有把氧化劑的操作壓力僅稍微提高到從空氣壓力到空氣壓力以上的大約1.0P.S.I的范圍，或從大約14.7P.S.I.A到大約15.7P.S.I.A的能力。
最好如圖2A所示，物質(zhì)傳輸復(fù)合膜片12包括設(shè)置在第一剛性、多孔、支持薄層64與第二剛性、多孔、支持薄層66之間的傳輸媒介核心62。復(fù)合膜片12的引入表面54是第一剛性、多孔、支持薄層64的與接觸傳輸媒介核心62接觸的第一支持薄層64的接觸表面68相對的外表面。膜片12的排氣表面56是第二剛性、多孔、支持薄層66的與接觸核心62的第二支持薄層66的接觸表面70相對的外表面。
傳輸媒介核心62可以是傳輸媒介核心裝置，用于選擇地吸附由包含極性和非極性分子組成的流體物質(zhì)的第一流體流內(nèi)的極性分子構(gòu)成的流體物質(zhì)，例如包括水蒸汽和/或夾帶的液體水份(是極性分子構(gòu)成的流體物質(zhì))和空氣(是非極性分子構(gòu)成的物質(zhì))的一個流，并用于把吸收的流體解除吸附而成為具有比第一流更低含量的極性分子所構(gòu)成的流體物質(zhì)的第二流。在使用傳輸媒介核心裝置中，第一流是設(shè)備排氣流，第二流是引入流。列舉出的傳輸媒介核心裝置包括含離子鍵的材料，如美國Delaware的Willmington的E.I.DuPont公司的商標(biāo)名稱為“NAFION”水飽和的聚氟磺酸離子鍵膜片。
第一與第二剛性、多孔、支持薄層64,66可以是剛性的多孔的支持薄層裝置，用于以剛性配置支持傳輸媒介核心，如帶有集成其中的熱固樹脂的強化纖維。列舉出的支持薄層包括如帶有酚醛樹脂的碳纖維薄層，或帶有環(huán)氧樹脂的玻璃纖維。
如圖2B所示，物質(zhì)傳輸復(fù)合膜片12包括傳輸媒介核心裝置的另一個實施例，這里稱為三層核心72，其中，核心62被設(shè)置在第一多孔憎水層74和第二多孔憎水層76之間。列舉出的多孔憎水層72和74包括憎水聚合物薄層，如美國Delaware的Willmington的DuPont公司銷售的公知的“TEFLON”聚合物。
物質(zhì)傳輸復(fù)合膜片12可形成于模壓層78中，最好從圖2和4可見，以獲得后面要描述的很多優(yōu)點。在一個優(yōu)選實施例中，模壓層復(fù)合膜片78被固緊于框體46的底表面84上面的第一框體肩部80和第二框體肩部82之間。第一框體肩部80包括第一肩部86或邊緣，第二框體肩部82包括第二肩部88以使得膜片78被緊固于并延伸在第一和第二肩部86,88之間。第一框體肩部80限定第一引入流槽90，第二框體肩部82限定第二引入流槽92，該槽允許氧化劑引入流流進或流出，而與模壓層復(fù)合膜片78的引入表面94接觸或不接觸。
最好從圖3可見，模壓層復(fù)合膜片78形成第一、第二和第三突起96A,96B,96C以及第一、第二、第三和第四凹陷98A,98B,98C和98D，它們相互合作來限定大量引入流通道和排氣流通道。為了容易理解和更有效，引入流通道在圖3和5中以參考字母“IS”指定，排氣流通道以參考字母“ES”指定。排氣流通道ES允許燃料電池設(shè)備排氣流通過并與模壓層復(fù)合膜片的排氣表面100接觸。為了容易理解，在圖3,4和5所見的代表性的例子的引入流通道還提供有參考序號102A,102B,102C,102D，并且在圖3,4和5所見的代表性的例子的排氣流通道同樣給出參考序號104A,104B,104C。
