專(zhuān)利名稱(chēng)：具有電解質(zhì)凝結(jié)區(qū)的燃料電池的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及燃料電池，并更具體地涉及一種具有電解液和電解質(zhì)凝結(jié)區(qū)的燃料電池。
背景技術(shù)：
在使用電解液的燃料電池中，當(dāng)反應(yīng)物氣流通過(guò)電池時(shí)，有一些電解質(zhì)的蒸氣進(jìn)入到反應(yīng)物氣流中，尤其會(huì)進(jìn)入到可以比氫氣流(燃燒劑)以更快速度流動(dòng)的空氣(氧化劑)流中。雖然蒸氣是微量的，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)期的時(shí)間后也有可能變得數(shù)量巨大，并且有可能最終由于電池內(nèi)的電解質(zhì)缺乏而導(dǎo)致電池失效。因此，為了延長(zhǎng)運(yùn)行期，可能有必要恢復(fù)失去的電解質(zhì)并將其返回到電池中。1982年8月17日授予Breault的美國(guó)專(zhuān)利4,345,008中所描述的電解質(zhì)凝結(jié)區(qū)類(lèi)型，可以用來(lái)恢復(fù)蒸發(fā)進(jìn)入反應(yīng)物流的電解質(zhì)。專(zhuān)利4,345,008描述了一種磷酸燃料電池，并且因此電解質(zhì)凝結(jié)區(qū)被稱(chēng)作酸凝結(jié)區(qū)。酸凝結(jié)區(qū)是鄰近反應(yīng)物出口的電極的不起反應(yīng)部分。不起反應(yīng)區(qū)域不支持燃料電池的電化學(xué)反應(yīng)，并因此比電極的催化、有電化學(xué)活性的部分更冷。凝結(jié)區(qū)足夠冷，使蒸發(fā)的電解質(zhì)能在反應(yīng)物流之外凝結(jié)，以使得其可以在離開(kāi)燃料電池之前恢復(fù)。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)具有電解質(zhì)凝結(jié)區(qū)的燃料電池在邊封(edge seal)區(qū)域可能遭受腐蝕和降解。
發(fā)明概述燃料電池具有陰極、陽(yáng)極、和電解質(zhì)。陰極具有陰極催化劑層和電解質(zhì)凝結(jié)區(qū)。凝結(jié)區(qū)鄰近反應(yīng)物出口，并且包括不催化、不起反應(yīng)的區(qū)域，其從陰極催化劑層端部延伸到燃料電池的外邊緣。陽(yáng)極具有陽(yáng)極催化劑層，其越過(guò)不起反應(yīng)的區(qū)域延伸，并且具有大致與邊封的內(nèi)邊緣重合的端部。電解液可以是磷酸，并且電解液還可以是容納于具有高溫膜的燃料電池中的游離酸。
本發(fā)明公開(kāi)了一種運(yùn)行具有至少一個(gè)容納電解質(zhì)的燃料電池的燃料電池組組件的方法。氧化劑穿過(guò)鄰近陰極的陰極流場(chǎng)板流動(dòng)。陰極具有鄰近反應(yīng)物出口的電解質(zhì)凝結(jié)區(qū)，其包括從陰極催化劑層端部延伸到燃料電池外邊緣的不起反應(yīng)區(qū)域。燃料鄰近陽(yáng)極流動(dòng)。陽(yáng)極具有越過(guò)不起反應(yīng)區(qū)域延伸的陽(yáng)極催化劑層，陽(yáng)極催化劑層的端部大致與邊封的內(nèi)邊緣重合。在燃料電池組組件中，冷卻劑穿過(guò)至少一個(gè)冷卻劑通道流動(dòng)。冷卻劑可以進(jìn)入鄰近凝結(jié)區(qū)的組，并且鄰近凝結(jié)區(qū)的冷卻劑管的數(shù)量可以比鄰近燃料電池的反應(yīng)部分的冷卻劑管的數(shù)量更多。
燃料電池包括電解質(zhì)、陰極和陽(yáng)極。陰極具有由鄰近反應(yīng)物出口的不起反應(yīng)區(qū)域組成的電解質(zhì)凝結(jié)區(qū)，不起反應(yīng)區(qū)域從陰極催化劑層端部延伸到燃料電池的外邊緣。燃料電池的邊封可以是液封，其包含在邊封的外表面抑制氧氣減少的材料。在液封中使用的材料可以包括氧化鎢、碳化硅、和它們的混合物。邊封還可以是固體密封。在固體密封中使用的材料可以包括聚合物和石墨聚合組合物。
