CN101088189A - 具有电解质凝结区的燃料电池 - Google Patents

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Abstract

一种燃料电池12具有电解液20、阴极28、和阳极26。燃料电池包括电解质凝结区58，其从阴极上第一催化剂层36的边缘56延伸到边缘52和49的外边缘48。阳极具有阳极催化剂层30，阳极催化剂层30具有与边封的内边缘53大致重合的端部。酸凝结区位于反应物出口附近，使得已经蒸发进入反应物流的电解质可以在离开燃料电池之前凝结，以使其再回收到燃料电池中。

Description

具有电解质凝结区的燃料电池
技术领域
本发明涉及燃料电池，并更具体地涉及一种具有电解液和电解质凝结区的燃料电池。
背景技术
在使用电解液的燃料电池中，当反应物气流通过电池时，有一些电解质的蒸气进入到反应物气流中，尤其会进入到可以比氢气流(燃烧剂)以更快速度流动的空气(氧化剂)流中。虽然蒸气是微量的，经过长时期的时间后也有可能变得数量巨大，并且有可能最终由于电池内的电解质缺乏而导致电池失效。因此，为了延长运行期，可能有必要恢复失去的电解质并将其返回到电池中。1982年8月17日授予Breault的美国专利4,345,008中所描述的电解质凝结区类型，可以用来恢复蒸发进入反应物流的电解质。专利4,345,008描述了一种磷酸燃料电池，并且因此电解质凝结区被称作酸凝结区。酸凝结区是邻近反应物出口的电极的不起反应部分。不起反应区域不支持燃料电池的电化学反应，并因此比电极的催化、有电化学活性的部分更冷。凝结区足够冷，使蒸发的电解质能在反应物流之外凝结，以使得其可以在离开燃料电池之前恢复。已经发现具有电解质凝结区的燃料电池在边封(edge seal)区域可能遭受腐蚀和降解。
发明概述
燃料电池具有阴极、阳极、和电解质。阴极具有阴极催化剂层和电解质凝结区。凝结区邻近反应物出口，并且包括不催化、不起反应的区域，其从阴极催化剂层端部延伸到燃料电池的外边缘。阳极具有阳极催化剂层，其越过不起反应的区域延伸，并且具有大致与边封的内边缘重合的端部。电解液可以是磷酸，并且电解液还可以是容纳于具有高温膜的燃料电池中的游离酸。
本发明公开了一种运行具有至少一个容纳电解质的燃料电池的燃料电池组组件的方法。氧化剂穿过邻近阴极的阴极流场板流动。阴极具有邻近反应物出口的电解质凝结区，其包括从阴极催化剂层端部延伸到燃料电池外边缘的不起反应区域。燃料邻近阳极流动。阳极具有越过不起反应区域延伸的阳极催化剂层，阳极催化剂层的端部大致与边封的内边缘重合。在燃料电池组组件中，冷却剂穿过至少一个冷却剂通道流动。冷却剂可以进入邻近凝结区的组，并且邻近凝结区的冷却剂管的数量可以比邻近燃料电池的反应部分的冷却剂管的数量更多。
燃料电池包括电解质、阴极和阳极。阴极具有由邻近反应物出口的不起反应区域组成的电解质凝结区，不起反应区域从阴极催化剂层端部延伸到燃料电池的外边缘。燃料电池的边封可以是液封，其包含在边封的外表面抑制氧气减少的材料。在液封中使用的材料可以包括氧化钨、碳化硅、和它们的混合物。边封还可以是固体密封。在固体密封中使用的材料可以包括聚合物和石墨聚合组合物。
附图简述
图1是在现有技术中已知的具有酸凝结区的部分磷酸燃料电池组的截面图；
图2是具有改良的酸凝结区的部分磷酸燃料电池组的截面图；
图3是显示图1的实施例中距离与电位之间关系的图表；以及
图4是显示图2的实施例中距离与电位之间关系的图表。
最佳实施方式
