專利名稱：采用水緩沖來增加水通量的輸水裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及輸水裝置，并且尤其涉及輸水膜組件，其促進(jìn)水在 流過輸水裝置的流體流之間的傳輸。
背景技術(shù)：
I () () 0 21本節(jié)陳述只是提供與本教示相關(guān)的背景信息，可能并不構(gòu)成現(xiàn)
有技術(shù)。在保持彼此分開的流體流之間輸水的能力可以對(duì)各種應(yīng)用有 用。舉例來說，這種應(yīng)用之一是在燃料電池系統(tǒng)中，其中， 一個(gè)或多 個(gè)反應(yīng)物流一皮另 一 個(gè)流體流濕潤(rùn)。
10004]燃料電池可以以保持膜例如質(zhì)子交換膜(PEM)處于濕潤(rùn)狀態(tài) 的方式進(jìn)行工作。該膜的濕度等級(jí)可以影響燃料電池的性能。如果在 干燥的情況下工作，該膜就可能受到損壞，這可能導(dǎo)致燃料電池的直 接故障或使用年限的減少。為了濕潤(rùn)該膜，該燃料電池可以在浸沒狀 態(tài)下工作，在這期間，燃料電池內(nèi)的濕度等級(jí)大于100%并且在產(chǎn)生 電的期間會(huì)形成液態(tài)水。為了更進(jìn)一步濕潤(rùn)該膜，提供給燃料電池的陰極和/或陽極反應(yīng) 性氣體可以在輸水裝置中被濕潤(rùn)。該輸水裝置可以接收從燃料電池流 出的陰極流出物，其可以包含處于氣態(tài)和/或液態(tài)的水。陰極流出物的 一部分水分可以被輸送到同樣流經(jīng)輸水裝置的陰極或陽極反應(yīng)性氣 體。如此，在被提供給燃料電池之前，便可增加陰極或陽極反應(yīng)性氣 體的濕度。 —種利用了根據(jù)本教示的輸水裝置的方法可包括(1 )提供第 一流體流給輸水裝置中的第 一 流動(dòng)通道，該第 一 流體流在剛進(jìn)入第一 流動(dòng)通道時(shí)具有第一水分；(2)提供第二流體流給輸水裝置中的第二 流動(dòng)通道，第二流體流在剛進(jìn)入第二流動(dòng)通道時(shí)具有小于第 一 水分的 第二水分；(3 )用親水性擴(kuò)散介質(zhì)從第一流體流吸收液態(tài)水；(4 ) 將被親水性擴(kuò)散介質(zhì)所吸收的液態(tài)水輸送到輸水膜；(5 )從第一流 體流擴(kuò)散水汽進(jìn)入親水性擴(kuò)散介質(zhì)之內(nèi)；(6 )將擴(kuò)散進(jìn)親水性擴(kuò)散 介質(zhì)的水汽輸送到輸水膜；以及(7 )將來自親水性擴(kuò)散介質(zhì)的水傳 輸通過輸水膜并且進(jìn)入流過第二流動(dòng)通道的第二流體流之內(nèi)。 10010]從本文提供的詳細(xì)描述中將更明顯地看出本發(fā)明的更廣的適用 范圍。應(yīng)當(dāng)理解，本發(fā)明的描述和特定例子只是起到舉例的作用，并 非意圖限制本教示的范圍。


本文描述的附圖只是起到舉例說明的作用，并非意圖以任何方
式限制本教示的范圍。
圖1是利用了根據(jù)本教示的輸水裝置的示例性燃料電池系統(tǒng)的
圖示；圖4是圖1的水汽輸送裝置內(nèi)的對(duì)立流動(dòng)通道的放大局部側(cè)視
圖，所迷對(duì)立流動(dòng)通道被根據(jù)本教示的輸水膜組件分開；圖5是關(guān)于輸水膜、典型的現(xiàn)有技術(shù)輸水膜組件和根據(jù)本教示
的輸水膜組件的理論水通量作為與其相連的第 一 流體的相對(duì)濕度的
函數(shù)的圖示；圖7是在燃料電池系統(tǒng)的非穩(wěn)態(tài)和穩(wěn)態(tài)工作交替期間，不同輸 水膜組件的理論水通量響應(yīng)的圖示。
具體實(shí)施例方式
1009j下面描述本質(zhì)上僅僅是示例性，并非意圖限制本教示、應(yīng)用或用途。根據(jù)本教示的一種輸水裝置(WTD) 20可以被用在燃料電池系 統(tǒng)22中，如圖1所示。燃料電池系統(tǒng)22可以包括WTD 20、燃料電 池堆24、燃料(陽極反應(yīng)物)供給26、氧化劑(陰極反應(yīng)物)供給 28和一對(duì)調(diào)節(jié)閥30、 31。陽極反應(yīng)物供給26通過適當(dāng)?shù)墓┙o管道32 連到堆24。陽極反應(yīng)物流34 (比如氫)從陽極反應(yīng)物供給26通過管 道32供給堆24。陰極反應(yīng)物供給28通過適當(dāng)?shù)墓┙o管道33連到堆 24并且提供陰極反應(yīng)物流36 (比如壓縮空氣或氧)到堆24。 WTD20 和調(diào)節(jié)閥30、 31可被布置在堆24和陰極反應(yīng)物供給28之間的供給 管道33中。第一調(diào)節(jié)閥30可調(diào)整提供給WTD20的第一陰極反應(yīng)物 流38。第二調(diào)節(jié)閥31可調(diào)整繞過WTD20的第二陰極反應(yīng)物流40。 流38、 40在WTD20的下游合并從而形成提供給堆24的陰極反應(yīng)物 流36。堆24可操作以將陽極和陰極反應(yīng)物流34、 36轉(zhuǎn)換成電、陽極 流出流41和陰;f及流出流42。陽^f及流出流41可以>夂人堆24流出。陰相_ 流出流42可在從燃料電池系統(tǒng)22排出之前流過WTD 20。 f0021]WTD 20既可以接收從堆24流出的陰極流出流42，又可以接收