附圖簡(jiǎn)述

圖1是在現(xiàn)有技術(shù)中已知的具有酸凝結(jié)區(qū)的部分磷酸燃料電池組的截面圖；圖2是具有改良的酸凝結(jié)區(qū)的部分磷酸燃料電池組的截面圖；圖3是顯示圖1的實(shí)施例中距離與電位之間關(guān)系的圖表；以及圖4是顯示圖2的實(shí)施例中距離與電位之間關(guān)系的圖表。
最佳實(shí)施方式圖1是部分燃料電池組10的截面圖，燃料電池組10由燃料電池12、冷卻劑支承組件14，和不透氣隔離板16組成。組元件具有那些本領(lǐng)域內(nèi)技術(shù)人員已知的結(jié)構(gòu)，并且以那些本領(lǐng)域內(nèi)技術(shù)人員已知的方式彼此相對(duì)排列。冷卻劑支承組件的支承層15可以支承多個(gè)冷卻劑通路，例如管或通道18，其運(yùn)送冷卻劑穿過(guò)燃料電池組以吸取出由燃料電池組內(nèi)的電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的熱量。各電池12都包括電解質(zhì)保持基質(zhì)層20，其具有布置在一側(cè)的陽(yáng)極或燃料電極26和布置在另外一側(cè)的陰極或氧化劑電極28。電解質(zhì)可以是磷酸，并且基質(zhì)層20可以是帶有例如聚四氟乙烯夾板的碳化硅。
陽(yáng)極和陰極每個(gè)都可以是氣體擴(kuò)散類(lèi)型的，其中各電極包括纖維狀的多氣孔碳基層，其可以由那些本領(lǐng)域內(nèi)技術(shù)人員已知的任意方式進(jìn)行制造。陽(yáng)極基層26具有面向電解質(zhì)基質(zhì)20的催化劑層30。陽(yáng)極流場(chǎng)板32具有多個(gè)平行的燃料通道34，可以使在組一側(cè)的燃料入口歧管(未顯示)與在另外一側(cè)的燃料出口歧管(未顯示)互相連接。燃料流場(chǎng)可以是單通或多通的流場(chǎng)。
陰極28在構(gòu)造上與陽(yáng)極26相似。陰極28具有在基層的平坦表面上面向電解質(zhì)基質(zhì)20的催化劑薄層36。陽(yáng)極和陰極的催化區(qū)域支持燃料電池的電化學(xué)反應(yīng)，并時(shí)常被稱(chēng)作電化學(xué)活性區(qū)域。陰極流場(chǎng)板40具有氧化劑通道44，氧化劑通道44用來(lái)在與燃料流動(dòng)垂直的方向上越過(guò)電池運(yùn)送氧化劑。催化劑層30和36都未到達(dá)燃料電池48外邊緣處。
陽(yáng)極26中注入邊封49。陽(yáng)極流場(chǎng)板32中也包括邊封52。邊封可以是大致相同的寬度，并具有內(nèi)邊緣53。邊封通常是1.8厘米到3.6厘米(0.7英寸到1.4英寸)寬。陽(yáng)極流場(chǎng)板可以是那些本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的多孔電解質(zhì)貯槽。相同的或相似的密封可以存在于燃料電池中的其它地方，由于本領(lǐng)域技術(shù)人員熟知其位置，因此為了清楚而將其省略?？梢栽谶@個(gè)實(shí)施例中使用的邊封例子是1987年3月24日授予Breault的美國(guó)專(zhuān)利4,652,502中所描述的液封，其通過(guò)引用完全結(jié)合到本文中。在專(zhuān)利4,652,502中，邊封通過(guò)向燃料電池邊緣處的多孔結(jié)構(gòu)中注入例如二氧化碳和二氧化硅顆粒而形成，以便減小氣孔的尺寸并增大邊封區(qū)域的毛細(xì)作用力。因此，當(dāng)磷酸在邊封中充滿細(xì)孔時(shí)，存在有足夠的毛細(xì)作用力將酸保存在密封內(nèi)并形成液封。
陽(yáng)極催化劑層30和陰極催化劑層36分別地終止于催化劑端部54和56。沿x軸線在陰極催化劑端部56與液封內(nèi)邊緣53之間的長(zhǎng)度可以大約是5.1厘米到12.7厘米(2到5英寸)。由于沒(méi)有催化劑，燃料電池的電化學(xué)反應(yīng)不發(fā)生在這個(gè)長(zhǎng)度上，也不發(fā)生在液封區(qū)域，因此其比電池的電化學(xué)活性部分更冷。這個(gè)冷卻段是從端部56延伸到燃料電池的外邊緣的凝結(jié)區(qū)58，并且其位于氧化劑出口59處，使得蒸發(fā)進(jìn)入反應(yīng)物流的電解質(zhì)可以凝結(jié)出來(lái)，用來(lái)吸收回燃料電池中。
