采用水缓冲来增加水通量的输水装置的制作方法

专利名称：采用水缓冲来增加水通量的输水装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及输水装置，并且尤其涉及输水膜组件，其促进水在 流过输水装置的流体流之间的传输。
背景技术：
I () () 0 21本节陈述只是提供与本教示相关的背景信息，可能并不构成现
有技术。在保持彼此分开的流体流之间输水的能力可以对各种应用有 用。举例来说，这种应用之一是在燃料电池系统中，其中， 一个或多 个反应物流一皮另 一 个流体流湿润。
10004]燃料电池可以以保持膜例如质子交换膜(PEM)处于湿润状态 的方式进行工作。该膜的湿度等级可以影响燃料电池的性能。如果在 干燥的情况下工作，该膜就可能受到损坏，这可能导致燃料电池的直 接故障或使用年限的减少。为了湿润该膜，该燃料电池可以在浸没状 态下工作，在这期间，燃料电池内的湿度等级大于100%并且在产生 电的期间会形成液态水。为了更进一步湿润该膜，提供给燃料电池的阴极和/或阳极反应 性气体可以在输水装置中被湿润。该输水装置可以接收从燃料电池流 出的阴极流出物，其可以包含处于气态和/或液态的水。阴极流出物的 一部分水分可以被输送到同样流经输水装置的阴极或阳极反应性气 体。如此，在被提供给燃料电池之前，便可增加阴极或阳极反应性气 体的湿度。 —种利用了根据本教示的输水装置的方法可包括(1 )提供第 一流体流给输水装置中的第 一 流动通道，该第 一 流体流在刚进入第一 流动通道时具有第一水分；(2)提供第二流体流给输水装置中的第二 流动通道，第二流体流在刚进入第二流动通道时具有小于第 一 水分的 第二水分；(3 )用亲水性扩散介质从第一流体流吸收液态水；(4 ) 将被亲水性扩散介质所吸收的液态水输送到输水膜；(5 )从第一流 体流扩散水汽进入亲水性扩散介质之内；(6 )将扩散进亲水性扩散 介质的水汽输送到输水膜；以及(7 )将来自亲水性扩散介质的水传 输通过输水膜并且进入流过第二流动通道的第二流体流之内。 10010]从本文提供的详细描述中将更明显地看出本发明的更广的适用 范围。应当理解，本发明的描述和特定例子只是起到举例的作用，并 非意图限制本教示的范围。


本文描述的附图只是起到举例说明的作用，并非意图以任何方
式限制本教示的范围。
图1是利用了根据本教示的输水装置的示例性燃料电池系统的
图示；图4是图1的水汽输送装置内的对立流动通道的放大局部侧视
图，所迷对立流动通道被根据本教示的输水膜组件分开；图5是关于输水膜、典型的现有技术输水膜组件和根据本教示
的输水膜组件的理论水通量作为与其相连的第 一 流体的相对湿度的
函数的图示；图7是在燃料电池系统的非稳态和稳态工作交替期间，不同输 水膜组件的理论水通量响应的图示。
具体实施例方式
1009j下面描述本质上仅仅是示例性，并非意图限制本教示、应用或用途。根据本教示的一种输水装置(WTD) 20可以被用在燃料电池系 统22中，如图1所示。燃料电池系统22可以包括WTD 20、燃料电 池堆24、燃料(阳极反应物)供给26、氧化剂(阴极反应物)供给 28和一对调节阀30、 31。阳极反应物供给26通过适当的供给管道32 连到堆24。阳极反应物流34 (比如氢)从阳极反应物供给26通过管 道32供给堆24。阴极反应物供给28通过适当的供给管道33连到堆 24并且提供阴极反应物流36 (比如压缩空气或氧)到堆24。 WTD20 和调节阀30、 31可被布置在堆24和阴极反应物供给28之间的供给 管道33中。第一调节阀30可调整提供给WTD20的第一阴极反应物 流38。第二调节阀31可调整绕过WTD20的第二阴极反应物流40。 流38、 40在WTD20的下游合并从而形成提供给堆24的阴极反应物 流36。堆24可操作以将阳极和阴极反应物流34、 36转换成电、阳极 流出流41和阴;f及流出流42。阳^f及流出流41可以>夂人堆24流出。阴相_ 流出流42可在从燃料电池系统22排出之前流过WTD 20。 f0021]WTD 20既可以接收从堆24流出的阴极流出流42，又可以接收
