專利名稱：減少電解質(zhì)被沖洗掉的htm燃料電池或電池組和用于起動(dòng)電池的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種減少電解質(zhì)被沖洗掉的HTM燃料電池。一種新型的結(jié)構(gòu)建議，借助它收集沖洗出的電解質(zhì)并引回HTM燃料電池中。此外本發(fā)明涉及一種起動(dòng)HTM燃料電池的方法，其中，借助此新型結(jié)構(gòu)，在正常運(yùn)行時(shí)將沖洗出的電解質(zhì)重新引回電池中。
由DE19844983.6(尚未公開)已知一種用于燃料電池尤其用于PEM燃料電池的液體阻擋層。
此外已知聚合物-電解質(zhì)-膜片-燃料電池(Polymer-Elektrolyt-Membran-Brennstoffzelle)，它有與[-SO3H]基有關(guān)的基本聚合物作為電解質(zhì)。電解的導(dǎo)電在這里通過水合的質(zhì)子發(fā)生。膜片需要相應(yīng)的液態(tài)水，亦即在正常壓力下工作溫度低于100℃，以保證質(zhì)子的電導(dǎo)性。由此產(chǎn)生了一個(gè)問題，即入流的過程氣體在溫度高于約65℃時(shí)必須被增濕。
為了取消工作溫度的限制，取代含[-SO3H]基的膜片采用另一種膜片(它也可以是離子交換膜)和/或具有游離的和/或物理和/或化學(xué)結(jié)合的磷酸的基體作為燃料電池的電解質(zhì)。這種燃料電池稱為高溫膜燃料電池(HTM燃料電池)。然而在實(shí)現(xiàn)含游離的磷酸的HTM燃料電池時(shí)，至少會(huì)產(chǎn)生在溫度低于100℃，亦即在燃料電池裝置起動(dòng)時(shí)電解質(zhì)被沖洗掉的問題。這主要是在燃料電池進(jìn)入起/停運(yùn)行，亦即例如在移動(dòng)式應(yīng)用時(shí)產(chǎn)生的問題。由于沖洗引起的電解質(zhì)損失可能導(dǎo)致功率損失直至電池失去工作能力。沖洗掉的電解質(zhì)例如隨過程氣流(Prozeβgasstrom)離開電池。為了獲得電池的工作能力必須補(bǔ)充電解質(zhì)。
已知在磷酸燃料電池PAFC(Phosphor Acid Fuel Cell)中也存在此類問題，不過在那里這是次要的，因?yàn)镻AFC主要固定式地應(yīng)用于長(zhǎng)期連續(xù)運(yùn)行，而電解質(zhì)損失如所述那樣大部分在起動(dòng)過程中產(chǎn)生。顯然本發(fā)明也可應(yīng)用在固定式系統(tǒng)中。
因此本發(fā)明的目的是創(chuàng)造一種燃料電池，它在工作溫度高于100℃的情況下工作并且無(wú)需補(bǔ)充電解質(zhì)就可保持工作能力。
本發(fā)明的對(duì)象是一種HTM燃料電池和一種HTM燃料電池組，它包括兩側(cè)帶有電極層的電解質(zhì)、以及分別與該電極層毗鄰的氣體擴(kuò)散層和極板，其中，還設(shè)有一儲(chǔ)存罐，在儲(chǔ)存罐內(nèi)可暫時(shí)儲(chǔ)存由電池沖洗出的電解質(zhì)并可重新提供給電池使用。
此外本發(fā)明的對(duì)象是一種起動(dòng)HTM燃料電池的方法，其中，收集被沖洗出的電解質(zhì)并將其重新引回電池中。
作為高溫膜片(HTM)燃料電池的是任何有下列特點(diǎn)的燃料電池，即它含有傳統(tǒng)的電解質(zhì)膜片和/或它含有一個(gè)作為物理和/或化學(xué)地吸收電解質(zhì)的基體并作為心部的膜片以及它的工作溫度高于傳統(tǒng)的PEM燃料電池的工作溫度，亦即高于80℃，優(yōu)選高于100℃。最高工作溫度約為220℃。HTM燃料電池有一種電解質(zhì)，它在上述溫度下在非水狀的環(huán)境內(nèi)有良好的電導(dǎo)率。
可作為儲(chǔ)存罐的是任何有下列特點(diǎn)的容器，即能在其中儲(chǔ)存電解質(zhì)以及在有些情況下還能蒸發(fā)所生成的水和/或過程排氣。