圖4是圖3的支持在第一與第二框體肩部80,82之間的模壓層復(fù)合膜片78的部分頂透視圖，其表示出膜片78的一部分的突起和凹陷的蛋箱形狀，這一點與圖3的橫剖面圖正好相反。模壓層復(fù)合膜片78的實際相同的附加突起表示在圖4中并標(biāo)以96D,96E,96F,96G,96H,96I,96J,96K,96L,96M，并且為了清楚起見，實際相同的凹陷與這些突起相鄰地部分表示出來，但是并沒有分別地指定參考序號。在圖4中，引入流通道102A,102B,102C,102D更清楚地表示為與接觸膜片78的引入表面94的非線性的引入流通道網(wǎng)集成一起，并且類似地，排氣流通道104A,104B,104C與接觸膜片78的相對的排氣表面100的非線性的排氣流通道網(wǎng)集成一起。如圖4所示，應(yīng)強調(diào)模壓層復(fù)合膜片78的任何附加突起和凹陷不必要線對齊或平行對齊，但是反而可以以任何形式設(shè)置，以增強在膜片限定的通道內(nèi)通過的引入和排氣流流體的混合。另外，圖3和4實施例所示的凹陷和突起表現(xiàn)出大致相近似的尺寸，但是對于本發(fā)明，突起和凹陷可以是提供來用于在模壓層復(fù)合膜片78限定的平面下和/或上延伸的任何尺寸。
圖5表示形成于大量模壓層復(fù)合膜片中的物質(zhì)傳輸復(fù)合膜片12，包括與第二模壓層復(fù)合膜片106成鏡面圖像關(guān)系堆疊或設(shè)置的圖3和4所示的模壓層復(fù)合膜片78和第一與第二框體肩部80,82，以及與第二膜片106和第四模壓層復(fù)合膜片110成鏡面圖像關(guān)系來類似堆疊地第三模壓層復(fù)合膜片108。第二模壓層復(fù)合膜片106被支持在第三框體肩部112與第四框體肩部114之間，第三膜片108被支持在第五框體肩部116與第六框體肩部118之間，第四膜片110被支持在第七框體肩部120與第八框體肩部122之間，其中第八框體肩部以合作方式彼此堆疊，來在框體的底表面86與框體46的頂表面124之間限定框體46的流體密封側(cè)，如圖5所示。詞語“以鏡面圖像關(guān)系指模壓層復(fù)合膜片的至少一個突起與一個相鄰模壓層復(fù)合膜片的至少一個凹陷相接觸，例如圖5所示，模壓層復(fù)合膜片78的第一突起96A與第二模壓層復(fù)合膜片106的第一凹陷134相接觸。很明顯，通過如圖5所示的相鄰模壓層的突起與凹陷之間進行多處接觸，這些層就可以彼此協(xié)調(diào)，從而提供針對移動的相互性的結(jié)構(gòu)支撐或者由在引入流‘IS’通道中的流體與排出流體‘ES’通道內(nèi)的流體之間的內(nèi)壓變化所導(dǎo)致的裂口。相鄰模壓與凹陷的其它接觸限定多個集成、曲折通道以便流體流過，由此增強流體的混合與該流體暴露給該膜片的表面。此外，框架46內(nèi)的彼此合作的鏡面圖像關(guān)系的堆疊的相鄰的模壓層復(fù)合膜片78,106,108,110提高每一單位體積的框體暴露于引入和排氣流的膜片的表面面積。
第一、第三、第五和第七框體肩部80,112,116,120彼此合作地限定第一引入流多叉管126，該多叉管與第五框體肩部116中限定的第一引入流槽90和第三引入流槽128交換流體。類似地，第二、第四、第六和第八框體肩部82,114,118和122彼此合作地限定第二引入流多叉管130，該多叉管與第六框體肩部118中限定的第二引入流槽92和第四引入流槽132交換流體。