8第一阴极反应物流38。 WTD 20可以保持阴极流出流42与第一阴极 反应物流38分开，同时将阴极流出流42的 一部分水分传输到第 一 阴 极反应物流38，由此湿润才是供给堆24的阴极反应物流36。旁通阀30、 31可以调整第一和第二阴极反应物流38、 40的比例，从而获得阴极 反应物流36的期望相对湿度。
I0022JWTD 20的流体流动通道在图2-4中更详细示出。参照图2，WTD 20可包括多块彼此相邻布置的板60,且输水膜组件(WTMA)64被布 置在它们之间。板60和WTMAs 64可以被夹在一起从而形成层叠结 构62。作为非限制性例子，板60可以是金属薄板(比如不锈钢)或 聚合物。板60具有第一表面65，其带有多个凹槽或通道66，所述多 个凹槽或通道66被它们之间多个槽脊68分开。第一表面65上的凹 槽66和槽脊68在板60的第二表面74上分别形成多个槽脊70和凹 槽72。凹槽66、 72和槽脊68、 70能够以多种结构布置从而提供通过 WTI) 20的期望流动通道。板60可以被布置成使一块板60的第一表 面65面对相邻板60的第二表面74， O从而令面对着的第一和第二表 面65、 74上的槽脊68、 70对齐，并且压住它们之间的WTMA 64。 在面对着的第一和第二表面65、 74中的凹槽66、 72由此形成分别用 于第 一 阴极反应物流38和阴极流出流42并且被WTMA 64分开的多 个相邻流动通道78、 80。流动通道78、 80与板60中形成的凹槽66、 72的路径相似。水通过WTMA 64从横穿流动通道80的阴极流出流 42传输到横穿流动通道78的第一阴极反应物流38，如下所述。之间 带有WTMAs 64的相邻板60的数量和尺寸可以根据WTD 20的期望 尺寸和工作进行改变。参照图4,每个流动通道78、 80具有沿着板60的一侧或边缘 的各自的入口82、 84,和沿着板60另一侧或边缘形成的各自的出口 86、 88，用于分别接收和排出第一阴极反应物流38和阴极流出流42。 流动通道78的多个入口 82和出口 86分别连接第一进入歧管90 (图 1)，第一阴极反应物流38由此进入WTD20,以及连接第一排出歧管 92 (图1 )，第一阴极反应物流38由此离开WTD 20。同样地，流动 通道80的多个入口 84和出口 88分别连接第二进入歧管94 (图1 ), 阴极流出流42由此进入WTD20,以及连接第二排出歧管96(图1 ), 阴极流出流42由此离开WTD 20。第一和第二进入歧管90、 94以及第一和第二排出歧管92、 96可被安置在WTD 20的对立两侧上，如图所示，从而使得第一阴极反应物流38和阴极流出流42以相反方向(对流)流过WTD20。然而应当"i人识到，也可以利用同向流动或交叉流动布置。另外，尽管示出了大致水平的流动通道78、 80,但应当认识到，尽管可能难以实现本教示的所有益处，但还是可以利用它们之间大致竖直的流动通道或布置。
|0024]参照图2-4, WTMA64可包括布置在第一和第二扩散介质102、104之间的输水膜100。第一扩散介质102可面对流动通道78并且连通第一阴极反应物流38,同时第二扩散介质104面对流动通道80并且连通阴极流出流42。第一和第二扩散介质102、 104可为输水膜100提供支撑结构，由此抑制输水膜IOO的变形。在一些实施例中，膜100可被覆盖在扩散介质102、 104两者或其中一个之上。
