專利名稱：用于液體電解質(zhì)燃料電池的超光滑電介質(zhì)部件的制作方法
背景技術(shù)：
本發(fā)明涉及電介質(zhì)部件，尤其涉及在液體電解燃料中用于電絕緣的電介質(zhì)部件。
在使用外部管道用于供應(yīng)氣體和放電的碳酸鹽(液體電解質(zhì))燃料電池疊層當(dāng)中，通過以相框形式存在的陶瓷電介質(zhì)部件將這些管道從燃料電池疊層中分開。這描述在美國專利4414294中，其中陶瓷電介質(zhì)框架用于電絕緣和密封反應(yīng)氣體密封。
當(dāng)碳酸鹽燃料疊層用在發(fā)電站時(shí)，穿過碳酸鹽燃料疊層的電壓正常的是在100到1000伏之間，這取決于疊層中的電池?cái)?shù)和疊層的電結(jié)構(gòu)。該陶瓷電介質(zhì)框架本身能夠提供上千伏的電絕緣。然而，在燃料電池操作期間，在燃料電池疊層中的液體電解傾向于靠近電介質(zhì)框架的表面。對(duì)于熔解碳酸鹽燃料電池來說該電解質(zhì)是堿性碳酸鹽。在該操作溫度上，碳酸鹽是液體。一旦電解質(zhì)接觸到框架，連續(xù)的導(dǎo)電液體電解質(zhì)薄膜層形成在框架表面上。因此，框架的電介質(zhì)特性降低了。
這損害了燃料電池疊層的完整性。由此，需要尋找一種技術(shù)用來防止或降低電解質(zhì)漏電。一種提出的技術(shù)是在電解質(zhì)框架和疊層之間設(shè)置多孔的密封墊。該密封墊增強(qiáng)了氣體密封性，并且阻止電解質(zhì)從疊層中流出。這種類型的密封墊描述在美國專利5100692中。
‘692專利中描述的密封墊提供一種阻止電解質(zhì)沿著陶瓷電介質(zhì)框架表面漏電的方法。其它用來降低電解質(zhì)漏電的技術(shù)仍然在探索中。
因此，本發(fā)明的目的是提供一種電介質(zhì)部件，當(dāng)該部件用在燃料電池疊層中時(shí)，能使燃料電池電解質(zhì)表現(xiàn)出低的表面漏電性。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供一種電介質(zhì)部件，其中簡單的并且低成本的實(shí)現(xiàn)燃料電池電解質(zhì)的低漏電性。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的原理，在用來從燃料電池疊層中電絕緣管道或其它部分的電介質(zhì)部件中通過使得該部件來具有10Ra(Ra從中線來看，輪廓的平均偏移在μ英寸中)或更小的表面粗糙度來實(shí)現(xiàn)上述的和其他目的。具有這種粗糙度的表面可以通過研磨或拋光電介質(zhì)部件或者通過使用細(xì)粒粉形成該部件來實(shí)現(xiàn)。用來形成該部件的優(yōu)選的電介質(zhì)材料是密度高于理論密度95％的Al2O3。更優(yōu)選的用于Al2O3密度是高于理論密度的98％。


通過結(jié)合附圖閱讀下面的細(xì)節(jié)描述，本發(fā)明的其它方面和特征將變得更加明顯，其中；圖1示出了根據(jù)本發(fā)明原理使用電介質(zhì)部件的燃料電池疊層的一部分；圖2示出了現(xiàn)有技術(shù)中電介質(zhì)部件的表面形態(tài)；圖3示出了本發(fā)明的電介質(zhì)部件的表面形態(tài)；圖4顯示了用于本發(fā)明電介質(zhì)部件的電解質(zhì)漏電和用于現(xiàn)有技術(shù)電介質(zhì)部件的電解質(zhì)漏電之間的比較；圖5示出了本發(fā)明電介質(zhì)部件的表面形態(tài)；以及圖6示出了用于本發(fā)明電介質(zhì)部件的電解質(zhì)漏電和用于現(xiàn)有技術(shù)電介質(zhì)部件的電解質(zhì)漏電之間的比較。
具體實(shí)施例方式
圖1示出了根據(jù)本發(fā)明原理使用電介質(zhì)絕緣部件2的燃料電池疊層1。部件2將管道3與疊層1電絕緣，該管道3鄰接于疊層1的表面1A。疊層1包括液體電解質(zhì)，為了說明，該液體電解質(zhì)假設(shè)是碳酸鹽電解質(zhì)。