8第一陰極反應(yīng)物流38。 WTD 20可以保持陰極流出流42與第一陰極 反應(yīng)物流38分開，同時(shí)將陰極流出流42的 一部分水分傳輸?shù)降?一 陰 極反應(yīng)物流38，由此濕潤(rùn)才是供給堆24的陰極反應(yīng)物流36。旁通閥30、 31可以調(diào)整第一和第二陰極反應(yīng)物流38、 40的比例，從而獲得陰極 反應(yīng)物流36的期望相對(duì)濕度。
I0022JWTD 20的流體流動(dòng)通道在圖2-4中更詳細(xì)示出。參照?qǐng)D2，WTD 20可包括多塊彼此相鄰布置的板60,且輸水膜組件(WTMA)64被布 置在它們之間。板60和WTMAs 64可以被夾在一起從而形成層疊結(jié) 構(gòu)62。作為非限制性例子，板60可以是金屬薄板(比如不銹鋼)或 聚合物。板60具有第一表面65，其帶有多個(gè)凹槽或通道66，所述多 個(gè)凹槽或通道66被它們之間多個(gè)槽脊68分開。第一表面65上的凹 槽66和槽脊68在板60的第二表面74上分別形成多個(gè)槽脊70和凹 槽72。凹槽66、 72和槽脊68、 70能夠以多種結(jié)構(gòu)布置從而提供通過 WTI) 20的期望流動(dòng)通道。板60可以被布置成使一塊板60的第一表 面65面對(duì)相鄰板60的第二表面74， O從而令面對(duì)著的第一和第二表 面65、 74上的槽脊68、 70對(duì)齊，并且壓住它們之間的WTMA 64。 在面對(duì)著的第一和第二表面65、 74中的凹槽66、 72由此形成分別用 于第 一 陰極反應(yīng)物流38和陰極流出流42并且被WTMA 64分開的多 個(gè)相鄰流動(dòng)通道78、 80。流動(dòng)通道78、 80與板60中形成的凹槽66、 72的路徑相似。水通過WTMA 64從橫穿流動(dòng)通道80的陰極流出流 42傳輸?shù)綑M穿流動(dòng)通道78的第一陰極反應(yīng)物流38，如下所述。之間 帶有WTMAs 64的相鄰板60的數(shù)量和尺寸可以根據(jù)WTD 20的期望 尺寸和工作進(jìn)行改變。參照?qǐng)D4,每個(gè)流動(dòng)通道78、 80具有沿著板60的一側(cè)或邊緣 的各自的入口82、 84,和沿著板60另一側(cè)或邊緣形成的各自的出口 86、 88，用于分別接收和排出第一陰極反應(yīng)物流38和陰極流出流42。 流動(dòng)通道78的多個(gè)入口 82和出口 86分別連接第一進(jìn)入歧管90 (圖 1)，第一陰極反應(yīng)物流38由此進(jìn)入WTD20,以及連接第一排出歧管 92 (圖1 )，第一陰極反應(yīng)物流38由此離開WTD 20。同樣地，流動(dòng) 通道80的多個(gè)入口 84和出口 88分別連接第二進(jìn)入歧管94 (圖1 ), 陰極流出流42由此進(jìn)入WTD20,以及連接第二排出歧管96(圖1 ), 陰極流出流42由此離開WTD 20。第一和第二進(jìn)入歧管90、 94以及第一和第二排出歧管92、 96可被安置在WTD 20的對(duì)立兩側(cè)上，如圖所示，從而使得第一陰極反應(yīng)物流38和陰極流出流42以相反方向(對(duì)流)流過WTD20。然而應(yīng)當(dāng)"i人識(shí)到，也可以利用同向流動(dòng)或交叉流動(dòng)布置。另外，盡管示出了大致水平的流動(dòng)通道78、 80,但應(yīng)當(dāng)認(rèn)識(shí)到，盡管可能難以實(shí)現(xiàn)本教示的所有益處，但還是可以利用它們之間大致豎直的流動(dòng)通道或布置。
|0024]參照?qǐng)D2-4, WTMA64可包括布置在第一和第二擴(kuò)散介質(zhì)102、104之間的輸水膜100。第一擴(kuò)散介質(zhì)102可面對(duì)流動(dòng)通道78并且連通第一陰極反應(yīng)物流38,同時(shí)第二擴(kuò)散介質(zhì)104面對(duì)流動(dòng)通道80并且連通陰極流出流42。第一和第二擴(kuò)散介質(zhì)102、 104可為輸水膜100提供支撐結(jié)構(gòu)，由此抑制輸水膜IOO的變形。在一些實(shí)施例中，膜100可被覆蓋在擴(kuò)散介質(zhì)102、 104兩者或其中一個(gè)之上。
如圖4所示，第一擴(kuò)散介質(zhì)102在一側(cè)接界于流動(dòng)通道78并且在對(duì)立側(cè)鄰接輸水薄膜100。由基本上和流動(dòng)通道78成直角的第一表面112和基本上平行于流動(dòng)通道78的第二表面1M限定的前緣110被布置在入口 82附近，從而在第一陰極反應(yīng)物流38進(jìn)入流動(dòng)通道78時(shí)使第一表面112直接暴露于第一陰極反應(yīng)物流38。同樣地，第二擴(kuò)散介質(zhì)104在一側(cè)接界于流動(dòng)通道80并且在對(duì)立側(cè)鄰接輸水薄膜l()()。由基本上和流動(dòng)通道80成直角的第一表面122和基本上平行于流動(dòng)通道80的第二表面124限定的前緣120被布置在入口 84附近，從而在陰極流出流42進(jìn)入流動(dòng)通道80時(shí)使第一表面122直接暴露于陰極支流42。在一個(gè)實(shí)施例中，薄膜100覆蓋在擴(kuò)散介質(zhì)102、 104上，擴(kuò)散介質(zhì)102、 104可以延伸至薄膜100的長(zhǎng)度。應(yīng)當(dāng)"i人識(shí)到，板60的填料和定位的不同方法可以改變這種結(jié)構(gòu)。