如图4所示，第一扩散介质102在一侧接界于流动通道78并且在对立侧邻接输水薄膜100。由基本上和流动通道78成直角的第一表面112和基本上平行于流动通道78的第二表面1M限定的前缘110被布置在入口 82附近，从而在第一阴极反应物流38进入流动通道78时使第一表面112直接暴露于第一阴极反应物流38。同样地，第二扩散介质104在一侧接界于流动通道80并且在对立侧邻接输水薄膜l()()。由基本上和流动通道80成直角的第一表面122和基本上平行于流动通道80的第二表面124限定的前缘120被布置在入口 84附近，从而在阴极流出流42进入流动通道80时使第一表面122直接暴露于阴极支流42。在一个实施例中，薄膜100覆盖在扩散介质102、 104上，扩散介质102、 104可以延伸至薄膜100的长度。应当"i人识到，板60的填料和定位的不同方法可以改变这种结构。
第一扩散介质102可以是薄的多孔材料，其可以捕获和扩散气态流体。第一扩散介质102可是疏水性的，因为它可吸收水汽而排斥液态水。这种扩散介质可由多种材料制成。例如，第一扩散介质102可以是从Colorado的Boulder燃料电池商店得到的Toray T030或TorayT060纸或大约100pm的其它纤維垫或载体。第一扩散介质102将传输通过薄膜100的水扩散进流过流动通道78的阴极反应物流38内。
第二扩散介质104可以是亲水性的，因为它能够从阴极流出流42中吸收液态水和水汽，并且促进液态水和水汽和输水薄膜100之间
10的连通，如下所述。第二扩散介质104可以是薄的多孔材料，比如从
或大约100pm的其它:纤维垫或载:。第二扩散介质;04,如果本质上不是亲水性的，可以将聚乙二醇二丙烯酸盐和聚乙二醇丙烯酸盐的溶液通过紫外光或其它亲水性处理制备在其上。替换地，第二扩散介质104可以是直接涂在输水薄膜100上的薄的亲水性涂层。
输水薄膜100有一个侧面与第一扩散介质102接触，而第二侧面则与第二扩散介质104接触。输水膜100可以是薄的微孔性或致密膜，其允许阴极流出流42中的水在其中流动并且湿润第一阴极反应物流38。输水膜100有多种形态。例如，输水膜100可以是从DelawareWilmington的DuPont得到的NAFI0N 112。 一些致密膜，如NAFI0N 112,如下所述，当与液态水接触时，显示出水通量的阶跃变化。在水通量上具有这种阶跃变化的输水膜可被有利地应用在本教示中。希望优化从阴极流出流42到阴极反应物流36的水通量130从而有助于燃料电池系统22将堆24中的膜保持在期望湿度等级。本教示通过改善穿过输水膜100的水通量130来实现本目标，如下文所述。|0032]如前所述，阴极流出流42的水分包括由燃料电池系统22产生的水汽和液态水。堆24中液态水生成的速度(Fc)随着燃料电池系统22的工况改变而变化。燃料电池系统22的工作可被表征为标称工况和过渡工况。标称工况总体上对应于堆24上的电流栽荷总体上i呆持恒定的时候。过渡工况对应于堆24上的电流栽荷正在变化且燃料电池系统22经历冷启动的时候。理想地，燃料电池系统22的标称工况期间的液态水生成速度(Fg)将等于零并且由堆24产生的所有水分都处于水汽形式。然而，一些液态水可在标称工况期间由堆24产生，或者在堆24和/或阴才及流出管道44内可发生某种冷凝。该冷凝随着阴极流出流42的相对湿度增大而更显著。液态水生成速度(FG)在标称工况期间总体上保持常^t。例如，当堆24输出约0.4A/cn^的基本上恒定的电流载荷并且在约6(TC下工作时，堆24的液态水生成速度(Fc)约为1.3xlO'5gm/( seccn^堆膜面积)。作为另一个例子，当堆24输出约1.5A/cn^的基本上恒定的电流载荷并且在约40。C下工作时，液态水生成速度(FG)约为1.1 x10—4gm/ ( sec cn^堆膜面积)。这些电流栽荷近似代表在标称工况期间堆24上的更高和更低的电流栽荷。在下文中，当液态水生成速度(FG )总体上为常数时，对应于燃料电池系统22的标称工况的WTD20工况被称作稳态工况。