已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，液封與酸凝結(jié)區(qū)的結(jié)合可以促進(jìn)在陰極基層的外邊緣48a或是在其附近的碳腐蝕。碳腐蝕的起因被相信是由于在電子導(dǎo)電段與電解質(zhì)之間增大的電位差。電位差是由在外邊緣48b和48c處的氧氣減少而引起的，電位差造成了對(duì)在陽(yáng)極催化劑端部54處產(chǎn)生的質(zhì)子的需求。從催化劑端部到液封外邊緣的質(zhì)子板內(nèi)流動(dòng)增大了在電子導(dǎo)電段與電解質(zhì)之間的電位差，并且導(dǎo)致了陰極基層在外邊緣48a處更迅速的腐蝕。
當(dāng)在氧氣、磷酸電解質(zhì)、和低電位面前發(fā)現(xiàn)了能夠減少氧氣的材料時(shí)，在陽(yáng)極的外邊緣處可以減少氧氣。這種情況存在于陽(yáng)極和流場(chǎng)上的外邊緣48b和48c處，因?yàn)檫吘壉┞队谘鯕?即空氣)中，液封顆粒裝填物是有能力減少氧氣的碳，并且磷酸在液封中填充了細(xì)孔。
作為使用碳形成液封的替代，可以使用不減少氧氣的材料。這種材料的例子包括，例如氧化鎢、碳化硅，和它們混合物。相對(duì)于在液封中具有碳的實(shí)施例，使用這些材料將抑制或消除氧氣的減少，其將導(dǎo)致更少量的碳腐蝕。在可替換的實(shí)施例中，可以用固體邊封來(lái)替代液封，固體邊封由例如聚合物或石墨聚合組合物的材料而制成。對(duì)固體邊封的使用還將削減或消除氧氣的減少，因?yàn)槠浞乐沽姿徇M(jìn)入邊封區(qū)域，因此相對(duì)于使用液封而言起減少腐蝕的作用。
對(duì)于密封的外邊緣48b和48c處已知的反應(yīng)速度來(lái)說(shuō)，根據(jù)歐姆定律控制電位差，其中在邊緣48b和48c與催化劑端部54之間的溶液電位差取決于在這些邊緣氧氣流的減少，和在這些邊緣與催化劑端部54之間的距離。圖1中實(shí)施例的距離與電位之間的關(guān)系圖形顯示在圖3中。圖3顯示了電位差如何隨著從催化劑端部54的距離增大而增大，在液封的外邊緣48b和48c處達(dá)到最大值，在實(shí)施例中兩個(gè)催化劑層的端部到密封內(nèi)邊緣53為5.1厘米到12.7厘米(2英寸到5英寸)。注意到在圖3中，凝結(jié)區(qū)58在圖的左側(cè)，而在圖1中的實(shí)施例其顯示在右側(cè)。
圖2顯示了類(lèi)似于圖1的實(shí)施例，其中陽(yáng)極催化劑30的構(gòu)造不同。在這個(gè)實(shí)施例中陽(yáng)極催化劑30越過(guò)陰極上不起反應(yīng)的凝結(jié)區(qū)58的長(zhǎng)度沿x方向伸展，并且具有與液封內(nèi)邊緣53大致重合的端部54。術(shù)語(yǔ)大致重合包括催化劑端部54延伸到大約越過(guò)邊封中途的結(jié)構(gòu)。沿x軸線從陰極催化劑端部56到燃料電池的外邊緣48所測(cè)量出的電化學(xué)不活躍的酸凝結(jié)區(qū)58的長(zhǎng)度與圖1中的實(shí)施例相同。然而，相對(duì)于圖1，極大地縮減了外邊緣48與陽(yáng)極催化劑端部54之間的距離。這相對(duì)于圖1中所顯示的實(shí)施例縮減了離子的阻力。如圖2中所示，該距離可以縮減到大致邊封49和52的寬度。用于這個(gè)實(shí)施例的距離與電位之間的關(guān)系顯示在圖4中。注意到在圖4中，酸凝結(jié)區(qū)58是在圖的左側(cè)，而在圖2中的實(shí)施例其顯示在右側(cè)。