第一擴(kuò)散介質(zhì)102可以是薄的多孔材料，其可以捕獲和擴(kuò)散氣態(tài)流體。第一擴(kuò)散介質(zhì)102可是疏水性的，因?yàn)樗晌账懦庖簯B(tài)水。這種擴(kuò)散介質(zhì)可由多種材料制成。例如，第一擴(kuò)散介質(zhì)102可以是從Colorado的Boulder燃料電池商店得到的Toray T030或TorayT060紙或大約100pm的其它纖維墊或載體。第一擴(kuò)散介質(zhì)102將傳輸通過薄膜100的水?dāng)U散進(jìn)流過流動(dòng)通道78的陰極反應(yīng)物流38內(nèi)。
第二擴(kuò)散介質(zhì)104可以是親水性的，因?yàn)樗軌驈年帢O流出流42中吸收液態(tài)水和水汽，并且促進(jìn)液態(tài)水和水汽和輸水薄膜100之間
10的連通，如下所述。第二擴(kuò)散介質(zhì)104可以是薄的多孔材料，比如從
或大約100pm的其它:纖維墊或載:。第二擴(kuò)散介質(zhì);04,如果本質(zhì)上不是親水性的，可以將聚乙二醇二丙烯酸鹽和聚乙二醇丙烯酸鹽的溶液通過紫外光或其它親水性處理制備在其上。替換地，第二擴(kuò)散介質(zhì)104可以是直接涂在輸水薄膜100上的薄的親水性涂層。
輸水薄膜100有一個(gè)側(cè)面與第一擴(kuò)散介質(zhì)102接觸，而第二側(cè)面則與第二擴(kuò)散介質(zhì)104接觸。輸水膜100可以是薄的微孔性或致密膜，其允許陰極流出流42中的水在其中流動(dòng)并且濕潤(rùn)第一陰極反應(yīng)物流38。輸水膜100有多種形態(tài)。例如，輸水膜100可以是從DelawareWilmington的DuPont得到的NAFI0N 112。 一些致密膜，如NAFI0N 112,如下所述，當(dāng)與液態(tài)水接觸時(shí)，顯示出水通量的階躍變化。在水通量上具有這種階躍變化的輸水膜可被有利地應(yīng)用在本教示中。希望優(yōu)化從陰極流出流42到陰極反應(yīng)物流36的水通量130從而有助于燃料電池系統(tǒng)22將堆24中的膜保持在期望濕度等級(jí)。本教示通過改善穿過輸水膜100的水通量130來實(shí)現(xiàn)本目標(biāo)，如下文所述。|0032]如前所述，陰極流出流42的水分包括由燃料電池系統(tǒng)22產(chǎn)生的水汽和液態(tài)水。堆24中液態(tài)水生成的速度(Fc)隨著燃料電池系統(tǒng)22的工況改變而變化。燃料電池系統(tǒng)22的工作可被表征為標(biāo)稱工況和過渡工況。標(biāo)稱工況總體上對(duì)應(yīng)于堆24上的電流栽荷總體上i呆持恒定的時(shí)候。過渡工況對(duì)應(yīng)于堆24上的電流栽荷正在變化且燃料電池系統(tǒng)22經(jīng)歷冷啟動(dòng)的時(shí)候。理想地，燃料電池系統(tǒng)22的標(biāo)稱工況期間的液態(tài)水生成速度(Fg)將等于零并且由堆24產(chǎn)生的所有水分都處于水汽形式。然而，一些液態(tài)水可在標(biāo)稱工況期間由堆24產(chǎn)生，或者在堆24和/或陰才及流出管道44內(nèi)可發(fā)生某種冷凝。該冷凝隨著陰極流出流42的相對(duì)濕度增大而更顯著。液態(tài)水生成速度(FG)在標(biāo)稱工況期間總體上保持常^t。例如，當(dāng)堆24輸出約0.4A/cn^的基本上恒定的電流載荷并且在約6(TC下工作時(shí)，堆24的液態(tài)水生成速度(Fc)約為1.3xlO'5gm/( seccn^堆膜面積)。作為另一個(gè)例子，當(dāng)堆24輸出約1.5A/cn^的基本上恒定的電流載荷并且在約40。C下工作時(shí)，液態(tài)水生成速度(FG)約為1.1 x10—4gm/ ( sec cn^堆膜面積)。這些電流栽荷近似代表在標(biāo)稱工況期間堆24上的更高和更低的電流栽荷。在下文中，當(dāng)液態(tài)水生成速度(FG )總體上為常數(shù)時(shí)，對(duì)應(yīng)于燃料電池系統(tǒng)22的標(biāo)稱工況的WTD20工況被稱作穩(wěn)態(tài)工況。
0034]在堆24的過渡工況期間，液態(tài)水生成速度(FG)可發(fā)生變化并且出現(xiàn)急促的液態(tài)水生成尖峰。特別地，冷啟動(dòng)可產(chǎn)生液態(tài)水生成速度(Fc;)的大尖峰。同樣地，從一個(gè)電流栽荷到另一個(gè)電流載荷的轉(zhuǎn)換可引起液態(tài)水生成速度(FG)增加或減小。在下文中，對(duì)應(yīng)于燃料
電池系統(tǒng)22的過渡工況的WTD 20工況被稱作非穩(wěn)態(tài)工況，其中，液態(tài)水生成速度(Fc)可變化和/或產(chǎn)生尖峰。
