[发明专利]碳酸盐燃料电池及其用于电解质的原位延迟添加的部件

说明书

关于在联邦资助研究和开发下所做发明权利的声明

本发明是在能源部授予的合同DE-FG02-95ER81966下借助政府 支持进行的。政府对本发明享有一定权利。

发明背景

本发明涉及燃料电池，尤其涉及熔融碳酸盐燃料电池中电解质的 补充。

燃料电池是通过电化学反应将贮存在烃类燃料中的化学能直接转 变为电能的装置。通常，燃料电池包含被电解质隔开的阳极和阴极， 该电解质用于传导带电离子。为了产生有效的功率水平，利用各个电 池之间的导电隔板将许多单个燃料电池串联堆叠在一起。

熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)通过使反应物燃料气体穿过阳极 且同时使氧化气体穿过阴极来工作。MCFC的阳极和阴极被多孔电解 质基体相互隔开，该电解质集体可以包含浸满碳酸盐电解质的多个层。 典型的MCFC设计包括贮存在非电解质基体部件例如阳极和阴极的 孔隙中以及贮存在于阳极和阴极集流体或双极隔板中形成的气体通道 中的碳酸盐电解质。该碳酸盐电解质在燃料电池的初始加热过程中熔 化，并且由于这些孔隙的毛细作用力而在阳极、阴极和电解质基体的 孔隙中重新分布。在燃料电池寿命的开始所允许的最大电解质存量受 到限制，因为燃料电池中过量的电解质由于阳极和阴极孔隙的电解质 泛溢而导致差的电池性能。

在MCFC工作期间，电池中的电解质由于腐蚀和与电池部件的锂 化反应以及通过蒸发而被消耗。电池中的电解质损失可能增加电极极 化和跨电解质基体的欧姆电阻损失。此外，电解质基体的变干最终导 致气体贯穿和电池失效。

图1显示了在各个工作时间下MCFC系统中的相对电解质存量的 坐标图。如图1中所示，在MCFC工作的最初2000小时期间，显著 量即约10％的电解质被消耗。发生这种情况的原因是燃料电池部件尤 其是阴极集流体和双极隔板的表面腐蚀。在工作的最初2000小时期间 的电解质损失导致电池寿命减少30％或者约20000小时，除非进行补 充。相应地，可由图1看出，MCFC的可使用寿命受到电池的电解质 存量的限制。

在工作2000小时后在MCFC中补充电解质可将燃料电池系统的 工作寿命增加约2年。其结果是，开发了多种向基体中提供附加电解 质以及在电池中内部地或外部地补充电解质的方法。例如，美国专利 No.5,468,573公开了向基体内部地提供附加电解质的方法，其通过用 由70％碳酸盐粉末和30％载体(carrier vehicle)组成的电解质糊料 填充集流体的凹陷处。当′573专利的系统被加热至工作温度时，集流 体中的电解质糊料通过排出载体而分解，并且熔融的碳酸盐电解质被 吸收到电解质基体和电极板中。

美国专利No.5,563,003中公开了另一种提供附加电解质以及用电 解质补充MCFC的方法。′003专利教导了在MCFC的波纹状隔板中 装载多个填充有电解质的密封可溶容器。形成这些密封容器使得从它 们的内壁溶解，从而在燃料电池工作期间大致当电池中的电解质变得 不足时将补充电解质释放到电池内，

日本专利申请公开01-183069号中公开了向碳酸盐燃料电池的基 体添加电解质的另一种技术。在该技术中，电解质基体包含四个基体 层和位于这些基体层之间的多个碳酸盐层。熔点为489℃的第一碳酸 盐层位于第二和第三基体层之间，且熔点为约600℃的第二碳酸盐层 插入第三和第四基体层之间。当电池在550℃的第一工作温度下工作 时，燃料电池的温度升高至第一碳酸盐层的熔点并且该层熔入到基体 层内。当燃料电池的性能由于电解质的消耗而下降时，将电池工作温 度升高至600℃，使得第二碳酸盐电解质层熔入到基体层内。

虽然这些方法中的一些有助于在MCFC中维持足够的电解质水 平，然而这些方法难以实施、需要多个碳酸盐层和多个工作温度以及 另外需要用于维修的操作停工期，所有这些都增加了系统制造成本。 具体地，如′003专利中所公开的在燃料电池系统中使用小的不锈钢电 解质贮存容器来向电池提供补充的电解质，导致增加的材料成本和制 造成本。此外，′573专利中所述的方法在系统启动期间向系统提供附 加电解质，而不是延迟电解质的加入直到工作期间损失一些电解质存 量之后。最后，′069日本公开专利申请的技术需要在电解质基体中有 多个碳酸盐层并且需要改变燃料电池的工作温度。

因此本发明的目的是提供用于向燃料电池中延迟添加电解质以便 补偿燃料电池工作期间损失的电解质的装置和方法。