因此最好在圖5中所示，第一和第二引入流多叉管126,130提供用于引入氧化劑流的通道，以把其傳遞到并傳遞出引入流通道102A,102B,102C,102D和圖5所示的并由字母“IS”指定的其它的引入流通道。要強調(diào)的是，第一和第二引入流多叉管126,130和相關(guān)的引入流槽90,92,128,132僅是本發(fā)明的框體46的一個實施例，框體可包括多叉管裝置，用于把引入氧化劑流引導(dǎo)成與物質(zhì)傳輸復(fù)合膜片12的引入表面54接觸或不接觸，并用于把設(shè)備排氣流引導(dǎo)成與膜片12的排氣表面56接觸或不接觸，如1988年3月1日頒布給Briggs的美國專利No.4728585和1988年3月10日頒布給Romanowski的美國專利No.4743518中所示的內(nèi)部和外部多叉管和熱交換器技術(shù)中公知的多叉管，其中這兩篇專利都被轉(zhuǎn)讓給本發(fā)明的受讓人。
圖6表示框體46從頂部看的部分平面圖，其中第一引入流多叉管126表示為與框體46的上游入口側(cè)136內(nèi)的第一批大量的實際相同的引入流槽交換流體，這些槽中的一些以138A,138B,138C指定，第二引入流多叉管130表示為與框體46的下游入口側(cè)140內(nèi)的第二批大量的實際相同的引入流槽交換流體，這些槽中的一些以142A,142B,142C指定。第一排氣流多叉管144在圖6中表示為在框體46的上游排氣側(cè)146內(nèi)，與第一批大量的實際相同的排氣流槽交換流體，這些槽中的一些以148A,148B,148C指定，第二排氣流多叉管150表示為在框體56的下游排氣側(cè)152內(nèi)，與第二批大量的實際相同的排氣流槽交換流體，這些槽中的一些以154A,154B,154C指定。
在具有支持在圖1,5和6所示的框體46中的本發(fā)明的模壓層傳輸復(fù)合膜片78,106,108,10的燃料電池發(fā)電設(shè)備10的操作中，氧化劑流從氧化劑源36經(jīng)引入流供給管道152到達第一引入流多叉管126并且經(jīng)第一和第三引入槽90,128以及第三批大量的引入槽138A,138B,138C被分散到引入流通道102A,102B,102C,102D和圖5所示的并由字母“IS”指定的其它的引入流通道。氧化劑流將以第一流動箭頭156所指定的一般方向傳遞過框體46并離開引入流通道，經(jīng)第二和第四引入槽92,132以及第二批大量的引入槽142A,142B,142C進入第二引入流多叉管130，并離開框體46進入主氧化劑通道38。設(shè)備排氣流將通過設(shè)備排氣通道40進入第一排氣流多叉管144，經(jīng)第一批大量的排氣槽148A,148b,148C進入排氣通道104A,104B,104C以及圖5所示的標(biāo)有“ES”的其它這種通道，并繼續(xù)以圖6所示的第二流動箭頭158所代表的一般方向通過框體46。之后排氣流經(jīng)第二批大量排氣槽154A,154B,154C進入第二排氣多叉管152并經(jīng)設(shè)備排出口58離開框體46。