0034]在堆24的过渡工况期间，液态水生成速度(FG)可发生变化并且出现急促的液态水生成尖峰。特别地，冷启动可产生液态水生成速度(Fc;)的大尖峰。同样地，从一个电流栽荷到另一个电流载荷的转换可引起液态水生成速度(FG)增加或减小。在下文中，对应于燃料
电池系统22的过渡工况的WTD 20工况被称作非稳态工况，其中，液态水生成速度(Fc)可变化和/或产生尖峰。
10035〗现有技术的WTDs具有在输水膜的两侧都带有疏水性扩散介质的膜组件并且排出液态水，或者其没有扩散介质。疏水性扩散介质抑制液态水的吸收和与输水膜的连通。 一旦排出，液态水就不再回收，而液态水的潜在水通量就此被浪费了。在稳态工况期间，这个未获得的水通量很小，因为液态水的量很小。然而，在非稳态工况期间，这个未获得的水通量可更显著。因为没有扩散介质，所以膜表面面积就浪费了 。当阴极支流42包含液态水时，通过获得液态水至少一部分的潜在水通量而不是简单地将液态水排出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术WTDs的水通量。
10037j在图5中，示出了棵输水膜100>现有技术的WTMA (两个扩散介质都是疏水性的)，以及根据本教示的WTMA64 (与相对更湿润的流体流(原料流体流)接触的扩散介质是亲水性的，另一个扩散介质是疏水性的)，三者的理论水通量的图示，这些水通量被认为是作为与其接触的原料流体流增大的相对湿度的函数而发生的，并且示出
了与其接触的原料流体流的水分是100%液态水的情况。水汽和100%液态水之间的转换用竖直线138表示。棵输水膜IOO的水通量用曲线140表示。如图所示，水通量140随着原料流体流相对湿度的增大而增大。当原料流体流的相对湿度达到100%且转变为液态水时，获得最大水汽通量140。当原料流体流从100%水汽(0%液态水)转换到与其接触的100%液态水时，水通量140经历阶跃变化。如图所示，当水分是与棵输水膜IOO接触的100。/。液态水时，获得最大水通量。
应当认识到，图5的水通量曲线140、 144、 146本质上是理论和示例性的，并且没有反映实际数据点。而且，还应当认识到，曲线144和146位于转换线138左方的部分可能彼此不同，尤其取决于与原料流体流接触的扩散介质的扩散性质。
|0041]当比较图5中所示的水通量趋势时，很明显输水膜100的给定表面面积上的水通量在连通液态水时要高于连通水汽时。因此，通过促进其里面的液态水与输水膜100之间的连通可以增大WTD 20工作期间的水通量。如水通量曲线146所示，与原料流体流和输水膜100接触的亲水性第二扩散介质104的使用可以促进液态水与输水膜100之间的连通。亲水性第二扩散介质104可吸收在稳态和非稳态工况期间产生的一部分液态水(否则由于疏水性扩散介质的使用，这些液态水将被排出现有技术的WTDs),并且保持所吸收的液态水与输水膜IOO接触。然后，就能通过根椐本教示的WTD 20获得所吸收的液态水的潜在水通量。现在返回图4,当阴才及流出流42进入流动通道80时，重力将促使液态水落向流动通道80的底部。当液态水;镜穿流动通道80时，
液态水遭遇第二扩散介质104的第一表面122。第二扩散介质104可吸收通过第一表面122的液态水，引起毛细效应，由此通过毛细作用将进入流动通道80的液态水带出流动通道80并且进入第二扩散介质104。