图1是部分燃料电池组10的截面图，燃料电池组10由燃料电池12、冷却剂支承组件14，和不透气隔离板16组成。组元件具有那些本领域内技术人员已知的结构，并且以那些本领域内技术人员已知的方式彼此相对排列。冷却剂支承组件的支承层15可以支承多个冷却剂通路，例如管或通道18，其运送冷却剂穿过燃料电池组以吸取出由燃料电池组内的电化学反应产生的热量。各电池12都包括电解质保持基质层20，其具有布置在一侧的阳极或燃料电极26和布置在另外一侧的阴极或氧化剂电极28。电解质可以是磷酸，并且基质层20可以是带有例如聚四氟乙烯夹板的碳化硅。
阳极和阴极每个都可以是气体扩散类型的，其中各电极包括纤维状的多气孔碳基层，其可以由那些本领域内技术人员已知的任意方式进行制造。阳极基层26具有面向电解质基质20的催化剂层30。阳极流场板32具有多个平行的燃料通道34，可以使在组一侧的燃料入口歧管(未显示)与在另外一侧的燃料出口歧管(未显示)互相连接。燃料流场可以是单通或多通的流场。
阴极28在构造上与阳极26相似。阴极28具有在基层的平坦表面上面向电解质基质20的催化剂薄层36。阳极和阴极的催化区域支持燃料电池的电化学反应，并时常被称作电化学活性区域。阴极流场板40具有氧化剂通道44，氧化剂通道44用来在与燃料流动垂直的方向上越过电池运送氧化剂。催化剂层30和36都未到达燃料电池48外边缘处。
阳极26中注入边封49。阳极流场板32中也包括边封52。边封可以是大致相同的宽度，并具有内边缘53。边封通常是1.8厘米到3.6厘米(0.7英寸到1.4英寸)宽。阳极流场板可以是那些本领域技术人员已知的多孔电解质贮槽。相同的或相似的密封可以存在于燃料电池中的其它地方，由于本领域技术人员熟知其位置，因此为了清楚而将其省略。可以在这个实施例中使用的边封例子是1987年3月24日授予Breault的美国专利4,652,502中所描述的液封，其通过引用完全结合到本文中。在专利4,652,502中，边封通过向燃料电池边缘处的多孔结构中注入例如二氧化碳和二氧化硅颗粒而形成，以便减小气孔的尺寸并增大边封区域的毛细作用力。因此，当磷酸在边封中充满细孔时，存在有足够的毛细作用力将酸保存在密封内并形成液封。
阳极催化剂层30和阴极催化剂层36分别地终止于催化剂端部54和56。沿x轴线在阴极催化剂端部56与液封内边缘53之间的长度可以大约是5.1厘米到12.7厘米(2到5英寸)。由于没有催化剂，燃料电池的电化学反应不发生在这个长度上，也不发生在液封区域，因此其比电池的电化学活性部分更冷。这个冷却段是从端部56延伸到燃料电池的外边缘的凝结区58，并且其位于氧化剂出口59处，使得蒸发进入反应物流的电解质可以凝结出来，用来吸收回燃料电池中。
已经发现，液封与酸凝结区的结合可以促进在阴极基层的外边缘48a或是在其附近的碳腐蚀。碳腐蚀的起因被相信是由于在电子导电段与电解质之间增大的电位差。电位差是由在外边缘48b和48c处的氧气减少而引起的，电位差造成了对在阳极催化剂端部54处产生的质子的需求。从催化剂端部到液封外边缘的质子板内流动增大了在电子导电段与电解质之间的电位差，并且导致了阴极基层在外边缘48a处更迅速的腐蚀。
当在氧气、磷酸电解质、和低电位面前发现了能够减少氧气的材料时，在阳极的外边缘处可以减少氧气。这种情况存在于阳极和流场上的外边缘48b和48c处，因为边缘暴露于氧气(即空气)中，液封颗粒装填物是有能力减少氧气的碳，并且磷酸在液封中填充了细孔。
