[发明专利]具有返回冷凝电解质的高透过率芯吸件的液体电解质燃料电池

说明书

技术领域

液体电解质燃料电池包括位于阳极侧和/或阴极侧上的每块电极基板与隔板之间的孔隙较小且透过率较高的芯吸件(wicking)，以促进将冷凝的电解质从冷凝区往回传送通过所述电池的位于相应侧上的剩余部分。

背景技术

磷酸燃料电池中的酸会由于蒸发进入反应剂物质流内而随时间产生消耗，目前有两种方法将酸提供给磷酸燃料电池来弥补这种消耗。一些已公知的加酸方法是连续地或周期性地将液体形式或蒸气形式的酸添加到电池中。这些方法既复杂又昂贵。更优选采用的方法是被动方法，该方法在电池的初始组装过程中将足以满足电池寿命需求的酸置于电池中的多孔部件内。

常规的磷酸燃料电池发电设备通常包括由燃料电池8构成的燃料电池堆7，如图1所示，燃料电池的温度受到通过冷却板9的冷却剂的控制，所述冷却板被插置在燃料电池组之间，该燃料电池组中的电池数介于5与10个之间。参见图2，每个燃料电池8包括酸保持基体11，所述酸保持基体具有位于一侧上的阳极催化剂12和位于另一侧上的阴极催化剂13。所述催化剂分别由多孔阳极基板16和多孔阴极基板17担载。正如所属领域已公知地，多孔阳极基板16和多孔阴极基板17都是亲水性的。燃料电池堆中的这些电池(除了位于燃料电池堆端部处或与冷却板相邻的电池以外)共用无孔疏水性隔板组件19，所述隔板组件包括与阳极基板16相邻的燃料通道20和与阴极基板17相邻的空气(或其它氧化剂)通道21。通道20、21中的反应剂气体扩散通过相应的基板16、17；所述基板因此被称作气体扩散层(GDLs)。在与冷却板9相邻的位置处，燃料流动通道20可被成形于其中不具有空气流动通道的燃料流场板23中；阴极侧的情况与此相似。

本文结合隔板19所使用的术语“无孔(non-porous)”和“疏水的(hydrophobic)”意味着隔板19是无孔且疏水的，这足以使得基本上没有液体电解质能透过该隔板。

如图2所示，传统的磷酸燃料电池具有与阳极催化剂12相邻的基板16，基板16的厚度与基板17的厚度大体上相同，基板17与阴极催化剂13相邻。然而，阳极基板也可比阴极基板更厚，正如Breault在于2006年10月27日提交的PCT/US06/42495中所披露地那样。

在液体电解质燃料电池堆的正常运行过程中，随着反应剂从入口向出口流动，电解质既会蒸发进入阴极反应剂气体物质流内也会蒸发进入阳极反应剂气体物质流内。为了能保持住酸从而延长燃料电池发电设备的寿命，在反应剂气体的出口附近会对汽化的液体电解质进行冷凝，从而基本上回收所有的电解质。

在美国专利4,345,008中，通过设置冷凝区以便回收已蒸发进入两种反应剂气体流内或其中一种反应剂气体流内的电解质蒸气的方式而明显地改进了对液体电解质的保持。

参见图3，一种典型的燃料电池发电设备6具有燃料电池堆7，所述燃料电池堆包括燃料电池8，每个燃料电池都具有冷凝区27。在图3中，点线表示催化剂12、13的范围且短划线表示三组燃料流动通道，燃料会相继地流动通过这三组燃料流动通道。其中，基体11在总平面图28的全部范围内延伸，但催化剂12、13却仅在该总平面图28的一部分上延伸而形成了活性区域29，在该总平面图的剩余部分中留下的是非活性区域，该非活性区域构成了酸冷凝区27。

另一种可选方式是，阳极催化剂可在整个平面图上延伸，而阴极催化剂13则仅在平面图的一部分上进行延伸，正如Breault等在WO2006071209A1中所披露地那样。

在图1至图3所示的实例中，燃料电池发电设备包括燃料源30，所述燃料通过燃料入口歧管31被施加到燃料流场(20，如图2所示)上，该燃料向着如图3所示的右方流动通过每个燃料电池的一部分到达转向歧管32且随后流向如图3所示的左方。随后，该燃料流动通过第二转向歧管32且向右流动通过每个燃料电池的剩余部分而到达燃料出口歧管33，在该歧管处燃料流出而到达燃料再循环布置、燃料处理装置或环境。

燃料电池发电设备25还包括用来导致含氧气体如空气从空气入口歧管38流动通过所有的燃料电池而到达空气出口歧管39的泵37。空气随后可被提供给进一步的处理装置如焓交换(enthalpy exchange)装置、燃料处理设备或环境。冷凝区27与燃料流动通过电池所经的最后的通路相重合，且位于空气流动通道21的出口端处(图2)。通常情况下，可在冷却区附近进行集中冷却以便提供足够低的温度来实现充分的冷凝，从而能够基本上回收所有的电解质，正如所属领域已公知地那样。