专利名称：带有整合的负荷传递结构的密封水蒸气传递单元组件的制作方法
技术领域：
本发明涉及燃料电池组系统，且更特定地涉及水蒸气传递单元组件，水蒸气传递单元组件包括多个水蒸气传递(WVT)单元、密封框架和多 个支承件，其中WVT单元和支承件布置在密封框架内且支承件适合于 提供对燃料电池组系统的燃料电池组端板的支承。
背景技术：
燃料电池组系统用作电动车辆、静止动力供给和其他用途的电源。 一个已知的燃料电池组系统是质子交换膜(PEM )燃料电池组系统，它 包括膜电极组件(MEA),膜电极组件包括薄的固体聚合物膜电解质， 在一个面上具有阳极且在相对的面上具有阴极。MEA夹在用作用于阳 极和阴极的电流收集器的导电接触元件的对之间，导电接触元件可以包 含其内的合适的通道和开口 ，以在各阳极和阴极的表面上分配燃料电池组系统的气体反应物(即H2和02或空气)。PEM燃泮牛电池包括多个电串l关地堆叠在一起的MEA,同时MEA由 已知为双极板或电流收集器的不可渗透的导电接触元件分开。燃料电池 组系统以将MEA维持在湿润状态的方式运行。MEA的湿度水平影响了 燃料电池组的性能。另外，如果MEA的运行过干，则MEA的使用寿命 可能降低。为避免MEA干燥，典型的燃料电池组系统以MEA在希望的供给到燃料电池组系统的阴极和阳极反应物气体也一皮湿润以防止使得 MEA在靠近反应物气体入口的位置被干燥。传统地，利用了水蒸气传 递(WVT)单元以在阴极反应物气体进入到燃料电池内之前将其湿润。 例如，见授予Forte等人的美国专利No 7,138,197 ,在此通过参考完整 合并，用于运行燃料电池组系统的方法合并了 WVT单元。典型的WVT单元位于远离燃料电池组系统的燃泮牛电池组的阴才及出 口和阴极入口 。其他的燃料电池组组件包括合并到端部单元的且邻近燃 料电池组的WVT单元。在这些燃料电池组系统中，燃料电池组的端板 由金属形成以提供对燃料电池组的支承。然而，因为端板由金属形成，端板的重量和热传导性增加，因此增加了燃料电池组系统的总重，且由 于热损失增加了燃料电池组的变热时间。希望的是生产适合于提供对燃料电池组系统的端板的支承的水蒸气 传递单元组件，以便于将水蒸气传递单元组件与燃料电池组系统的端部 单元整合，同时最小化燃料电池组系统的重量和热传导性。发明内容与本发明协调和一致地披露了水蒸气传递单元组件，水蒸气传递单 元组件适合于为燃料电池组系统的端板提供支承，以便于水蒸气传递单 元组件与燃料电池组的端部单元的整合。在一个实施例中，水蒸气传递单元组件包括适合于布置在燃料电池组系统内邻近燃料电池组系统的燃料电池组的端板的密封框架；多个布 置在所述的密封框架内的水蒸气传递单元；和多个布置在所述的密封框 架内在所述的水蒸气传递单元中间的支承件，其中所述的支承件与所述 的密封框架协作以支承燃料电池组的端板。在另 一个实施例中，燃料电池组的下端单元包括适合于布置为邻近 燃料电池组的底部的端板；布置为邻近所述的端板的密封框架；多个布 置在所述的密封框架内的水蒸气传递单元；多个布置在所述的密封框架 内在所述的水蒸气传递单元中间的支承件，其中所述的支承件与所述的 密封框架协作以提供对所述的端板的支承；和多个与所述的水蒸气传递 单元流体连通的换热器。在另一个实施例中，燃料电池组的下端单元包括适合于布置为邻近 燃料电池组的底部的端板；布置为邻近所述的端板的密封框架；多个布 置在所述的密封框架内的水蒸气传递单元；多个布置在所述的密封框架 内在所述的水蒸气传递单元中间的支承件，其中所述的支承件与所述的 密封框架协作以提供对所述的端板的支承；布置在所述的密封框架和所 述的水蒸气传递单元之间的密封剂以在其间形成大体上不透流体的密 封；和多个与所述的水蒸气传递单元流体连通的换热器。