|0043|所希望的是，第二扩散介质104的毛细管性(Fs)，即从流动通道80通过毛细作用带走液态水的速度，大于稳态工况期间的液态水生成速度(Fg),从而有助于保纟争流动通道80不被液态水阻塞。不被阻塞的流动通道80可允许更大量的阴极流出流42进入WTD 20并且与输水膜100连通，从而提高水通量。毛细管性(Fs)被定义为在有限的时段内在扩散介质的表面上可被吸收的水量，并且可以表示为
l'，s = Dw A / L ( 1 )
式中
I'，s =毛细管性(gram/s);
I)w=毛细作用系数(g/cm-s);
L=发生毛细作用的长度(cm);以及
A=毛细材料的一黄截面积(cm2)。如等式(1 )所示，毛细管性(Fs)受到扩散介质的毛细作用系数(Dw)、扩散介质的长度(L)和橫截面积(A)的影响。扩散介质的长度L和横截面厚度将总体上由稳态工况期间生成期望水通量所需的流动通道78、 80的长度和数量决定。橫截面厚度将总体上由扩散介质的汽相扩散要求限制，如下所述。扩散介质的毛细作用系数(Dw)由扩散介质的基本材料性质决定，其受到表面性质(即，扩散介质的接触角、孔隙度和孔径大小)的影响，并且可以表示为
I)w = P*C/v (2)
式中
I)w 二毛细作用系凌丈(gram/cm-s);P-渗透度(cm2);C二毛细压力(kPa);以及v 二动力粘度(KPa sec cm3/gm)。
15如等式(2)所示，毛细作用系数(DW)尤其受到扩散介质对水的渗透度(P)、毛细压力(C)和动力粘度(V)的影响。扩散介质的渗透度受到扩散介质的孔隙度和平均孔径的影响。扩散介质的毛细压力，其是由毛细管中的液体产生的力，可受到液态水表面张力、接触角和平均孔径的影响。在非稳态工况期间，液态水生成速度(FG)超过第二扩散介质104的毛细管性(Fs)(即，FG〉FS)。当这发生时，液态水溢出前缘120并且被第一和第二表面122、 124两者所吸收。沿着第二扩散介质104并在其内可产生液态水緩冲。随着该緩沖以比进入第 一 阴极反应物流38的水通量快的速度持续吸收液态水并延展，沿着第二扩散介质104的长度扩展，如图4中的扩展线150所示。该緩冲可延展，直到第二扩散介质104的整个体积都被浸透。因此，亲水性第二扩散介质104的緩冲能力可有利地吸收液态水生成尖峰，否则这些液态水会从现有技术的WTD排出。然而，应当认识到，当第二扩散介质104被完全 浸透并且再也不能吸收更多的液态水时，未被吸收的液态水会连同阴 极流出流42 —起^皮排出WTD 20。
|0049]亲水性第二扩散介质104的緩冲能力可有利地保持WTD 20的 水通量在升高等级。随着第二扩散介质104内被緩沖的液态水被分散 到输水膜IOO的表面上，緩冲能力可有利地提供进入输水膜100的液 态水通量。在存在水緩沖的时期内，水通量被维持在升高等级。在液 态水生成速度(Fc)小于第二扩散介质104的毛细管性的时期内，该 緩沖可保持水通量在高级别。另外，当液态水生成速度(FG)小于第 二扩散介质104的毛细管性(Fs)并且大于通过输水膜IOO的水通量 130时，第二扩散介质104可增加其中的液态水援冲，直到第二扩散 介质104变得浸透。这样，在WTD20的工作期间，第二扩散介质104 的液态水緩沖可随着燃料电池系统2 2的工况改变而增加或减少。 f0050]现在参照图6，示出了具有不同初始水緩沖的WTMAs 64的理 论水通量相对于时间的关系。在图6的曲线中，假定没有液态水产生， 结果是，因为水通量被通过输水膜00传输并且进入在WTMAs64对 侧上的流体流中，所以示出的WTMAs 64中的緩沖随着时间增加而减 少。曲线16S、 170、 172代表着总体上相同的WTMAs64的水通量随 时间的变化，所述总体上相同的WTMAs 64具有对应于正在减少的液 体连通区的减少的初始緩沖体积。该液体连通区是与液态水接触的输 水膜IOO的表面面积。相应緩冲体积是直接在液体连通区之上的饱和 的第二扩散介质104的体积。