按一種實(shí)施形式，此容器緊連在HTM燃料電池堆疊上，它可能有堆疊的溫度。在這種情況下應(yīng)相應(yīng)地選擇儲(chǔ)存罐的材料，使之耐電解質(zhì)并盡管如此還能輕度加熱。
按另一種實(shí)施形式，在儲(chǔ)存罐內(nèi)含有一壓力平衡裝置。
按另一種實(shí)施形式，儲(chǔ)存罐用可擴(kuò)張和/或彈性的材料制造并且具有可變的容量，所以流入的電解質(zhì)決定性地影響儲(chǔ)存罐的體積(按照氣球和/或伸縮風(fēng)箱原理)。
作為電解質(zhì)例如有磷酸、硫酸、含硫的酸等，所有的化合物在HTM燃料電池內(nèi)部物理和/或化學(xué)地結(jié)合在一塊膜片上或一個(gè)惰性基體上(下面稱電解質(zhì)載體或載體)，并促使在HTM燃料電池內(nèi)部質(zhì)子的電解導(dǎo)電。
作為電解質(zhì)優(yōu)選地采用磷酸和/或另一種自離解的Broenstedt酸。
按本發(fā)明方法的一種措施，收集沖洗出的電解質(zhì)并在調(diào)整平衡后將其重新自動(dòng)引回電池中。
按本發(fā)明的一項(xiàng)設(shè)計(jì)，在HTM燃料電池內(nèi)有水的阻擋層，它是可透氣的。阻擋層可設(shè)在電極與氣體擴(kuò)散層之間或?qū)鈱雍鸵詷O板為界的氣體腔之間。在這種結(jié)構(gòu)中比較有利的是，儲(chǔ)存罐直接連接在HTM燃料電池上(

圖1和2)，所以在起動(dòng)時(shí)電解質(zhì)借助產(chǎn)物水(Produktwasser)壓入儲(chǔ)存罐，并在電池工作時(shí)，尤其是在工作溫度高于100℃時(shí)汽化產(chǎn)物水，如此形成的毛細(xì)管負(fù)壓重新將電解質(zhì)又吸入電池中。
按一種設(shè)計(jì)，電解質(zhì)借助過程氣流可簡(jiǎn)便地從堆疊引出。在此實(shí)施形式中首先在過程氣體管道的電池堆疊排出管中設(shè)有一個(gè)總儲(chǔ)存罐。電解質(zhì)儲(chǔ)存在此總儲(chǔ)存罐內(nèi)，和/或被過程排氣和/或被產(chǎn)物水凈化，這在其通過附加的管道(例如通過毛細(xì)作用)重新吸回HTM燃料電池堆疊內(nèi)去往堆疊的各電池之前進(jìn)行。
按另一項(xiàng)設(shè)計(jì)，電解質(zhì)還用來自電池的過程排氣沖洗并引入與此堆疊鄰接的總儲(chǔ)存罐內(nèi)，在那里電解質(zhì)必要時(shí)用過程排氣和/或產(chǎn)物水凈化。在HTM燃料電池蓄電池成功起動(dòng)后，當(dāng)達(dá)到工作溫度，優(yōu)選地達(dá)到100℃以上時(shí)，則優(yōu)選地采用回引電解質(zhì)的過程氣體管道代替附加的管道。在這種情況下過程氣體管道換接，使過程氣體沿相反的方向流動(dòng)，從而重新將電解質(zhì)送入電池中(圖4)。在這種情況下所設(shè)的從HTM燃料電池到儲(chǔ)存罐的管道與過程氣體通道是完全一樣的。
通過提高在電解質(zhì)一側(cè)，亦即例如陽(yáng)極側(cè)的過程氣體壓力，有利于在起動(dòng)和/或停止工作時(shí)僅僅在陰極側(cè)提取出電解質(zhì)，所以，例如在用空氣工作的HTM燃料電池中，有一條例如從壓縮機(jī)和/或從空氣過濾器到儲(chǔ)存罐的附加的供氣管就夠了，以便能暫時(shí)連接成使陰極空氣流逆流(參見圖4)。
由DE19844983.6已知液體阻擋層，以及可包括例如有微孔的碳?xì)饽z和/或干凝膠(Xerogel)。
下面借助圖1至圖4對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例子以詳細(xì)說明，附圖中圖1示出帶有液體阻擋層的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，其中圖1a中的液體阻擋層與極板鄰接，而圖1b中的液體阻擋層設(shè)在電極與氣體擴(kuò)散層之間。
圖2表示同樣具有液體阻擋層的其它實(shí)施形式，但在這里毛細(xì)管組合在電解質(zhì)載體內(nèi)，它們將電解質(zhì)迅速地重新吸回電池中。