对于本领域一般技术人员，本发明的以上以及其他优点将从如下的 对优选实施例的详细描述中在结合附图考虑时变得容易地显见，各图为图1是包括合并了根据本发明的实施例的水蒸气传递单元组件的下 端单元的燃料电池组组件的截面^L图；图2是合并了图1中示出的水蒸气传递单元组件的下端单元的截面 视图；图3是在图2中示出的水蒸气传递单元组件的透视图； 图4是图1中示出的水传递单元的示意性截面一见图；和 图5是合并了根据本发明的另一个实施例的水蒸气传递单元组件的 下端单元的截面—见图。具体实施形式如下的详细说明书和附图描述且图示了本发明的多种典型实施例。 说明书和附图用于使得本领域一般技术人员能制成和使用本发明，且不 意图于以任何方式限制本发明的范围。图1中示出了燃料电池组系统10,燃料电池组系统10包括上端单 元12、燃料电池组14和下端单元16。上端单元12、燃料电池组14和 下端单元16被组装且通过常规的压缩保持系统(未示出)压缩。上端 单元12包4舌与冷却剂源(未示出)和燃冲牛电池组14流体连通的冷却剂 旁通系统18。冷却剂旁通系统18适合于使得冷却剂(未示出)通过燃 料电池组系统IO循环。燃料电池组14包括多个燃冲+电池组件20,邻近上端单元12的顶端 板22和邻近下端单元16的底端玲反24。底端板24形成了与燃津牛电池组 14和下端单元16流体连通的阴才及流动通道25。在示出的实施例中，底 端板24由聚合物材料形成。燃料电池组件20可以是任何常规的燃料电 池组件，例如包括膜电极组件(MEA)的质子交换膜(PEM)组件，膜 电极组件(MEA)包括薄的固体聚合物膜电解质，在一个面上具有阳极 且在相对的面上具有阴极。下端单元16布置在燃*牛电池组系统10的燃料电池组14下方且邻接 底端4反24。下端单元16包括换热器26和水蒸气传递单元组件28。换 热器26可以如希望地是任何常规的换热器，例如管壳式换热器。如在图1至图3中示出，水蒸气传递单元组件28包括密封框架30、 水蒸气传递(WVT)单元32、端^反34、密封剂36和支 K件38。水蒸气传递(WVT )单元32、端板34、密封剂36和支承件38布置在密封 框架30内。密封框架30具有大体上矩形的形状且由聚合物材料形成， 例如高密度聚乙烯。应理解的是，密封框架30可以具有任何形状，且 可以如希望地由任何材料形成，例如聚合物或金属。也应理解的是，密 封框架30可以具有一皮覆盖的侧边缘，或可以具有打开的边缘，从而如 希望地暴露端板34。图4图示了单个的WVT单元32。 WVT单元32包括初级气体入口 40、初级气体出口 42、导管44和壳体48。在图1至图3中示出的实施 例中，示出了三个WVT单元32，然而更多或更少WVT单元32可以如 希望地布置在水蒸气传递单元组件28的密封框架30内。导管44由可 传递水的膜材料形成。形成了导管44的水传递膜材料可以是任何允许 水蒸气传递通过的材料。优选地，这样的材料选择地允许传递水蒸气而 不允许传递其他气体。优选的水传递膜选择地允许将水蒸气从初级气体 流传递到次级气体流，而不允i午其^也成分/人初级气体流显著通到(泄漏 到)次级气体流。水传递膜材料例如可以由聚[全氟磺]酸、磺化聚苯乙 烯、聚醚砜膜、磺化聚醚酮、聚碳酸酯、其他磺化材料或其混合物形成。每个导管44的第一端与初级气体入口 40流体连通，且每个导管44 的第二端与初级气体出口 42流体连通。导管44便于初级气体(未示出) 流过导管44。壳体48形成了围绕导管44的每个的至少部分的空隙空间。 次级气体入口 52和次级气体出口 54与壳体48流体连通，以便于次级 气体流过邻近导管44的外表面的空隙空间。