应当相信，液态水通量在液体连通区上 是均匀地存在的，从而总体上均匀地消耗緩沖。更进一步地相信，在 消耗緩冲时，液体连通区总体上保持恒定。在消耗緩冲体积时，均匀 消耗可以产生一段通过WTMAs 64的大体上稳定的水通量时期，总体 上用各个曲线168、 170、 172的平坦抬高部168a、 170a、 172a表示。 一旦緩冲体积被消耗并且液体连通区收缩，水通量就开始减小，用各 个曲线168、 170、 172的部分168b、 170b、 172b表示。当緩冲体积 被消耗并且液体连通区消失(只有水汽与输水膜IOO接触)时，水通 量就回到稳态水通量，用各个曲线168、 170、 172的部分168c、 170c、 172c表示。从关于减少的初始液体连通区(减少的緩沖体积)的曲线 168、 170、 172的形状可以认识到，从升高的水通量速度(部分168a、
17H0a、 172a)变到稳态水通量速度(部分168c、 HOc、 172c)所需的 时间可以减少，正如各个曲线168、 170、 172中的转^换点174、 175、 176所表示得那样。应当理解，具有升高速度(部分168a、 170a、 172a) 的大体上稳定的通量的时期可以通过增加第二扩散介质104的横截面 厚度而延长，从而增大緩冲体积。现在参照图7,示出了根据本教示的WTMA 64与现有技术 WMTA (两面都具有疏水性扩散介质)的性能之间的理论比较，如图 所示这可能是由于燃料电池系统22在非稳态和稳态工况之间工作的 波动而出现的。在这个理论例子中，时期A对应于燃料电池系统22 的冷启动，这就产生大量液态水并且导致提供了重要緩冲给WTMAs 64。紧跟着启动之后，开始燃料电池系统22的稳态工况。在点B, 出现燃料电池系统22的非稳态工况并且产生用于补充WTMAs 64的 緩沖的液态水。点C对应于燃料电池系统22的工作变为稳态工况， 其中不产生液态水。在时间D,燃料电池系统22的工作又发生变化 并且存在短期的非稳态工况，并且在短时间内又生成液态水。在时间 E，燃料电池系统22又变化工作为稳态工况，其中不再生成液态水， 并且在图7所示的时期的剩余部分中持续稳态工况。 |0052]在图7所示的示例性工作期间，WTMAs 64的水通量用曲线180 表示并且，如图所示，经历了对燃料电池系统22的在非稳态工况和 稳态工况之间的变化工作的多种响应。在时间A，紧跟着冷启动，在 第二扩散介质104内产生最大緩沖并且水通量处于升高值。随着时期 A和B之间的稳态工况引起的緩沖被消耗，水通量保持大体上恒定直 到液体连通区开始收缩并且水通量减少。在时期A和B之间的水通量 趋势总体上对应于图6的曲线168。
|00531在时期B，非稳态工况的开始引起液态水的生成，其可补充 WTMAs64的緩沖，并且因此，水通量随着液体连通区扩展而开始增 加。在时期C，当燃料电池系统22回到稳态工况并且液态水的生成 停止时，因为WTMAs64的緩沖被使用，所以水通量保持大体上恒定 在升高值。在点D和E之间，向非稳态工况的短暂转变以及液态水的 生成有助于补充水緩冲并且由此延长从时期C开始的具有大体上恒 定且升高的水通量的持续时间。当緩冲开始被消耗并且液态接触面积 减小时，水通量又开始减少并且接近稳态水通量，其中緩沖被消耗并且在时期F没有液态水存在于WTMAs64中。转变总体上对应于图6 的曲线170和172之一。这样，当燃料电池系统22在稳态和非稳态 工况之间转换时，WTMA s 6 4的緩冲能力的存在可引起水通量变化程度。
l:0054]和WTMAs64的水通量能力形成对比，关于相同发生事件的现 有技术WTMA(两面都是疏水性扩散介质)的理论水通量中的水通量 用曲线182表示。示出的水通量大体上恒定。为了做比较，假定冷启 动期间和 一 一 稳态工况期间生成的液态水对水通量具有可以忽略的影
