[发明专利]含有使燃料电池堆与岐管组件电隔离的单元的燃料电池系统及方法

说明书

技术领域

本发明涉及燃料电池，并且尤其涉及一种适应阻止电解液从该系统的燃料电池堆流到和该电池堆一起使用的岐管中的外部岐管燃料电池系统。

背景技术

燃料电池是一种通过电化反应把烃燃料中贮存的化学能直接转换成电能的器件。燃料电池通常包括被电解液隔开的阳极和阴极，其中电解液用于传导带电离子。燃料电池是通过使反应燃料气体穿过阳极同时使氧化气体穿过阴极来工作的。为了产生有用的功率电平，可将若干单个燃料电池串联堆叠在一起，其中每个电池之间放置导电隔板。

燃料电池堆可以是内部岐管堆或者是外部歧管堆。内部岐管堆典型地带有嵌入在燃料电池板中的用来传送燃料气体和氧化剂气体的气体通道。在外部岐管堆中，燃料电池板在它们的二端上是开放的并且通过密封在燃料电池堆的各个表面上的岐管把气体传送到电池中。各种燃料电池堆中的岐管提供把燃料气体和氧化剂气体传送到燃料电池中的密封通道并且防止这些气体流到环境和其它岐管中。必须在燃料电池堆的操作条件下和在电池堆的生命周期期间实现岐管的这些功能。

燃料电池堆是导电的并且沿着它的长度方向具有电势梯度，从而电池堆的一端处于最正电势(电池堆的正电势端)并且另一端处于最负电势(电池堆的负电势端)。从而典型地用金属材料做成的外部岐管必须对燃料电池堆电隔离，以便不短路电池堆。已在金属岐管和燃料电池堆之间使用带有电介质绝缘体以及一个或更多的垫圈的电隔离组件，以产生期望的电隔离。典型外岐管系统包括三到四个岐管，每个岐管使用类似的电隔离组件以便对每个岐管提供类似的密封和介质隔离。

图1中示出常规外部岐管燃料电池系统100的典型结构中的一个岐管以及一个电隔离组件的示意分解图。如所示，系统100包括燃料电池堆1，由复盖堆1的一个表面1a的金属岐管6构成的岐管，以及设置在堆1和岐管6之间的电隔离组件101。组件101包括电介质部件5，靠着堆表面1a的湿垫圈2，靠着湿垫圈2的陶瓷块或件3，以及按倚靠关系设置在陶瓷块3和电介质部件5之间的干垫圈4。该燃料电池系统中的其它岐管采用类似设计。

液体电解液燃料电池系统中，例如溶态碳酸盐燃料电池中，当燃料电池中的液体电解液从电池堆迁移到会弄湿隔离组件的靠着岐管的构件的位置上时，可能严重损害电隔离组件101提供的电隔离。尤其，燃料电池工作期间，堆表面1a会因可被湿垫圈2吸收的液体电解液而变湿。陶瓷块3通过它的和湿垫圈2表面相靠的表面变成和液体电解液接触。当电解液越过陶瓷垫圈到达干垫圈4时，陶瓷块3的绝缘能力明显降低。后果是，岐管6和堆1之间的电隔离难以保持干垫圈负责堆1和岐管6之间的大部分电压降。该电压降可能高达500伏。

燃料电池堆和岐管之间的电势差促使电解液从堆表面1a越过电隔离组件101。岐管通常具有在电池堆的最正和最负电势之间浮动的固定电势。这造成岐管的电势比电池堆的正电势端的电势低。结果是，在电池堆和岐管之间施加正电势。这转而促进电解液从电池堆流入并穿过隔离组件101。

更具体地，堆1正电势端处的电势导致按如下形成碳酸盐离子(CO₃＝)：

CO₂+1/2O₂+2e^-→CO₃^＝

这些碳酸盐离子吸附在岐管6处的低电势上，该较低电势是按相对于堆的正电势以负电势示出的。从而形成一个帮助电解液从该堆的正电势端经过电隔离组件101流到岐管6的“电化泵”。这造成电解液弄湿块3、垫圈4和电介质隔离体5，从而损害它们的绝缘性质并且降低组件101的电隔离能力。

如美国专利6,413,665号中公开那样，常规电隔离组件通过对块3采用例如光滑陶瓷块消解电解液流动。这种结构通过延迟和岐管相邻的隔离组件构件的湿化来延长电隔离组件的能力以保持它们的电隔离特性。但是，迟早仍会发生电解液迁移。从而，仍在寻找阻止电解液从电池堆流过这种电隔离组件的其它方法。

从而本发明的一个目的是提供一个燃料电池系统，其适于进一步减少电解液迁移越过用于提供燃料电池堆和与该堆一起使用的岐管之间的电隔离的电隔离组件。

本发明的另一个目的是提供一种上述类型的系统，其中以简单和低成本的方式实现电解液迁移的减少。

发明内容