10035〗現(xiàn)有技術(shù)的WTDs具有在輸水膜的兩側(cè)都帶有疏水性擴(kuò)散介質(zhì)的膜組件并且排出液態(tài)水，或者其沒有擴(kuò)散介質(zhì)。疏水性擴(kuò)散介質(zhì)抑制液態(tài)水的吸收和與輸水膜的連通。 一旦排出，液態(tài)水就不再回收，而液態(tài)水的潛在水通量就此被浪費(fèi)了。在穩(wěn)態(tài)工況期間，這個(gè)未獲得的水通量很小，因?yàn)橐簯B(tài)水的量很小。然而，在非穩(wěn)態(tài)工況期間，這個(gè)未獲得的水通量可更顯著。因?yàn)闆]有擴(kuò)散介質(zhì)，所以膜表面面積就浪費(fèi)了 。當(dāng)陰極支流42包含液態(tài)水時(shí)，通過獲得液態(tài)水至少一部分的潛在水通量而不是簡(jiǎn)單地將液態(tài)水排出WTD20,本教示的WTD20,尤其是WTMA64可有利地增大WTD20的水通量。下面描述超出典型先有技術(shù)WTDs的水通量。
10037j在圖5中，示出了棵輸水膜100>現(xiàn)有技術(shù)的WTMA (兩個(gè)擴(kuò)散介質(zhì)都是疏水性的)，以及根據(jù)本教示的WTMA64 (與相對(duì)更濕潤(rùn)的流體流(原料流體流)接觸的擴(kuò)散介質(zhì)是親水性的，另一個(gè)擴(kuò)散介質(zhì)是疏水性的)，三者的理論水通量的圖示，這些水通量被認(rèn)為是作為與其接觸的原料流體流增大的相對(duì)濕度的函數(shù)而發(fā)生的，并且示出
了與其接觸的原料流體流的水分是100%液態(tài)水的情況。水汽和100%液態(tài)水之間的轉(zhuǎn)換用豎直線138表示?？幂斔OO的水通量用曲線140表示。如圖所示，水通量140隨著原料流體流相對(duì)濕度的增大而增大。當(dāng)原料流體流的相對(duì)濕度達(dá)到100%且轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)水時(shí)，獲得最大水汽通量140。當(dāng)原料流體流從100%水汽(0%液態(tài)水)轉(zhuǎn)換到與其接觸的100%液態(tài)水時(shí)，水通量140經(jīng)歷階躍變化。如圖所示，當(dāng)水分是與棵輸水膜IOO接觸的100。/。液態(tài)水時(shí)，獲得最大水通量。
應(yīng)當(dāng)認(rèn)識(shí)到，圖5的水通量曲線140、 144、 146本質(zhì)上是理論和示例性的，并且沒有反映實(shí)際數(shù)據(jù)點(diǎn)。而且，還應(yīng)當(dāng)認(rèn)識(shí)到，曲線144和146位于轉(zhuǎn)換線138左方的部分可能彼此不同，尤其取決于與原料流體流接觸的擴(kuò)散介質(zhì)的擴(kuò)散性質(zhì)。
|0041]當(dāng)比較圖5中所示的水通量趨勢(shì)時(shí)，很明顯輸水膜100的給定表面面積上的水通量在連通液態(tài)水時(shí)要高于連通水汽時(shí)。因此，通過促進(jìn)其里面的液態(tài)水與輸水膜100之間的連通可以增大WTD 20工作期間的水通量。如水通量曲線146所示，與原料流體流和輸水膜100接觸的親水性第二擴(kuò)散介質(zhì)104的使用可以促進(jìn)液態(tài)水與輸水膜100之間的連通。親水性第二擴(kuò)散介質(zhì)104可吸收在穩(wěn)態(tài)和非穩(wěn)態(tài)工況期間產(chǎn)生的一部分液態(tài)水(否則由于疏水性擴(kuò)散介質(zhì)的使用，這些液態(tài)水將被排出現(xiàn)有技術(shù)的WTDs),并且保持所吸收的液態(tài)水與輸水膜IOO接觸。然后，就能通過根椐本教示的WTD 20獲得所吸收的液態(tài)水的潛在水通量?，F(xiàn)在返回圖4,當(dāng)陰才及流出流42進(jìn)入流動(dòng)通道80時(shí)，重力將促使液態(tài)水落向流動(dòng)通道80的底部。當(dāng)液態(tài)水;鏡穿流動(dòng)通道80時(shí)，
液態(tài)水遭遇第二擴(kuò)散介質(zhì)104的第一表面122。第二擴(kuò)散介質(zhì)104可吸收通過第一表面122的液態(tài)水，引起毛細(xì)效應(yīng)，由此通過毛細(xì)作用將進(jìn)入流動(dòng)通道80的液態(tài)水帶出流動(dòng)通道80并且進(jìn)入第二擴(kuò)散介質(zhì)104。
|0043|所希望的是，第二擴(kuò)散介質(zhì)104的毛細(xì)管性(Fs)，即從流動(dòng)通道80通過毛細(xì)作用帶走液態(tài)水的速度，大于穩(wěn)態(tài)工況期間的液態(tài)水生成速度(Fg),從而有助于保纟爭(zhēng)流動(dòng)通道80不被液態(tài)水阻塞。不被阻塞的流動(dòng)通道80可允許更大量的陰極流出流42進(jìn)入WTD 20并且與輸水膜100連通，從而提高水通量。毛細(xì)管性(Fs)被定義為在有限的時(shí)段內(nèi)在擴(kuò)散介質(zhì)的表面上可被吸收的水量，并且可以表示為
l'，s = Dw A / L ( 1 )
式中