應(yīng)強調(diào)圖6僅是簡單表示出引入流供給管道52、主氧化劑通道38、設(shè)備排氣通道40和設(shè)備排出口58沒有直接經(jīng)框體46的側(cè)136,140,146,152進入多叉管126,130,144和150，但是可代替其的是經(jīng)傳統(tǒng)的有效的內(nèi)部或外部多叉管裝置對它們進行引導(dǎo)，如在上述兩個參考的美國專利中所述的那樣并且如技術(shù)上公知的那樣。還指出圖6中第一流動箭頭156以“斷開的線”表示，而第二流動箭頭158以“不間斷的線”表示，為的是強調(diào)經(jīng)引入流通道“IS”的流動方向156與經(jīng)排氣流通道“ES”的流動方向158處于框體內(nèi)的不同的層面。這種不同層面的流動更好是在圖5中表示，其中經(jīng)引入流通道“IS”的流動方向156是從第一框體肩部80到第二框體肩部82的，而經(jīng)排氣流通道“ES”的流動方向158是垂直于第一框體肩部80到第二框體肩部82之間的軸的進入圖5中的方向。
為了解釋的目的，圖6還表示出框體46的在框體46的上游引入側(cè)136與上游的排氣側(cè)146之間被移去的頂表面124的一部分，以簡單表示模壓層復(fù)合膜片78的一部分。如所見的那樣，膜片78的在圖6中的部分包括第一凹陷98A和與框體的上游排氣側(cè)146相鄰的第一突起96A，在第一凹陷和突起98A,96A后面以及之間對齊的另外的突起96D，其進一步例示出圖4所示的各排突起與凹陷的不平行對齊，這用來在整個框體46上限定蛇紋狀引入和排氣流通道。
本發(fā)明的物質(zhì)傳輸復(fù)合膜片12的預(yù)測測試操作在50千瓦燃料電池發(fā)電設(shè)備的增強水平衡方面表示出有利的效果。在測試操作中，物質(zhì)傳輸設(shè)備14的框體46被構(gòu)造來支持以在如圖3,4和5簡單示出的鏡面圖像關(guān)系設(shè)置在模壓層中的大約300平方英尺的復(fù)合膜片12。測試物質(zhì)傳輸復(fù)合膜片包括配置成三層核心的傳輸媒介核心，其中核心大約是5-10微米薄層的“Nafion”，商標(biāo)“Nafion”是由上面參考的E.I.DuPont(杜邦)公司制造聚氟磺酸離子鍵膜片?！癗afion”核心被定位在第一和第二多孔憎水層之間，每個多孔憎水層大約是公知的“Teflon”(特氟瓏)商標(biāo)的憎水聚合物25微米厚的多孔薄層，其也是E.I.DuPont(杜邦)公司制造的常利用的材料。上述尺寸的三層核心還可從美國的Maryland的Ekton的W.L.Gore公司來組裝并且被確定為“Gore Select Membrane”。第一和第二剛性多孔支持薄層64,66從大約8微米厚的碳纖維制造，該碳纖維來自美國紐約的Slate Hill的Technical Fibre Products有限公司，并且指定為“RK25”，用酚醛樹脂將其浸入到大約30-50wt％的含量，這種酚醛樹脂來自美國Wisconsin的Sheboygan的Plenco公司，諸如牌號為No.12285。三層核心和第一與第二剛性多孔支持薄層被設(shè)置在限定想要的模壓層結(jié)構(gòu)的壓模(未示出)上，之后被加熱到275到375華氏度(°F)，進行大約5分鐘。在把層熱固化成剛性模壓層后，把它粘結(jié)到框體肩部，并且大量的模壓層和框體肩部可被緊固于水傳輸設(shè)備14內(nèi)?？蝮w肩部可由技術(shù)上公知的常見的塑料制成，其可兼容地粘結(jié)到模壓層物質(zhì)傳輸復(fù)合材料。