圖3顯示了與位置成函數(shù)變化的金屬和溶液電位，其用于圖1中所示現(xiàn)有技術(shù)的電池構(gòu)造。從在圖1中陽(yáng)極催化劑54的端部到電池邊緣通常約為10厘米(3.9英寸)。圖4顯示了與位置成函數(shù)變化的金屬和溶液電位，其用于圖2中所示的實(shí)施例。從在圖2中實(shí)施例的陽(yáng)極催化劑54的端部到電池邊緣通常約為1.8厘米(0.7英寸)。溶液電位對(duì)位置的合成斜率在圖2實(shí)施例中比現(xiàn)有技術(shù)中大約低0.18倍。在金屬與溶液之間電位差中的這個(gè)縮減導(dǎo)致了在圖2中實(shí)施例在與圖1中的實(shí)施例對(duì)比時(shí)，在陰極的位置48a與59上有大致更低的腐蝕速度。
現(xiàn)有高溫聚合體電解質(zhì)膜的新興技術(shù)。美國(guó)專(zhuān)利2004/0028976A1描述了改性的聚苯并咪唑(PBI)膜，并且美國(guó)專(zhuān)利2004/0125788A1描述了基于聚唑(polyazoles)的聚合體膜。額外的磷酸或聚磷(polyphosphoric)酸、游離酸，可以加入到燃料電池中，其與這些高溫的聚合體電解質(zhì)膜結(jié)合，用來(lái)提高它們的電化學(xué)性能或提高它們的使用壽命。本發(fā)明可以用采使這樣的電解質(zhì)和磷酸凝結(jié)。
在組10的運(yùn)行過(guò)程中，燃料例如氫氣鄰近陽(yáng)極26通過(guò)，穿過(guò)通道34，并進(jìn)而穿過(guò)陽(yáng)極材料的開(kāi)孔與催化劑層30和基質(zhì)20內(nèi)的磷酸接觸。同時(shí)，在與其垂直的方向上，作為氧化劑的空氣從在組10一側(cè)上的歧管中進(jìn)入通道44，并且鄰近陰極28通行，并經(jīng)由陰極28中的開(kāi)孔與催化劑層36和基質(zhì)20內(nèi)的電解質(zhì)接觸。本領(lǐng)域內(nèi)眾所周知，電、熱、和水由電池中的電化學(xué)反應(yīng)而產(chǎn)生。
在類(lèi)似大約177-204攝氏度(350-400華氏度)的運(yùn)行溫度下，盡管空氣中磷酸的水蒸氣壓力非常低，當(dāng)少量磷酸在流動(dòng)空氣和氫氣流穿過(guò)電池行進(jìn)時(shí)，其既蒸發(fā)進(jìn)入流動(dòng)空氣中又進(jìn)入到氫氣流中。由于凝結(jié)區(qū)中缺少電化學(xué)反應(yīng)，當(dāng)空氣流穿過(guò)鄰近凝結(jié)區(qū)58的氧化劑通道44時(shí)，其溫度開(kāi)始下降。如果必要或需要，溫度可以進(jìn)一步降低，其通過(guò)在冷卻劑通道18中凝結(jié)區(qū)50附近每平方英寸上比在電池的起反應(yīng)部分附近流過(guò)更大數(shù)量的冷卻流而實(shí)現(xiàn)。這可以通過(guò)，例如，在鄰近凝結(jié)區(qū)處比在鄰近電化學(xué)反應(yīng)區(qū)域處具有的更大的冷卻劑通道密度而得以實(shí)現(xiàn)。
盡管本發(fā)明已經(jīng)相對(duì)于其中的優(yōu)選實(shí)施例進(jìn)行顯示和描述，那些本領(lǐng)域內(nèi)技術(shù)人員應(yīng)該理解，可以對(duì)其進(jìn)行在其形式與細(xì)節(jié)中的其它不同的改變和省略，而不脫離本發(fā)明的實(shí)質(zhì)和范圍。
權(quán)利要求
1.一種燃料電池，包括電解質(zhì)；陰極和陽(yáng)極；鄰近至少一個(gè)反應(yīng)物出口的電解質(zhì)凝結(jié)區(qū)，其包括從陰極催化劑層端部延伸到燃料電池外邊緣的不起反應(yīng)區(qū)域；以及越過(guò)不起反應(yīng)區(qū)域延伸的陽(yáng)極催化劑層，其中，陽(yáng)極催化劑層端部與邊封的內(nèi)邊緣大致重合。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池，其特征在于，所述電解質(zhì)是磷酸。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池，其特征在于，所述電解質(zhì)是容納在具有高溫電解質(zhì)膜的燃料電池內(nèi)的游離酸。