I'，s =毛細(xì)管性(gram/s);
I)w=毛細(xì)作用系數(shù)(g/cm-s);
L=發(fā)生毛細(xì)作用的長(zhǎng)度(cm);以及
A=毛細(xì)材料的一黃截面積(cm2)。如等式(1 )所示，毛細(xì)管性(Fs)受到擴(kuò)散介質(zhì)的毛細(xì)作用系數(shù)(Dw)、擴(kuò)散介質(zhì)的長(zhǎng)度(L)和橫截面積(A)的影響。擴(kuò)散介質(zhì)的長(zhǎng)度L和橫截面厚度將總體上由穩(wěn)態(tài)工況期間生成期望水通量所需的流動(dòng)通道78、 80的長(zhǎng)度和數(shù)量決定。橫截面厚度將總體上由擴(kuò)散介質(zhì)的汽相擴(kuò)散要求限制，如下所述。擴(kuò)散介質(zhì)的毛細(xì)作用系數(shù)(Dw)由擴(kuò)散介質(zhì)的基本材料性質(zhì)決定，其受到表面性質(zhì)(即，擴(kuò)散介質(zhì)的接觸角、孔隙度和孔徑大小)的影響，并且可以表示為
I)w = P*C/v (2)
式中
I)w 二毛細(xì)作用系凌丈(gram/cm-s);P-滲透度(cm2);C二毛細(xì)壓力(kPa);以及v 二動(dòng)力粘度(KPa sec cm3/gm)。
15如等式(2)所示，毛細(xì)作用系數(shù)(DW)尤其受到擴(kuò)散介質(zhì)對(duì)水的滲透度(P)、毛細(xì)壓力(C)和動(dòng)力粘度(V)的影響。擴(kuò)散介質(zhì)的滲透度受到擴(kuò)散介質(zhì)的孔隙度和平均孔徑的影響。擴(kuò)散介質(zhì)的毛細(xì)壓力，其是由毛細(xì)管中的液體產(chǎn)生的力，可受到液態(tài)水表面張力、接觸角和平均孔徑的影響。在非穩(wěn)態(tài)工況期間，液態(tài)水生成速度(FG)超過第二擴(kuò)散介質(zhì)104的毛細(xì)管性(Fs)(即，F(xiàn)G〉FS)。當(dāng)這發(fā)生時(shí)，液態(tài)水溢出前緣120并且被第一和第二表面122、 124兩者所吸收。沿著第二擴(kuò)散介質(zhì)104并在其內(nèi)可產(chǎn)生液態(tài)水緩沖。隨著該緩沖以比進(jìn)入第 一 陰極反應(yīng)物流38的水通量快的速度持續(xù)吸收液態(tài)水并延展，沿著第二擴(kuò)散介質(zhì)104的長(zhǎng)度擴(kuò)展，如圖4中的擴(kuò)展線150所示。該緩沖可延展，直到第二擴(kuò)散介質(zhì)104的整個(gè)體積都被浸透。因此，親水性第二擴(kuò)散介質(zhì)104的緩沖能力可有利地吸收液態(tài)水生成尖峰，否則這些液態(tài)水會(huì)從現(xiàn)有技術(shù)的WTD排出。然而，應(yīng)當(dāng)認(rèn)識(shí)到，當(dāng)?shù)诙U(kuò)散介質(zhì)104被完全 浸透并且再也不能吸收更多的液態(tài)水時(shí)，未被吸收的液態(tài)水會(huì)連同陰 極流出流42 —起^皮排出WTD 20。
|0049]親水性第二擴(kuò)散介質(zhì)104的緩沖能力可有利地保持WTD 20的 水通量在升高等級(jí)。隨著第二擴(kuò)散介質(zhì)104內(nèi)被緩沖的液態(tài)水被分散 到輸水膜IOO的表面上，緩沖能力可有利地提供進(jìn)入輸水膜100的液 態(tài)水通量。在存在水緩沖的時(shí)期內(nèi)，水通量被維持在升高等級(jí)。在液 態(tài)水生成速度(Fc)小于第二擴(kuò)散介質(zhì)104的毛細(xì)管性的時(shí)期內(nèi)，該 緩沖可保持水通量在高級(jí)別。另外，當(dāng)液態(tài)水生成速度(FG)小于第 二擴(kuò)散介質(zhì)104的毛細(xì)管性(Fs)并且大于通過輸水膜IOO的水通量 130時(shí)，第二擴(kuò)散介質(zhì)104可增加其中的液態(tài)水援沖，直到第二擴(kuò)散 介質(zhì)104變得浸透。這樣，在WTD20的工作期間，第二擴(kuò)散介質(zhì)104 的液態(tài)水緩沖可隨著燃料電池系統(tǒng)2 2的工況改變而增加或減少。 f0050]現(xiàn)在參照?qǐng)D6，示出了具有不同初始水緩沖的WTMAs 64的理 論水通量相對(duì)于時(shí)間的關(guān)系。在圖6的曲線中，假定沒有液態(tài)水產(chǎn)生， 結(jié)果是，因?yàn)樗勘煌ㄟ^輸水膜00傳輸并且進(jìn)入在WTMAs64對(duì) 側(cè)上的流體流中，所以示出的WTMAs 64中的緩沖隨著時(shí)間增加而減 少。曲線16S、 170、 172代表著總體上相同的WTMAs64的水通量隨 時(shí)間的變化，所述總體上相同的WTMAs 64具有對(duì)應(yīng)于正在減少的液 體連通區(qū)的減少的初始緩沖體積。該液體連通區(qū)是與液態(tài)水接觸的輸 水膜IOO的表面面積。相應(yīng)緩沖體積是直接在液體連通區(qū)之上的飽和 的第二擴(kuò)散介質(zhì)104的體積。應(yīng)當(dāng)相信，液態(tài)水通量在液體連通區(qū)上 是均勻地存在的，從而總體上均勻地消耗緩沖。更進(jìn)一步地相信，在 消耗緩沖時(shí)，液體連通區(qū)總體上保持恒定。