測試操作的結(jié)果表明設(shè)備排氣流(包括陰極和燃燒的陽極排氣流)經(jīng)設(shè)備排氣通道40進入具有上述尺寸的物質(zhì)傳輸復(fù)合膜片的水傳輸設(shè)備，設(shè)備排氣流有大約194°F的溫度和每小時大約155磅的水含量(后面稱為“P.P.H”)，并且當(dāng)其經(jīng)設(shè)備排出口58離開物質(zhì)傳輸設(shè)備時，溫度為152°F且水含量大約是34.4P.P.H。經(jīng)引入流供給管道52進入物質(zhì)傳輸設(shè)備的氧化劑引入流具有大約77°F的溫度和大約0.0P.P.H的水含量。當(dāng)氧化劑引入流經(jīng)主氧化劑通道38離開物質(zhì)傳輸設(shè)備時，其溫度增加到135°F并且水含量增加到大約120P.P.H.。再次應(yīng)強調(diào)本發(fā)明的物質(zhì)傳輸符合膜片12的上述優(yōu)越性能以代表著比已有的燃料電池發(fā)電設(shè)備有本質(zhì)的性能改進的重量輕且致密的結(jié)構(gòu)有利地增強了燃料電池發(fā)電設(shè)備10的水平衡，而與周圍空氣溫度和濕度條件無關(guān)。
盡管本發(fā)明已經(jīng)參考燃料電池發(fā)電設(shè)備的物質(zhì)傳輸復(fù)合膜片的特定結(jié)構(gòu)進行描述和圖示，應(yīng)理解本發(fā)明并不限制于這些特定的例子和圖示。例如，膜片可被用于平直薄層配置、設(shè)置的對這種模壓層沒有鏡面圖像對數(shù)量的特定限制的模壓層實施例或熱交換器技術(shù)中公知的任何其它形式，以暴露與兩個流體成熱或物質(zhì)傳輸關(guān)系的膜片的相對表面。另外，主氧化劑通道38和設(shè)備排氣通道40表示出為管道或溝槽，但是它們可以僅僅是支持燃料電池組件的結(jié)構(gòu)30內(nèi)的通孔，其中物質(zhì)傳輸設(shè)備直接被固緊于該結(jié)構(gòu)。因此，主要以附加的權(quán)利要求而不是前面的描述為參考來確定本發(fā)明的范圍。
權(quán)利要求
1．一種用于燃料電池發(fā)電設(shè)備的物質(zhì)傳輸復(fù)合膜片，具有把氧化劑引入流引導(dǎo)到燃料電池的氧化劑通道并具有把排氣流引導(dǎo)出燃料電池的設(shè)備排氣通道，復(fù)合膜片包括a傳輸媒介核心裝置，用于選擇地從排氣流中吸附極性分子構(gòu)成的流體物質(zhì)，并用于解除吸附由附極性分子構(gòu)成的流體物質(zhì)而成為氧化劑引入流；b第一與第二剛性、多孔、支持薄層，設(shè)置在傳輸媒介核心裝置的相對側(cè)并剛性支持傳輸媒介核心裝置，其中第一支持薄層的外表面限定物質(zhì)傳輸復(fù)合膜片的引入表面，第二支持薄層的外表面限定膜片的排氣表面；c框體裝置，用于支持與氧化劑通道和設(shè)備排氣通道進行流體交換的物質(zhì)傳輸復(fù)合膜片，并用于支持與氧化劑引入流和設(shè)備排氣流成物質(zhì)傳輸關(guān)系的膜片，從而使得引入流與膜片的引入表面接觸，排氣流與膜片的排氣表面接觸。
2．根據(jù)權(quán)利要求1的物質(zhì)傳輸復(fù)合膜片，其中傳輸媒介核心裝置包括含離子鍵的材料。
3．根據(jù)權(quán)利要求1的物質(zhì)傳輸復(fù)合膜片，其中第一與第二剛性、多孔、支持薄層還包括帶有熱固化來剛性支持傳輸媒介核心裝置的整體樹脂的強化纖維薄層。