4.一種運(yùn)行燃料電池組組件的方法，燃料電池組組件具有至少一個(gè)燃料電池并容納電解質(zhì)，所述方法包括使氧化劑穿過(guò)鄰近陰極的陰極流場(chǎng)板流動(dòng)，所述陰極具有鄰近至少一個(gè)反應(yīng)物出口的電解質(zhì)凝結(jié)區(qū)，該電解質(zhì)凝結(jié)區(qū)包括從陰極催化劑層端部延伸到所述燃料電池外邊緣的不起反應(yīng)區(qū)域；使燃料鄰近陽(yáng)極流動(dòng)，其中，所述陽(yáng)極具有越過(guò)所述不起反應(yīng)區(qū)域延伸的陽(yáng)極催化劑層，該陽(yáng)極催化劑層的端部與邊封的內(nèi)邊緣大致重合；使冷卻劑在所述燃料電池組組件中穿過(guò)至少一個(gè)冷卻劑通道流動(dòng)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，所述電解質(zhì)是磷酸。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，所述電解質(zhì)是容納在具有高溫電解質(zhì)膜的燃料電池內(nèi)的游離酸。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，所述冷卻劑進(jìn)入鄰近所述電解質(zhì)凝結(jié)區(qū)的所述燃料電池組組件。
8.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，鄰近所述酸凝結(jié)區(qū)的區(qū)域中的冷卻劑通道的數(shù)量比鄰近所述燃料電池起反應(yīng)部分的區(qū)域中的冷卻劑通道的數(shù)量更多。
9.一種燃料電池，包括電解質(zhì)；陰極和陽(yáng)極；陰極具有電解質(zhì)凝結(jié)區(qū)，其包括鄰近至少一個(gè)反應(yīng)物出口的不起反應(yīng)區(qū)域，從陰極催化劑層端部延伸到所述燃料電池的外邊緣；以及液封材料，其在所述燃料電池外表面抑制氧氣的減少。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的燃料電池，其特征在于，所述電解質(zhì)是磷酸。
11.根據(jù)權(quán)利要求9所述的燃料電池，其特征在于，所述電解質(zhì)是容納在具有高溫電解質(zhì)膜的燃料電池內(nèi)的游離酸。
12.根據(jù)權(quán)利要求9所述的燃料電池，其特征在于，所述液封材料從包括氧化鎢、碳化硅、和它們的混合物的組中選取。
13.一種燃料電池，包括電解質(zhì)；陰極和陽(yáng)極；所述陰極具有電解質(zhì)凝結(jié)區(qū)，其包括鄰近至少一個(gè)反應(yīng)物出口的不起反應(yīng)區(qū)域，從陰極催化劑層端部延伸到所述燃料電池的外邊緣；以及固體邊封。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的燃料電池，其特征在于，所述固體邊封由從包括聚合物和石墨聚合組合物的組中選取的材料而形成。
15.根據(jù)權(quán)利要求13所述的燃料電池，其特征在于，所述電解質(zhì)是磷酸。
16.根據(jù)權(quán)利要求13所述的燃料電池，其特征在于，所述電解質(zhì)是容納在具有高溫電解質(zhì)膜的燃料電池內(nèi)的游離酸。
全文摘要
一種燃料電池12具有電解液20、陰極28、和陽(yáng)極26。燃料電池包括電解質(zhì)凝結(jié)區(qū)58，其從陰極上第一催化劑層36的邊緣56延伸到邊緣52和49的外邊緣48。陽(yáng)極具有陽(yáng)極催化劑層30，陽(yáng)極催化劑層30具有與邊封的內(nèi)邊緣53大致重合的端部。酸凝結(jié)區(qū)位于反應(yīng)物出口附近，使得已經(jīng)蒸發(fā)進(jìn)入反應(yīng)物流的電解質(zhì)可以在離開(kāi)燃料電池之前凝結(jié)，以使其再回收到燃料電池中。
文檔編號(hào)H01M4/86GK101088189SQ200480044674
公開(kāi)日2007年12月12日 申請(qǐng)日期2004年12月22日 優(yōu)先權(quán)日2004年12月22日
發(fā)明者R·D·布羅, R·R·弗雷利 申請(qǐng)人:Utc電力公司