在消耗緩沖體積時(shí)，均勻 消耗可以產(chǎn)生一段通過WTMAs 64的大體上穩(wěn)定的水通量時(shí)期，總體 上用各個(gè)曲線168、 170、 172的平坦抬高部168a、 170a、 172a表示。 一旦緩沖體積被消耗并且液體連通區(qū)收縮，水通量就開始減小，用各 個(gè)曲線168、 170、 172的部分168b、 170b、 172b表示。當(dāng)緩沖體積 被消耗并且液體連通區(qū)消失(只有水汽與輸水膜IOO接觸)時(shí)，水通 量就回到穩(wěn)態(tài)水通量，用各個(gè)曲線168、 170、 172的部分168c、 170c、 172c表示。從關(guān)于減少的初始液體連通區(qū)(減少的緩沖體積)的曲線 168、 170、 172的形狀可以認(rèn)識(shí)到，從升高的水通量速度(部分168a、
17H0a、 172a)變到穩(wěn)態(tài)水通量速度(部分168c、 HOc、 172c)所需的 時(shí)間可以減少，正如各個(gè)曲線168、 170、 172中的轉(zhuǎn)^換點(diǎn)174、 175、 176所表示得那樣。應(yīng)當(dāng)理解，具有升高速度(部分168a、 170a、 172a) 的大體上穩(wěn)定的通量的時(shí)期可以通過增加第二擴(kuò)散介質(zhì)104的橫截面 厚度而延長(zhǎng)，從而增大緩沖體積?，F(xiàn)在參照?qǐng)D7,示出了根據(jù)本教示的WTMA 64與現(xiàn)有技術(shù) WMTA (兩面都具有疏水性擴(kuò)散介質(zhì))的性能之間的理論比較，如圖 所示這可能是由于燃料電池系統(tǒng)22在非穩(wěn)態(tài)和穩(wěn)態(tài)工況之間工作的 波動(dòng)而出現(xiàn)的。在這個(gè)理論例子中，時(shí)期A對(duì)應(yīng)于燃料電池系統(tǒng)22 的冷啟動(dòng)，這就產(chǎn)生大量液態(tài)水并且導(dǎo)致提供了重要緩沖給WTMAs 64。緊跟著啟動(dòng)之后，開始燃料電池系統(tǒng)22的穩(wěn)態(tài)工況。在點(diǎn)B, 出現(xiàn)燃料電池系統(tǒng)22的非穩(wěn)態(tài)工況并且產(chǎn)生用于補(bǔ)充WTMAs 64的 緩沖的液態(tài)水。點(diǎn)C對(duì)應(yīng)于燃料電池系統(tǒng)22的工作變?yōu)榉€(wěn)態(tài)工況， 其中不產(chǎn)生液態(tài)水。在時(shí)間D,燃料電池系統(tǒng)22的工作又發(fā)生變化 并且存在短期的非穩(wěn)態(tài)工況，并且在短時(shí)間內(nèi)又生成液態(tài)水。在時(shí)間 E，燃料電池系統(tǒng)22又變化工作為穩(wěn)態(tài)工況，其中不再生成液態(tài)水， 并且在圖7所示的時(shí)期的剩余部分中持續(xù)穩(wěn)態(tài)工況。 |0052]在圖7所示的示例性工作期間，WTMAs 64的水通量用曲線180 表示并且，如圖所示，經(jīng)歷了對(duì)燃料電池系統(tǒng)22的在非穩(wěn)態(tài)工況和 穩(wěn)態(tài)工況之間的變化工作的多種響應(yīng)。在時(shí)間A，緊跟著冷啟動(dòng)，在 第二擴(kuò)散介質(zhì)104內(nèi)產(chǎn)生最大緩沖并且水通量處于升高值。隨著時(shí)期 A和B之間的穩(wěn)態(tài)工況引起的緩沖被消耗，水通量保持大體上恒定直 到液體連通區(qū)開始收縮并且水通量減少。在時(shí)期A和B之間的水通量 趨勢(shì)總體上對(duì)應(yīng)于圖6的曲線168。
|00531在時(shí)期B，非穩(wěn)態(tài)工況的開始引起液態(tài)水的生成，其可補(bǔ)充 WTMAs64的緩沖，并且因此，水通量隨著液體連通區(qū)擴(kuò)展而開始增 加。在時(shí)期C，當(dāng)燃料電池系統(tǒng)22回到穩(wěn)態(tài)工況并且液態(tài)水的生成 停止時(shí)，因?yàn)閃TMAs64的緩沖被使用，所以水通量保持大體上恒定 在升高值。在點(diǎn)D和E之間，向非穩(wěn)態(tài)工況的短暫轉(zhuǎn)變以及液態(tài)水的 生成有助于補(bǔ)充水緩沖并且由此延長(zhǎng)從時(shí)期C開始的具有大體上恒 定且升高的水通量的持續(xù)時(shí)間。當(dāng)緩沖開始被消耗并且液態(tài)接觸面積 減小時(shí)，水通量又開始減少并且接近穩(wěn)態(tài)水通量，其中緩沖被消耗并且在時(shí)期F沒有液態(tài)水存在于WTMAs64中。轉(zhuǎn)變總體上對(duì)應(yīng)于圖6 的曲線170和172之一。這樣，當(dāng)燃料電池系統(tǒng)22在穩(wěn)態(tài)和非穩(wěn)態(tài) 工況之間轉(zhuǎn)換時(shí)，WTMA s 6 4的緩沖能力的存在可引起水通量變化程度。
l:0054]和WTMAs64的水通量能力形成對(duì)比，關(guān)于相同發(fā)生事件的現(xiàn) 有技術(shù)WTMA(兩面都是疏水性擴(kuò)散介質(zhì))的理論水通量中的水通量 用曲線182表示。示出的水通量大體上恒定。為了做比較，假定冷啟 動(dòng)期間和 一 一 穩(wěn)態(tài)工況期間生成的液態(tài)水對(duì)水通量具有可以忽略的影