4．根據(jù)權(quán)利要求1的物質(zhì)傳輸復(fù)合膜片，其中傳輸媒介核心裝置包括三層核心，該三層核心包括定位在核心裝置的相對側(cè)上的第一和第二多孔憎水層，用于選擇地從排氣流中吸附極性分子構(gòu)成的流體物質(zhì)，并用于解除吸附由附極性分子構(gòu)成的流體物質(zhì)而成為氧化劑引入流。
5．根據(jù)權(quán)利要求4的物質(zhì)傳輸復(fù)合膜片，其中第一和第二多孔憎水層每個還包括大約25微米厚的多孔薄層并且核心裝置包括大約5到10微米厚的聚氟磺酸離子鍵材料。
6．根據(jù)權(quán)利要求1的物質(zhì)傳輸復(fù)合膜片，其中膜片形成到模壓層中，包括從膜片引入和排氣表面限定的平面延伸開的突起和凹陷，其中突起和凹陷互相合作來限定大量的引入和排氣流通道。
7．根據(jù)權(quán)利要求1的物質(zhì)傳輸復(fù)合膜片，其中框體裝置包括多叉管裝置，用于把氧化劑引入流引導(dǎo)成與物質(zhì)傳輸復(fù)合膜片的引入表面接觸或引導(dǎo)出不與物質(zhì)傳輸復(fù)合膜片的引入表面接觸，用于把排氣流引導(dǎo)成與膜片的排氣表面接觸或引導(dǎo)出不與膜片的排氣表面接觸，用于防止引入和排氣流的混合。
8．一種用于燃料電池發(fā)電設(shè)備的物質(zhì)傳輸復(fù)合膜片，具有把氧化劑引入流引導(dǎo)到燃料電池的氧化劑通道并具有把排氣流引導(dǎo)出燃料電池的設(shè)備排氣通道，復(fù)合膜片包括a傳輸媒介核心裝置，用于選擇地從排氣流中吸附極性分子構(gòu)成的流體物質(zhì)，并用于解除吸附由附極性分子構(gòu)成的流體物質(zhì)而成為氧化劑引入流；b第一與第二剛性、多孔、支持薄層，設(shè)置在傳輸媒介核心裝置的相對側(cè)并剛性支持傳輸媒介核心裝置，其中第一支持薄層的外表面限定物質(zhì)傳輸復(fù)合膜片的引入表面，第二支持薄層的外表面限定膜片的排氣表面；c物質(zhì)傳輸復(fù)合膜片形成到設(shè)置成鏡面圖像關(guān)系的大量的模壓層復(fù)合膜片中，使得第一模壓層的至少一個突起與相鄰的第二模壓層的至少一個凹陷接觸以限定各層之間的引入流和排氣流通道；d框體裝置，用于支持與氧化劑通道和設(shè)備排氣通道進行流體交換的模壓層復(fù)合膜片，并用于支持與氧化劑引入流和設(shè)備排氣流成物質(zhì)傳輸關(guān)系的膜片，從而使得引入流與膜片的引入表面接觸，排氣流與膜片的排氣表面接觸。
9．根據(jù)權(quán)利要求8的物質(zhì)傳輸復(fù)合膜片，其中傳輸媒介核心裝置包括含離子鍵膜片。
10．根據(jù)權(quán)利要求9的物質(zhì)傳輸復(fù)合膜片，其中第一與第二剛性、多孔、支持薄層還包括帶有熱固化來剛性支持傳輸媒介核心裝置的整體樹脂的強化纖維薄層。
11．根據(jù)權(quán)利要求10的物質(zhì)傳輸復(fù)合膜片，其中傳輸媒介核心裝置包括三層核心，該三層核心包括定位在核心裝置的相對側(cè)上的第一和第二多孔憎水層，用于選擇地從排氣流中吸附極性分子構(gòu)成的流體物質(zhì)，并用于解除吸附由附極性分子構(gòu)成的流體物質(zhì)而成為氧化劑引入流。
12．根據(jù)權(quán)利要求11的物質(zhì)傳輸復(fù)合膜片，其中第一和第二多孔憎水層每個還包括大約25微米厚的多孔薄層并且核心裝置包括大約5到10微米厚的聚氟磺酸離子鍵膜片。