圖3示出為一個(gè)堆疊的HTM燃料電池設(shè)有一個(gè)總儲(chǔ)存罐的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)。
圖4最后示出具有總儲(chǔ)存罐/儲(chǔ)存罐的HTM燃料電池的線路圖，其中存在一種結(jié)構(gòu)，借助這種結(jié)構(gòu)在成功地起動(dòng)后可連接成使過程氣流反向，電解質(zhì)進(jìn)而借助過程氣流被重新送回HTM燃料電池中。
在圖1中可看到兩種HTM燃料電池。下面的說明對(duì)兩個(gè)圖(圖1A和圖1B)都適用。
在中央分別是帶有電解質(zhì)的電解質(zhì)載體1，例如是具有游離磷酸的Nafion膜片。電池以兩塊極板5為界，它們向上匯入儲(chǔ)存罐2內(nèi)。同樣，電解質(zhì)載體1也一直延伸到儲(chǔ)存罐2內(nèi)，所以在電解槽溢出時(shí)，電解質(zhì)連同產(chǎn)物水沖洗到儲(chǔ)存罐2內(nèi)。圖中示出儲(chǔ)存罐2充填了一半。同樣在HTM燃料電池中包含兩個(gè)帶有催化劑襯里的氣體擴(kuò)散層3，催化劑襯里例如是碳織物或其他集流器。
圖1所示兩種HTM燃料電池的區(qū)別在于液體阻擋層4在電池內(nèi)部的布局。
在圖1a中液體阻擋層4(例如微孔的碳結(jié)構(gòu))與極板5鄰接，它保證電解質(zhì)不溢入極板5的氣體排出通道7內(nèi)，而是溢入儲(chǔ)存罐2內(nèi)。
在圖1b中，液體阻擋層4直接與電解質(zhì)載體鄰接，所以電解質(zhì)也還不可能溢入氣體擴(kuò)散層3內(nèi)。
圖2再次表示兩個(gè)HTM燃料電池，它們除了在液體阻擋層4的布置方面不一樣以外其它方面都是一致的。與圖1所示的HTM燃料電池的區(qū)別在于，電解質(zhì)載體(例如多孔的基體或膜片)組合有毛細(xì)管和/或通道，這些毛細(xì)管和/或通道均定向設(shè)置并且便于和/或加速電解質(zhì)從儲(chǔ)存罐2回流。
在HTM燃料電池工作時(shí)，尤其當(dāng)電池達(dá)到100℃以上的溫度時(shí)，產(chǎn)物水氣態(tài)地從電池泄出并在電池內(nèi)形成負(fù)壓，該負(fù)壓可能在電解質(zhì)載體內(nèi)優(yōu)選地定向的毛細(xì)管和/或通道的支持下，使電解質(zhì)從儲(chǔ)存罐重新被吸回電池中。
圖3表示了一種實(shí)施形式，其中可以取消電池中的液體阻擋層，通過收集堆疊31所有電池的電解質(zhì)溢流，然后通過管道33將它們引入總儲(chǔ)存罐32中。至少一個(gè)過程排氣管道34同樣通入總儲(chǔ)存罐32中，使得與過程氣體一起從電池泄出的電解質(zhì)也抵達(dá)總儲(chǔ)存罐32內(nèi)。借助電解質(zhì)載體，亦即膜片或多孔基體的毛細(xì)作用，或簡(jiǎn)單地借助工作中形成的負(fù)壓，在此實(shí)施形式中的電解質(zhì)也可以被自動(dòng)吸回電池中。
通過略微提高在陽(yáng)極側(cè)的反應(yīng)物壓力可以實(shí)現(xiàn)僅僅在陰極側(cè)獲取電解質(zhì)。
圖4表示了一種實(shí)施形式，其中電解質(zhì)不再自動(dòng)流回電池內(nèi)，而是在完成起動(dòng)程序后通過轉(zhuǎn)接過程氣體管道被吹回電池中。為了圖示簡(jiǎn)化起見僅僅示出一單個(gè)電池(如圖1和圖2中所示)，但同樣容易理解這一實(shí)施形式可以適用于一個(gè)堆疊中。HTM燃料電池在中央設(shè)電解質(zhì)載體43，如在所有的實(shí)施例中那樣它可以有定向的毛細(xì)管。電池以極板5為界。在與電池相隔一定距離處設(shè)有總儲(chǔ)存罐46，在此圖中為了看得清楚起見將它直接畫在電池下方。起動(dòng)時(shí)，過程氣體1、例如空氣通過閥47經(jīng)管道42流入電池的氣體分配通道48，在那里主要容納有溢出的電解質(zhì)。