響，因?yàn)槭杷詳U(kuò)散介質(zhì)有助于從現(xiàn)有技術(shù)WTD中清除液態(tài)水，由 此防止液態(tài)水進(jìn)入膜的表面從而提高水通量。這樣，在這種情況中， 現(xiàn)有技術(shù)WTMA的水通量被認(rèn)為保持大體上恒定。
盡管本教示是參照特定例子和結(jié)構(gòu)進(jìn)行了描述，但應(yīng)當(dāng)理解， 來自所示例子的變化和演變可以被采用，且同時(shí)仍然包含在本教示內(nèi) 并且位于權(quán)利要求的范圍內(nèi)。例如，應(yīng)當(dāng)理解，WTD 20的結(jié)構(gòu)不限 制為平坦(疊板)結(jié)構(gòu)。WTD 20可以被構(gòu)造成管狀、螺旋纏繞或其 它公知的WTD結(jié)構(gòu)，其可促進(jìn)流經(jīng)其的流體流之間的水傳輸。另外， 盡管第二擴(kuò)散介質(zhì)104的性質(zhì)已經(jīng)被陳述，但應(yīng)當(dāng)理解，性質(zhì)的其它 值和/或結(jié)合也可以達(dá)到根據(jù)本教示的WTD 20所希望的水汽通量能 力與液態(tài)水通量能力之間的平衡。而且，如果需要的話，第一擴(kuò)散介 質(zhì)102也可是親水性的。
權(quán)利要求
1、一種輸水裝置，包括第一流動(dòng)通道，其具有用于接收和排出第一流體流的入口和出口；第二流動(dòng)通道，其具有用于接收和排出第二流體流的入口和出口；輸水膜，其與所述第一和第二流動(dòng)通道相連并將它們分開，所述輸水膜可操作以將流過所述第一流動(dòng)通道的第一流體流的一部分水分傳輸?shù)搅鬟^所述第二流動(dòng)通道的第二流體流；以及第一擴(kuò)散介質(zhì)，其布置在所述輸水膜和所述第一流動(dòng)通道之間，所述第一擴(kuò)散介質(zhì)是親水性的并且可操作以吸收所述第一流動(dòng)通道中的液態(tài)水，保持所述被吸收的液態(tài)水與所述輸水膜接觸，并且將水傳輸?shù)剿鲚斔ぃ⑶铱刹僮饕詳U(kuò)散水汽，將所述第一流動(dòng)通道中的所述水汽輸送到所述輸水膜，并且將所述水汽傳輸?shù)剿鲚斔ぁ?br> 2、 如權(quán)利要求1所述的輸水裝置，其特征在于 所述第一流動(dòng)通道是多個(gè)第一流動(dòng)通道中的一個(gè)； 所述第二流動(dòng)通道是多個(gè)第二流動(dòng)通道中的 一 個(gè)； 所迷輸水膜是多個(gè)輸水膜中的 一個(gè)； 所述第一擴(kuò)散介質(zhì)是多個(gè)第一擴(kuò)散介質(zhì)中的一個(gè)；并且 所述第一和第二流動(dòng)通道中的每一個(gè)都被所述輸水膜之一和所述第一擴(kuò)散介質(zhì)之一分開，所述第一擴(kuò)散介質(zhì)面對(duì)著所述復(fù)數(shù)個(gè)第一 流動(dòng)通道。
3、 如權(quán)利要求1所述的輸水裝置，進(jìn)一步包括第二擴(kuò)散介質(zhì)， 其被布置在所述輸水膜和所述第二流動(dòng)通道之間并且可操作以將水 從所述輸水膜傳輸?shù)剿龅诙鲃?dòng)通道。
4、 如權(quán)利要求3所述的輸水裝置，其特征在于，所述第二擴(kuò)散 介質(zhì)是疏水性的。
5、 如權(quán)利要求1所述的輸水裝置，其特征在于，所述第一擴(kuò)散 介質(zhì)的孔隙度約大于70%。
6、 如權(quán)利要求1所述的輸水裝置，其特征在于，所述第一擴(kuò)散 介質(zhì)的孔隙度在約70%和約85%之間。
7、 如權(quán)利要求1所述的輸水裝置，其特征在于，所述第一擴(kuò)散介質(zhì)的平均孔徑在約l微米和約ioo微米之間。
8、 如權(quán)利要求1所述的輸水裝置，其特征在于，所述第一擴(kuò)散 介質(zhì)的厚度約小于0.2mm。
9、 如權(quán)利要求8所述的輸水裝置，其特征在于，所述厚度在約 0,05mm至約0.1 mm之間。
10、 如權(quán)利要求1所述的輸水裝置，其特征在于，所述第一擴(kuò)散 介質(zhì)進(jìn)一步包括前緣，所述前緣被布置在所述第一流動(dòng)通道的所述入 口的附近。
11、 如權(quán)利要求1所述的輸水裝置，其特征在于，所述第一擴(kuò)散 介質(zhì)的毛細(xì)作用系數(shù)約大于0.2g/cm-s。
12、 如權(quán)利要求11所述的輸水裝置，其特征在于，所述毛細(xì)作 用系數(shù)約大于13g/cm-s。
13、 如權(quán)利要求1所述的輸水裝置，其特征在于，所述第一擴(kuò)散 介質(zhì)包括通過紫外光制備的聚乙二醇二丙烯酸鹽和聚乙二醇丙烯酸 鹽的纟容液。
14、 如權(quán)利要求1所述的輸水裝置，其特征在于，所述輸水膜是 微孔膜，當(dāng)所述輸水膜接觸液態(tài)水時(shí)其水通量能力相比于其接觸水汽 時(shí)具有正的階躍變化。