作为使用碳形成液封的替代，可以使用不减少氧气的材料。这种材料的例子包括，例如氧化钨、碳化硅，和它们混合物。相对于在液封中具有碳的实施例，使用这些材料将抑制或消除氧气的减少，其将导致更少量的碳腐蚀。在可替换的实施例中，可以用固体边封来替代液封，固体边封由例如聚合物或石墨聚合组合物的材料而制成。对固体边封的使用还将削减或消除氧气的减少，因为其防止磷酸进入边封区域，因此相对于使用液封而言起减少腐蚀的作用。
对于密封的外边缘48b和48c处已知的反应速度来说，根据欧姆定律控制电位差，其中在边缘48b和48c与催化剂端部54之间的溶液电位差取决于在这些边缘氧气流的减少，和在这些边缘与催化剂端部54之间的距离。图1中实施例的距离与电位之间的关系图形显示在图3中。图3显示了电位差如何随着从催化剂端部54的距离增大而增大，在液封的外边缘48b和48c处达到最大值，在实施例中两个催化剂层的端部到密封内边缘53为5.1厘米到12.7厘米(2英寸到5英寸)。注意到在图3中，凝结区58在图的左侧，而在图1中的实施例其显示在右侧。
图2显示了类似于图1的实施例，其中阳极催化剂30的构造不同。在这个实施例中阳极催化剂30越过阴极上不起反应的凝结区58的长度沿x方向伸展，并且具有与液封内边缘53大致重合的端部54。术语大致重合包括催化剂端部54延伸到大约越过边封中途的结构。沿x轴线从阴极催化剂端部56到燃料电池的外边缘48所测量出的电化学不活跃的酸凝结区58的长度与图1中的实施例相同。然而，相对于图1，极大地缩减了外边缘48与阳极催化剂端部54之间的距离。这相对于图1中所显示的实施例缩减了离子的阻力。如图2中所示，该距离可以缩减到大致边封49和52的宽度。用于这个实施例的距离与电位之间的关系显示在图4中。注意到在图4中，酸凝结区58是在图的左侧，而在图2中的实施例其显示在右侧。
图3显示了与位置成函数变化的金属和溶液电位，其用于图1中所示现有技术的电池构造。从在图1中阳极催化剂54的端部到电池边缘通常约为10厘米(3.9英寸)。图4显示了与位置成函数变化的金属和溶液电位，其用于图2中所示的实施例。从在图2中实施例的阳极催化剂54的端部到电池边缘通常约为1.8厘米(0.7英寸)。溶液电位对位置的合成斜率在图2实施例中比现有技术中大约低0.18倍。在金属与溶液之间电位差中的这个缩减导致了在图2中实施例在与图1中的实施例对比时，在阴极的位置48a与59上有大致更低的腐蚀速度。
现有高温聚合体电解质膜的新兴技术。美国专利2004/0028976A1描述了改性的聚苯并咪唑(PBI)膜，并且美国专利2004/0125788A1描述了基于聚唑(polyazoles)的聚合体膜。额外的磷酸或聚磷(polyphosphoric)酸、游离酸，可以加入到燃料电池中，其与这些高温的聚合体电解质膜结合，用来提高它们的电化学性能或提高它们的使用寿命。本发明可以用采使这样的电解质和磷酸凝结。
在组10的运行过程中，燃料例如氢气邻近阳极26通过，穿过通道34，并进而穿过阳极材料的开孔与催化剂层30和基质20内的磷酸接触。同时，在与其垂直的方向上，作为氧化剂的空气从在组10一侧上的歧管中进入通道44，并且邻近阴极28通行，并经由阴极28中的开孔与催化剂层36和基质20内的电解质接触。本领域内众所周知，电、热、和水由电池中的电化学反应而产生。
在类似大约177-204摄氏度(350-400华氏度)的运行温度下，尽管空气中磷酸的水蒸气压力非常低，当少量磷酸在流动空气和氢气流穿过电池行进时，其既蒸发进入流动空气中又进入到氢气流中。由于凝结区中缺少电化学反应，当空气流穿过邻近凝结区58的氧化剂通道44时，其温度开始下降。如果必要或需要，温度可以进一步降低，其通过在冷却剂通道18中凝结区50附近每平方英寸上比在电池的起反应部分附近流过更大数量的冷却流而实现。这可以通过，例如，在邻近凝结区处比在邻近电化学反应区域处具有的更大的冷却剂通道密度而得以实现。