在圖示的情況中，密封墊4與疊層的表面1A接觸。典型的具有相框結(jié)構(gòu)的部件2鄰接于密封墊4，此時(shí)管道3鄰接于框架2。
眾所周知隨著時(shí)間的變化，疊層1中的碳酸鹽電解質(zhì)將逼近部件2的表面。并且眾所周知，漏電的程度和總量取決于界面能量的變化(氣體-液體，氣體-固體和液體-固體)。
根據(jù)本發(fā)明的原理，已經(jīng)認(rèn)識(shí)到該電解質(zhì)漏電的總量也取決部件2的表面粗糙度并且被部件2的表面粗糙度控制。該粗糙度控制毛細(xì)效應(yīng)，接著控制電解質(zhì)流。在公知的電介質(zhì)部件中，表面粗糙度典型的是Ra29(Ra從中線來看，輪廓的平均偏移在μ英寸中)或更高。這是由于在這些部件的生產(chǎn)過程中使用傳統(tǒng)的機(jī)械加工和磨削處理造成的。如圖2所示，該部件具有這個(gè)級(jí)別的Ra，由于連續(xù)的分散顆粒，這些部件表現(xiàn)出相對(duì)粗糙的表面。目前已經(jīng)認(rèn)識(shí)到該粗糙的表面充當(dāng)了毛細(xì)介質(zhì)，提高了電解質(zhì)漏電率并且在該部件上傳輸電解質(zhì)的高毛細(xì)流容量。
根據(jù)本發(fā)明的原理，形成的部件2的表面光滑度被充分的提高了，即具有10或更低的Ra，這重要的降低了該電解質(zhì)的毛細(xì)運(yùn)動(dòng)。圖3是根據(jù)本發(fā)明形成的具有表面粗糙度為Ra7的部件2的縮微圖?？梢钥闯觯摬考?的表面有較少的離散并且這些散離被非常光滑的表面區(qū)域分開，在這些區(qū)域上毛細(xì)作用不會(huì)發(fā)生。由此，部件2表面上電解質(zhì)的總漏電被重要的降低了。
用于部件2的優(yōu)選材料是密度高于理論密度95％的熔結(jié)的Al2O3。更優(yōu)選的材料是密度高于理論密度98％的熔結(jié)的Al2O3。部件2能以各種方式形成具有10Ra或更小的表面。優(yōu)選的技術(shù)包括表面的研磨和拋光或者通過使用細(xì)粒(亞微細(xì)粒)制造Al2O3粉末材料來形成該部件。
下面的實(shí)施例說明了本發(fā)明的原理。
實(shí)施例1一種催化電解池測(cè)試通過使用由密度高于理論密度98％的Al2O構(gòu)成的三個(gè)矩形棒樣品來實(shí)施。每個(gè)樣品有4”×1”×0.625”的尺寸，并且三個(gè)樣品的表面被拋光使得樣品分別具有7Ra、10Ra和29Ra。每個(gè)樣品的底部表面浸沒在液體電解池(無限的提供電解質(zhì))中，并且充當(dāng)電解質(zhì)吸收劑的一塊密封墊放置在頂面上去收集滲漏的電解質(zhì)。圖4示出了測(cè)試結(jié)果?？梢钥闯觯c具有Ra29的Al2O3樣品比較，具有光滑表面(7和10Ra)的Al2O3陶瓷棒重要的減緩了液體電解質(zhì)漏電。圖5示出了在催化池測(cè)試中測(cè)試后的Ra7棒的表面形態(tài)。該表面形態(tài)保持不變。樣品和電解質(zhì)之間反應(yīng)發(fā)生了，但是它沒有重要的改變表面粗糙度，因此也沒有改變表面上的電解質(zhì)泄漏。
實(shí)施例2電解質(zhì)供給受控測(cè)試被實(shí)施，其中密封墊提供了液體電解質(zhì)源，并具有60％的充滿電解質(zhì)的真空容積。兩個(gè)由Al2O3制成的矩形棒樣品放置在電解質(zhì)中，該電解質(zhì)充滿了密封墊，該Al2O3的密度高于理論密度98％并且該矩形棒樣品具有4”×1”×0.625”的尺寸。該樣品被拋光的表面分別具有7Ra和29Ra。泄漏的電解質(zhì)被例1中所示的一塊密封墊收集。圖6示出了兩個(gè)樣品的電解質(zhì)泄漏?？梢钥闯?，具有Ra7的樣品的泄漏量比具有Ra29的樣品的泄漏量低得多。如上所述，電解質(zhì)和棒樣品之間的表面反應(yīng)是無關(guān)緊要的。
例3一個(gè)可替代的陶瓷材料，具有Ra10拋光表面的多鋁紅柱石(3Al2O3·2SiO2)在催化電解池測(cè)試中被估測(cè)。這種材料與電解質(zhì)強(qiáng)烈的反應(yīng)，增強(qiáng)了電解質(zhì)穿過表面。