15、 一種輸水系統(tǒng)，包括 第一流體流，其具有第一水分；第二流體流，其具有第二水分；輸水膜，其與所述第一和第二流體流相連并將它們分開，所述輸 水膜可操作以將來自所述第 一 流的所述第 一 水分的 一 部分傳輸5 'j所 述第二流；以及親水性擴(kuò)散介質(zhì)，其被布置在所迷輸水膜和所述第 一 流體流之 間，所述親水性擴(kuò)散介質(zhì)可操作以吸收所述第 一 流體流中的液態(tài)水， 保持所述被吸收的液態(tài)水與所述輸水膜接觸，并且將水傳輸?shù)剿鲚?水膜，并且可操作以擴(kuò)散所述第一流體流中的水汽，將所述擴(kuò)散的水 汽輸送到所述輸水膜，并且將所述擴(kuò)散的水汽傳輸?shù)剿鲚斔ぁ?br> 16、 如權(quán)利要求15所述的輸水系統(tǒng)，進(jìn)一步包括燃料電池堆， 其可操作以將陽極反應(yīng)物流和陰極反應(yīng)物流轉(zhuǎn)換成電、陽極流出流和 陰極流出流，其中所述第一流體流是所述陰極流出流，所述第二流體流是所述陰極反應(yīng)物流。
17、 一種在輸水裝置的兩個(gè)流體流之間傳輸水分的方法，該輸水 裝置具有由輸水膜分開的第一和第二流動(dòng)通道并且具有布置在所述輸水膜與所述第 一流動(dòng)通道之間的親水性擴(kuò)散介質(zhì)，該方法包括提供第 一流體流給輸水裝置中的第 一 流動(dòng)通道，所述第 一流體流在剛進(jìn)入所述第 一 流動(dòng)通道時(shí)具有第 一 水分；提供第二流體流給輸水裝置中的第二流動(dòng)通道，所述第二流體流在剛進(jìn)入所述第二流動(dòng)通道時(shí)具有小于所述第一水分的第二水分； 用所述親水性擴(kuò)散介質(zhì)從所述第 一 流體流吸收液態(tài)水； 將被所述親水性擴(kuò)散介質(zhì)所吸收的所述液態(tài)水輸送到所述輸水膜；從所述第 一 流體流擴(kuò)散水汽并進(jìn)入所述第 一 親水性擴(kuò)散介質(zhì)之內(nèi)；將所述擴(kuò)散進(jìn)親水性擴(kuò)散介質(zhì)的所述水汽輸送到所述輸水膜；以及將來自親水性擴(kuò)散介質(zhì)的水輸送通過輸水膜并且進(jìn)入流過所述 第二流動(dòng)通道的所述第二流體流之內(nèi)。
18、 如權(quán)利要求17所述的方法，其特征在于，第一流體流的所 述供給包括從燃料電池堆提供陰極流出流給第 一流動(dòng)通道，而第二流 體流的所述供給包括提供陰極反應(yīng)物給第二流動(dòng)通道，并且進(jìn)一步包 括將所述第二流體流從所述輸水裝置通往所述燃料電池堆的陰極反 應(yīng)物入口 。
19、 如權(quán)利要求.18所述的方法，其特征在于，吸收液態(tài)水包括 在所述燃料電池系統(tǒng)的過渡工況期間抑制液態(tài)水從所述第 一 流動(dòng)通道排出。
20、 如權(quán)利要求18所述的方法，其特征在于，吸收液態(tài)水包括 在所述燃料電池系統(tǒng)的標(biāo)稱工況期間抑制液態(tài)水從第 一 流動(dòng)通道排出。
21、 如權(quán)利要求17所述的方法，其特征在于，所述吸收液態(tài)水 包括，通過以比傳輸所述被吸收液態(tài)水到輸水膜的速度更大的速度從 第一流動(dòng)通道吸收液態(tài)水，從而在擴(kuò)散介質(zhì)中形成液態(tài)水緩沖。
22、 如權(quán)利要求21所述的方法，進(jìn)一步包括，當(dāng)進(jìn)入所述第一流體流的液態(tài)水生成速度小于將所吸收的液態(tài)水傳輸進(jìn)入輸水膜的 所述速度時(shí)，減小了擴(kuò)散介質(zhì)中的緩沖液態(tài)水的量。
23、 如權(quán)利要求18所述的方法，其特征在于，吸收液態(tài)水包括 用鄰近第一流動(dòng)通道入口的所述第一擴(kuò)散介質(zhì)的前緣通過毛細(xì)作用 吸走所述液態(tài)水。
24、 如權(quán)利要求23所述的方法，其特征在于，所述通過毛細(xì)作 用吸走所述液態(tài)水包括，以比所述燃料電池系統(tǒng)的液態(tài)水生成速度更 大的速度通過毛細(xì)作用吸走所述液態(tài)水。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種采用水緩沖來增加水通量的輸水裝置。該輸水裝置包括被輸水膜和親水性擴(kuò)散介質(zhì)分開的第一和第二流動(dòng)通道。該親水性擴(kuò)散介質(zhì)被布置在輸水膜和第一流動(dòng)通道之間。流過第一流動(dòng)通道的第一流體流的水分被傳輸通過擴(kuò)散介質(zhì)和輸水膜并且進(jìn)入流過第二流動(dòng)通道的第二流體流。親水性擴(kuò)散介質(zhì)可操作以吸收第一流體流中的液態(tài)水并且保持所吸收的液態(tài)水與輸水膜接觸。親水性擴(kuò)散介質(zhì)還可操作以擴(kuò)散第一流體流中的水汽并且將水汽輸送到輸水膜。輸水膜將與其接觸的水傳輸給流過第二流動(dòng)通道的第二流體流。
文檔編號(hào)H01M8/04GK101494293SQ20091000994
公開日2009年7月29日 申請(qǐng)日期2009年1月24日 優(yōu)先權(quán)日2008年1月25日
發(fā)明者A·M·布倫納, G·W·斯卡拉, Y·張 申請(qǐng)人:通用汽車環(huán)球科技運(yùn)作公司