13．根據(jù)權(quán)利要求12的物質(zhì)傳輸復(fù)合膜片，其中框體裝置包括多叉管裝置，用于把氧化劑引入流引導(dǎo)成與物質(zhì)傳輸復(fù)合膜片的引入表面接觸或引導(dǎo)出不與物質(zhì)傳輸復(fù)合膜片的引入表面接觸，用于把排氣流引導(dǎo)成與膜片的排氣表面接觸或引導(dǎo)出不與膜片的排氣表面接觸，用于防止引入和排氣流的混合。
14．一種從離開燃料電池發(fā)電設(shè)備的燃料電池的流體的設(shè)備排氣流恢復(fù)物質(zhì)并把恢復(fù)的物質(zhì)返回到進入燃料電池的氧化劑引入流的方法，該方法包括步驟a經(jīng)剛性支持傳輸媒介核心的物質(zhì)傳輸復(fù)合膜片的第一剛性、多孔、支持薄層傳遞排氣流，該核心用于選擇地從排氣流中吸附極性分子構(gòu)成的流體物質(zhì)，并用于解除吸附由附極性分子構(gòu)成的流體物質(zhì)而成為氧化劑引入流；b經(jīng)相對于第一支持薄層的第二剛性、多孔、支持薄層傳遞氧化劑引入流，其中傳輸媒介核心被設(shè)置在第一和第二支持薄層之間并被它們支持，從而從排氣流中吸附的脊形分子經(jīng)第二支持薄層被解除吸附，成為氧化劑引入流；以及c把氧化劑引入流引導(dǎo)到燃料電池中。
15．根據(jù)權(quán)利要求14的方法，還包括步驟在經(jīng)第一支持薄層傳遞設(shè)備排氣流后，經(jīng)定位在第一支持薄層和傳輸媒介核心之間的第一多孔憎水層傳遞設(shè)備排氣流，并且在經(jīng)第二支持薄層傳遞氧化劑引入流后，經(jīng)定位在第二支持薄層和傳輸媒介核心之間的第二多孔憎水層傳遞氧化劑引入流。
16．根據(jù)權(quán)利要求14的方法，還包括步驟經(jīng)與第一剛性多孔支持薄層相鄰的大量蛇紋狀排氣流通道傳遞設(shè)備排氣流，排氣流通道由物質(zhì)傳輸復(fù)合膜片的模壓層的第一側(cè)的突起和凹陷限定，并且經(jīng)與第二剛性多孔支持薄層相鄰的大量蛇紋狀引入流通道傳遞氧化劑引入流，引入流通道由物質(zhì)傳輸復(fù)合膜片的模壓層的第二側(cè)的突起和凹陷限定。
全文摘要
與燃料電池發(fā)電設(shè)備(10)一起使用的物質(zhì)傳輸復(fù)合膜片(12)包括在相對的剛性、多孔支持薄層(64,66)之間的傳輸媒介核心(62)。引入表面(54)與來自燃料電池(13)的排氣通道(40)接觸以恢復(fù)物質(zhì)并把物質(zhì)傳輸?shù)竭M入燃料電池(13)的氧化劑引入流(38)。優(yōu)選的傳輸媒介核心(62)是含離子鍵的膜片,如水飽和的聚氟磺酸離子鍵膜片。物質(zhì)傳輸復(fù)合膜片(12)可以是限定突起和凹陷的平坦的或模壓層,大量這種層以鏡面圖像關(guān)系被設(shè)置在框體(46)內(nèi),其中相鄰的膜片的壓模形成的突起和凹陷相互接觸以限定用于引入流(IS)和排氣流(ES)的蛇紋狀通道。
文檔編號H01M8/10GK1322147SQ99811790
公開日2001年11月14日 申請日期1999年10月8日 優(yōu)先權(quán)日1998年10月8日
發(fā)明者萊斯利·L·萬旦, 托馬斯·F·富勒, 理查德·D·布勞爾特 申請人:國際燃料電池有限責(zé)任公司