导管44可以如希望地具有 任何形状，包括大体上圆柱形或矩形。在示出的实施例中，初级气体的湿度水平高于次级气体的湿度水平。然而，如果希望，初级气体的湿度 水平可以低于次级气体的湿度水平。端板34布置在密封框架30内且在水蒸气传递单元组件28的相对侧 上在密封框架30和WVT单元32中间。在示出的实施例中，端板34由 聚合物材料形成，但可以如希望地由任何材料形成。应理解的是，端板 34可以如希望地围绕WVT单元32的四个外周边缘布置。如在图2中示出，密封剂36是邻近底端板24围绕WVT单元32的 顶部外周部分且邻近换热器26围绕WVT单元32的底部外周部分布置 的垫圏。密封剂36形成了在水蒸气传递单元组件28和燃料电池组系统 10之间的大体上不透过流体的密封。密封剂36可以由任何常规的与燃料电池兼容的材料形成，例如聚合物或金属材料，例如环氧树脂的化学粘合剂或B级(B-stage)粘合剂。应理解的是，密封剂36也可以如希 望地布置在WVT单元32和支承件38和密封框架30之间。在图1至图3中示出的实施例中，支承件38布置在密封框架30内 在WVT单元32中间。所示出的支承件38分开地形成，^旦可以相互连 接。支承件38也示出为与密封框架30分开地形成，但可以如希望地与 密封框架30整体地形成。支承件38示出为由聚合物材料形成。然而， 可以如希望地使用其他材料以形成支承件38,例如金属。在另一个实施 例中，支承件38可以与下端单元16的底部部分56整体地形成，如在 图5中示出。为组装水蒸气传递单元组件28,端纟反34和密封剂36布置在部分地 组装的密封框架30的部分内。然后WVT单元32布置在密封框架30的 邻近端^反34的部分内。支承件38的至少一个布置为在中间邻近部分地 组装的密封框架30内的WVT单元32。如果希望，附加的密封剂36在 WVT单元32安装前可以施加到支承件38和密封框架30。密封框架30 然后完全地被组装，从而导致在密封框架30内的部件的要求的压缩。 由WVT单元32上的端板34导致的压缩以支承件38和密封框架30提 供了对膜的附加的密封。一旦完全组装，水蒸气传递单元组件28可以在安装在燃料电池组系 统10的下端单元16内之前选I奪地一皮测试JU企查泄漏。另外，通过在水 蒸气传递单元组件28的外周边缘上布置面密封件(未示出)以一旦水 蒸气传递单元组件28安装在下端单元16内则覆盖端板34,水蒸气传递 单元组件28可以进一步^皮密封。因为水蒸气传递单元组件28包括支承件38,所以水蒸气传递单元 组件28可以布置在下端单元16内邻接燃料电池组14的端板24。支承 件38适合于是承受载荷的构件，其提供了对端板24和燃料电池组14 的支承。另夕卜，因为支承件38而非端板24是用于燃料电池组14的承 受载荷的构件，端板24可以由聚合物材料形成而非由金属形成。聚合 物底端板24与金属端板相比具有较低热质量和热传导性，且聚合物端 板24因此便于使燃料电池组系统10更快速地变热，同时最小化通过端 板24的热损失。此外，通过在水蒸气传递单元组件28内提供支承件38, 燃谇+电池组系统10的上端单元12和下端单元14可以均匀地由压缩系统压缩，因此最大化了 WVT单元32的密封且最小化了燃料电池组系统 10的组装和分解的复杂性。从前述描述，本领域一般技术人员将容易地获知本发明的基本特征， 且可以进行对本发明的多种改变和修改以使其适合于多种使用和条件 而不偏离本发明的精神和范围。
权利要求
1.一种水蒸气传递单元组件，包括适合于布置在燃料电池组系统内邻近燃料电池组系统的燃料电池组的端板的密封框架；多个布置在所述的密封框架内的水蒸气传递单元；和多个布置在所述的密封框架内在所述的水蒸气传递单元中间的支承件，其中所述的支承件区适合于支承燃料电池组的端板。