一種電解質(zhì)泄漏模型分析已經(jīng)被實(shí)現(xiàn)，并且它支持上面的試驗(yàn)結(jié)果。一種具有Ra10拋光表面的Al2O3電介質(zhì)被認(rèn)為能充分的提供在金屬管道3和疊層1之間的40000小時(shí)(設(shè)計(jì)的疊層壽命)的電絕緣。如果是細(xì)微的Al2O3粉末(亞微細(xì)粒)被用作形成該部件2的原材料，該光滑度為10Ra或更低的表面能通過研磨或拋光或低成本磨削來實(shí)現(xiàn)。
在所有的實(shí)施例中可以理解，上面描寫的設(shè)置僅僅是本發(fā)明具有代表性應(yīng)用的許多可能性實(shí)施例的示例說明。在不脫離本發(fā)明的精神或范圍的情況下，能根據(jù)本發(fā)明的原理設(shè)計(jì)出來無數(shù)的和各種各樣的其它設(shè)置。因此，例如其他電介質(zhì)材料可以用來形成部件2，只要這些材料能充分的嵌入電解質(zhì)環(huán)境中。
權(quán)利要求
1.一種電介質(zhì)部件，用于從液體電解質(zhì)燃料電池疊層中電絕緣燃料電池管道，該電解質(zhì)部件具有Ra10或更小的表面粗糙度。
2.如權(quán)利要求1所述的電介質(zhì)部件，其中該燃料電池是碳酸鹽燃料電池；該管道是金屬管道。
3.如權(quán)利要求1所述電介質(zhì)部件，其中該電介質(zhì)部件包含Al2O3。
4.如權(quán)利要求3所述電介質(zhì)部件，其中該電介質(zhì)部件由亞微細(xì)粒Al2O3粉末形成。
5.如權(quán)利要求3所述電介質(zhì)部件，其中該Al2O3具有高于理論密度95％的密度。
6.如權(quán)利要求5所述電介質(zhì)部件，其中該Al2O3具有高于理論密度98％的密度。
7.如權(quán)利要求1所述電介質(zhì)部件，其中通過研磨或拋光該電介質(zhì)部件來提供該表面粗糙度。
8.如權(quán)利要求1所述電介質(zhì)部件，其中該電介質(zhì)部件以框架的形式存在。
9.如權(quán)利要求1所述電介質(zhì)部件，其中該電介質(zhì)部件以相框的形式存在。
10.一種燃料電池系統(tǒng)，包括；包括液體電解質(zhì)燃料電池的燃料電池疊層；鄰接于燃料電池疊層表面的管道；位于管道和燃料電池疊層表面之間的電介質(zhì)部件，該電介質(zhì)部件用于將管道從燃料電池疊層中電絕緣，該電介質(zhì)部件具有Ra10或更小的表面粗糙度。
11.如權(quán)利要求10所述的燃料電池系統(tǒng)，其中該燃料電池是碳酸鹽燃料電池；以及該管道是金屬的。
12.如權(quán)利要求10所述的燃料電池系統(tǒng)，其中該電介質(zhì)部件包含Al2O3。
13.如權(quán)利要求12所述的燃料電池系統(tǒng)，其中該電介質(zhì)部件由亞微細(xì)粒Al2O3粉末材料形成。
14.如權(quán)利要求12所述的燃料電池系統(tǒng)，其中該Al2O3具有高于理論密度95％的密度。
15.如權(quán)利要求14所述的燃料電池系統(tǒng)，其中該Al2O3具有高于理論密度98％的密度。
16.如權(quán)利要求10所述的燃料電池系統(tǒng)，其中通過研磨或拋光該電介質(zhì)部件來提供該電介質(zhì)部件的表面粗糙度。
17.如權(quán)利要求10所述的燃料電池系統(tǒng)，其中該電介質(zhì)部件以框架的形式存在。
18.如權(quán)利要求1所述的燃料電池系統(tǒng)，其中該電介質(zhì)部件以相框的形式存在。
全文摘要
通過使得電介質(zhì)部件(2)具有10Ra或更小的表面粗糙度來實(shí)現(xiàn)具有低電解漏電特型的電解質(zhì)部件(2)。
文檔編號(hào)H01M8/02GK1481591SQ01820569
公開日2004年3月10日 申請(qǐng)日期2001年12月11日 優(yōu)先權(quán)日2000年12月13日
發(fā)明者李箭, 漢斯拉基·C·瑪魯, 基 C 瑪魯, 箭 李 申請(qǐng)人:燃料電池能有限公司