之后，富集電解質(zhì)蒸汽和/或電解質(zhì)小液滴的過程排氣1，從電池經(jīng)管道41流入總儲(chǔ)存罐46中，總儲(chǔ)存罐46中的(壓力、溫度等)條件至少促使電解質(zhì)與過程排氣1分離。所述總儲(chǔ)存器46優(yōu)選地設(shè)計(jì)為，使電解質(zhì)在其被引回電池前在總儲(chǔ)存器46中首先被凈化。由總儲(chǔ)存器46引出的過程排氣(1)的管道有一閥49，它在起動(dòng)過程結(jié)束后，亦即當(dāng)電池的工作溫度優(yōu)選地大于100℃時(shí)關(guān)閉。在閥49關(guān)閉的同時(shí)打開閥50。過程氣體2(它與過程氣體1屬于同一類型，亦即例如仍為空氣)通過閥50流入總儲(chǔ)存罐46中，并優(yōu)選地通入液態(tài)的電解質(zhì)中?？們?chǔ)存罐46中的條件現(xiàn)在被調(diào)整成，能使過程氣體2富集電解質(zhì)。過程氣體2經(jīng)管道41離開總儲(chǔ)存罐46流入HTM燃料電池內(nèi)，并通過氣體分配通道48。在該通道內(nèi)將電解質(zhì)重新輸送給電池。過程氣體2通過過程排氣(2)的管道42和閥51再次離開電池。在起動(dòng)時(shí)閥51保持關(guān)閉。
采用本發(fā)明解決了HTM燃料電池中液態(tài)電解質(zhì)的電解質(zhì)損失問題。本發(fā)明原本是為起動(dòng)工作溫度高于100℃的HTM燃料電池提出的，但顯然可以應(yīng)用于解決這些或另一些HTM燃料電池類似的(排出和/或溢出)問題以及應(yīng)用于起動(dòng)過程以外。
權(quán)利要求
1.一種HTM燃料電池，它包括兩側(cè)帶有電極層的電解質(zhì)、分別與該電極層毗鄰的氣體擴(kuò)散層和極板，其中，還設(shè)有一儲(chǔ)存罐，在儲(chǔ)存罐內(nèi)可暫時(shí)儲(chǔ)存從電池沖洗出的電解質(zhì)并可將它們重新提供給電池使用。
2.按照權(quán)利要求1所述的HTM燃料電池，其中，儲(chǔ)存罐配屬于一個(gè)電池。
3.按照權(quán)利要求2所述的HTM燃料電池，其中，電池內(nèi)含有一個(gè)液體阻擋層。
4.按照權(quán)利要求1所述的HTM燃料電池，其中，設(shè)有一附加的管道并且該儲(chǔ)存罐是用于多個(gè)HTM燃料電池的總儲(chǔ)存罐。
5.一種HTM燃料電池組，它包括一個(gè)堆疊，該堆疊具有至少一個(gè)如上述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的HTM燃料電池，其中，儲(chǔ)存罐與此堆疊相連接并設(shè)置在一個(gè)過程氣體管道中。
6.一種起動(dòng)HTM燃料電池的方法，其中，收集被沖洗出和/或溢出的電解質(zhì)并將其重新引回HTM燃料電池中。
7.按照權(quán)利要求6所述的方法，其中，所收集到的電解質(zhì)在其引回電池中之前被凈化。
8.按照權(quán)利要求6或7所述的方法，其中，電解質(zhì)的回引自動(dòng)實(shí)現(xiàn)。
9.按照權(quán)利要求6或7所述的方法，其中，在成功起動(dòng)HTM燃料電池后暫時(shí)換接過程氣體供應(yīng)管道，使過程氣體沿反方向流動(dòng)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種減少電解質(zhì)被沖洗掉的HTM燃料電池。本發(fā)明建議了一種新型結(jié)構(gòu),借助它收集沖洗出的電解質(zhì)并將其引回HTM燃料電池。此外本發(fā)明還涉及一種起動(dòng)HTM燃料電池的方法,其中,借助于此新型的結(jié)構(gòu),在正常運(yùn)行時(shí)將沖洗出的電解質(zhì)重新引回電池中。
文檔編號(hào)H01M8/04GK1347574SQ0080570
公開日2002年5月1日 申請(qǐng)日期2000年3月17日 優(yōu)先權(quán)日1999年3月29日
發(fā)明者烏爾里克·格布哈特, 曼弗雷德·韋達(dá)斯 申請(qǐng)人:西門子公司