2. 根据权利要求1所述的水蒸气传递单元组件，其中所述的支承件 便于从聚合物和复合物之一形成端板。
3. 根据权利要求1所述的水蒸气传递单元组件，其中所述的支承件 与所述的密封框架整体地形成。
4. 根据权利要求1所述的水蒸气传递单元组件，其中所述的支承件 与所述的密封框架分开地形成。
5. 根据权利要求1所述的水蒸气传递单元组件，进一步包括多个布 置在所述的水蒸气传递单元和所述的密封框架之间的水蒸气传递单元 端板。
6. 根据权利要求5所述的水蒸气传递单元组件，其中所述的密封框 架与所述的端板协作，以将所述的水蒸气传递单元与所述的密封框架密 封。
7. 根据权利要求1所述的水蒸气传递单元组件，进一步包括布置在 所述的密封框架和所述的水蒸气传递单元之间的密封剂。
8. 根据权利要求7所述的水蒸气传递单元组件，其中密封剂是聚合 物材料、金属材料、环氧树脂和B级粘合剂之一。
9. 根据权利要求7所述的水蒸气传递单元组件，其中密封剂与所述 的密封框架和所述的水蒸气传递单元协作，以造成大体上不透流体的密 封。
10. —种燃料电池组的下端单元，包括适合于布置为邻近燃料电池组的底部的端板； 布置为邻近所述的端板的密封框架； 多个布置在所述的密封框架内的水蒸气传递单元； 多个布置在所述的密封框架内在所述的水蒸气传递单元中间的支多个与所述的水蒸气传递单元流体连通的换热器。
11. 根据权利要求10所述的下端单元，其中所述的端板由聚合物和 复合物之一形成。
12. 根据权利要求IO所述的下端单元，其中所述的支承件与所述的 密封框架分开地形成。
13. 根据权利要求IO所述的下端单元，其中所述的支承件与下端单 元整体地形成。
14. 根据权利要求10所述的下端单元，进一步包括布置在所述的密 封框架和所述的水蒸气传递单元之间的密封剂。
15. 根据权利要求14所述的下端单元，其中密封剂与所述的密封框 架和所述的水蒸气传递单元协作，以造成大体上不透流体的密封。
16. 根据权利要求10所述的下端单元，其中所述的密封框架与所迷 的端板协作，以将水蒸气传递单元与所述的密封框架密封。
17. 根据权利要求IO所述的下端单元，其中密封剂是聚合物材料、 金属材料、环氧树脂和B级粘合剂之一。
18. —种燃料电池组的下端单元，包括 适合于布置为邻近燃料电池组的底部的端板； 布置为邻近所述的端板的密封框架；多个布置在所述的密封框架内的水蒸气传递单元； 多个布置在所述的密封框架内在所述的水蒸气传递单元中间的支布置在所述的密封框架和所述的水蒸气传递单元之间的密封剂，以 在其间形成大体上不透流体的密封；和多个与所述的水蒸气传递单元流体连通的换热器。
19. 根据权利要求18所述的下端单元，其中所述的端板由聚合物和 复合物之一形成。
20. 根据权利要求18所述的水蒸气传递单元组件，其中密封剂是聚 合物材料、金属材料、环氧树脂和B级粘合剂之一。
全文摘要
本发明涉及带有整合的负荷传递结构的密封水蒸气传递单元组件。披露了水蒸气传递单元组件，水蒸气传递单元组件包括多个水蒸气传递单元，水蒸气传递单元具有流体可渗透的膜和多个布置在密封框架内邻近燃料电池组端板的支承件，其中密封框架适合于提供对端板和燃料电池组系统的燃料电池组的支承。
文档编号H01M8/04GK101281973SQ200810090090
公开日2008年10月8日 申请日期2008年4月2日 优先权日2007年4月2日
发明者B·安德里斯-肖特, G·W·斯卡拉, I·R·杰米, T·P·米格利奥尔 申请人:通用汽车环球科技运作公司