尽管本发明已经相对于其中的优选实施例进行显示和描述，那些本领域内技术人员应该理解，可以对其进行在其形式与细节中的其它不同的改变和省略，而不脱离本发明的实质和范围。

Claims (16)

1.一种燃料电池，包括：
电解质；
阴极和阳极；
邻近至少一个反应物出口的电解质凝结区，其包括从阴极催化剂层端部延伸到燃料电池外边缘的不起反应区域；以及
越过不起反应区域延伸的阳极催化剂层，其中，阳极催化剂层端部与边封的内边缘大致重合。
2.根据权利要求1所述的燃料电池，其特征在于，所述电解质是磷酸。
3.根据权利要求1所述的燃料电池，其特征在于，所述电解质是容纳在具有高温电解质膜的燃料电池内的游离酸。
4.一种运行燃料电池组组件的方法，燃料电池组组件具有至少一个燃料电池并容纳电解质，所述方法包括：
使氧化剂穿过邻近阴极的阴极流场板流动，所述阴极具有邻近至少一个反应物出口的电解质凝结区，该电解质凝结区包括从阴极催化剂层端部延伸到所述燃料电池外边缘的不起反应区域；
使燃料邻近阳极流动，其中，所述阳极具有越过所述不起反应区域延伸的阳极催化剂层，该阳极催化剂层的端部与边封的内边缘大致重合；
使冷却剂在所述燃料电池组组件中穿过至少一个冷却剂通道流动。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述电解质是磷酸。
6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述电解质是容纳在具有高温电解质膜的燃料电池内的游离酸。
7.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述冷却剂进入邻近所述电解质凝结区的所述燃料电池组组件。
8.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，邻近所述酸凝结区的区域中的冷却剂通道的数量比邻近所述燃料电池起反应部分的区域中的冷却剂通道的数量更多。
9.一种燃料电池，包括：
电解质；
阴极和阳极；
阴极具有电解质凝结区，其包括邻近至少一个反应物出口的不起反应区域，从阴极催化剂层端部延伸到所述燃料电池的外边缘；以及
液封材料，其在所述燃料电池外表面抑制氧气的减少。
10.根据权利要求9所述的燃料电池，其特征在于，所述电解质是磷酸。
11.根据权利要求9所述的燃料电池，其特征在于，所述电解质是容纳在具有高温电解质膜的燃料电池内的游离酸。
12.根据权利要求9所述的燃料电池，其特征在于，所述液封材料从包括氧化钨、碳化硅、和它们的混合物的组中选取。
13.一种燃料电池，包括：
电解质；
阴极和阳极；
所述阴极具有电解质凝结区，其包括邻近至少一个反应物出口的不起反应区域，从阴极催化剂层端部延伸到所述燃料电池的外边缘；以及
固体边封。
14.根据权利要求13所述的燃料电池，其特征在于，所述固体边封由从包括聚合物和石墨聚合组合物的组中选取的材料而形成。
15.根据权利要求13所述的燃料电池，其特征在于，所述电解质是磷酸。
16.根据权利要求13所述的燃料电池，其特征在于，所述电解质是容纳在具有高温电解质膜的燃料电池内的游离酸。
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