响，因为疏水性扩散介质有助于从现有技术WTD中清除液态水，由 此防止液态水进入膜的表面从而提高水通量。这样，在这种情况中， 现有技术WTMA的水通量被认为保持大体上恒定。
尽管本教示是参照特定例子和结构进行了描述，但应当理解， 来自所示例子的变化和演变可以被采用，且同时仍然包含在本教示内 并且位于权利要求的范围内。例如，应当理解，WTD 20的结构不限 制为平坦(叠板)结构。WTD 20可以被构造成管状、螺旋缠绕或其 它公知的WTD结构，其可促进流经其的流体流之间的水传输。另外， 尽管第二扩散介质104的性质已经被陈述，但应当理解，性质的其它 值和/或结合也可以达到根据本教示的WTD 20所希望的水汽通量能 力与液态水通量能力之间的平衡。而且，如果需要的话，第一扩散介 质102也可是亲水性的。
权利要求
1、一种输水装置，包括第一流动通道，其具有用于接收和排出第一流体流的入口和出口；第二流动通道，其具有用于接收和排出第二流体流的入口和出口；输水膜，其与所述第一和第二流动通道相连并将它们分开，所述输水膜可操作以将流过所述第一流动通道的第一流体流的一部分水分传输到流过所述第二流动通道的第二流体流；以及第一扩散介质，其布置在所述输水膜和所述第一流动通道之间，所述第一扩散介质是亲水性的并且可操作以吸收所述第一流动通道中的液态水，保持所述被吸收的液态水与所述输水膜接触，并且将水传输到所述输水膜，并且可操作以扩散水汽，将所述第一流动通道中的所述水汽输送到所述输水膜，并且将所述水汽传输到所述输水膜。
2、 如权利要求1所述的输水装置，其特征在于 所述第一流动通道是多个第一流动通道中的一个； 所述第二流动通道是多个第二流动通道中的 一 个； 所迷输水膜是多个输水膜中的 一个； 所述第一扩散介质是多个第一扩散介质中的一个；并且 所述第一和第二流动通道中的每一个都被所述输水膜之一和所述第一扩散介质之一分开，所述第一扩散介质面对着所述复数个第一 流动通道。
3、 如权利要求1所述的输水装置，进一步包括第二扩散介质， 其被布置在所述输水膜和所述第二流动通道之间并且可操作以将水 从所述输水膜传输到所述第二流动通道。
4、 如权利要求3所述的输水装置，其特征在于，所述第二扩散 介质是疏水性的。
5、 如权利要求1所述的输水装置，其特征在于，所述第一扩散 介质的孔隙度约大于70%。
6、 如权利要求1所述的输水装置，其特征在于，所述第一扩散 介质的孔隙度在约70%和约85%之间。
7、 如权利要求1所述的输水装置，其特征在于，所述第一扩散介质的平均孔径在约l微米和约ioo微米之间。
8、 如权利要求1所述的输水装置，其特征在于，所述第一扩散 介质的厚度约小于0.2mm。
9、 如权利要求8所述的输水装置，其特征在于，所述厚度在约 0,05mm至约0.1 mm之间。
10、 如权利要求1所述的输水装置，其特征在于，所述第一扩散 介质进一步包括前缘，所述前缘被布置在所述第一流动通道的所述入 口的附近。
11、 如权利要求1所述的输水装置，其特征在于，所述第一扩散 介质的毛细作用系数约大于0.2g/cm-s。
12、 如权利要求11所述的输水装置，其特征在于，所述毛细作 用系数约大于13g/cm-s。
13、 如权利要求1所述的输水装置，其特征在于，所述第一扩散 介质包括通过紫外光制备的聚乙二醇二丙烯酸盐和聚乙二醇丙烯酸 盐的纟容液。
14、 如权利要求1所述的输水装置，其特征在于，所述输水膜是 微孔膜，当所述输水膜接触液态水时其水通量能力相比于其接触水汽 时具有正的阶跃变化。
15、 一种输水系统，包括 第一流体流，其具有第一水分；第二流体流，其具有第二水分；输水膜，其与所述第一和第二流体流相连并将它们分开，所述输 水膜可操作以将来自所述第 一 流的所述第 一 水分的 一 部分传输5 'j所 述第二流；以及亲水性扩散介质，其被布置在所迷输水膜和所述第 一 流体流之 间，所述亲水性扩散介质可操作以吸收所述第 一 流体流中的液态水， 保持所述被吸收的液态水与所述输水膜接触，并且将水传输到所述输 水膜，并且可操作以扩散所述第一流体流中的水汽，将所述扩散的水 汽输送到所述输水膜，并且将所述扩散的水汽传输到所述输水膜。
16、 如权利要求15所述的输水系统，进一步包括燃料电池堆， 其可操作以将阳极反应物流和阴极反应物流转换成电、阳极流出流和 阴极流出流，其中所述第一流体流是所述阴极流出流，所述第二流体流是所述阴极反应物流。
17、 一种在输水装置的两个流体流之间传输水分的方法，该输水 装置具有由输水膜分开的第一和第二流动通道并且具有布置在所述输水膜与所述第 一流动通道之间的亲水性扩散介质，该方法包括提供第 一流体流给输水装置中的第 一 流动通道，所述第 一流体流在刚进入所述第 一 流动通道时具有第 一 水分；提供第二流体流给输水装置中的第二流动通道，所述第二流体流在刚进入所述第二流动通道时具有小于所述第一水分的第二水分； 用所述亲水性扩散介质从所述第 一 流体流吸收液态水； 将被所述亲水性扩散介质所吸收的所述液态水输送到所述输水膜；从所述第 一 流体流扩散水汽并进入所述第 一 亲水性扩散介质之内；将所述扩散进亲水性扩散介质的所述水汽输送到所述输水膜；以及将来自亲水性扩散介质的水输送通过输水膜并且进入流过所述 第二流动通道的所述第二流体流之内。
18、 如权利要求17所述的方法，其特征在于，第一流体流的所 述供给包括从燃料电池堆提供阴极流出流给第 一流动通道，而第二流 体流的所述供给包括提供阴极反应物给第二流动通道，并且进一步包 括将所述第二流体流从所述输水装置通往所述燃料电池堆的阴极反 应物入口 。
19、 如权利要求.18所述的方法，其特征在于，吸收液态水包括 在所述燃料电池系统的过渡工况期间抑制液态水从所述第 一 流动通道排出。
20、 如权利要求18所述的方法，其特征在于，吸收液态水包括 在所述燃料电池系统的标称工况期间抑制液态水从第 一 流动通道排出。
21、 如权利要求17所述的方法，其特征在于，所述吸收液态水 包括，通过以比传输所述被吸收液态水到输水膜的速度更大的速度从 第一流动通道吸收液态水，从而在扩散介质中形成液态水緩沖。
22、 如权利要求21所述的方法，进一步包括，当进入所述第一流体流的液态水生成速度小于将所吸收的液态水传输进入输水膜的 所述速度时，减小了扩散介质中的缓冲液态水的量。
23、 如权利要求18所述的方法，其特征在于，吸收液态水包括 用邻近第一流动通道入口的所述第一扩散介质的前缘通过毛细作用 吸走所述液态水。
24、 如权利要求23所述的方法，其特征在于，所述通过毛细作 用吸走所述液态水包括，以比所述燃料电池系统的液态水生成速度更 大的速度通过毛细作用吸走所述液态水。
全文摘要
本发明提供了一种采用水缓冲来增加水通量的输水装置。该输水装置包括被输水膜和亲水性扩散介质分开的第一和第二流动通道。该亲水性扩散介质被布置在输水膜和第一流动通道之间。流过第一流动通道的第一流体流的水分被传输通过扩散介质和输水膜并且进入流过第二流动通道的第二流体流。亲水性扩散介质可操作以吸收第一流体流中的液态水并且保持所吸收的液态水与输水膜接触。亲水性扩散介质还可操作以扩散第一流体流中的水汽并且将水汽输送到输水膜。输水膜将与其接触的水传输给流过第二流动通道的第二流体流。
文档编号H01M8/04GK101494293SQ20091000994
公开日2009年7月29日 申请日期2009年1月24日 优先权日2008年1月25日
发明者A·M·布伦纳, G·W·斯卡拉, Y·张 申请人:通用汽车环球科技运作公司