一种液体电解质燃料电池发电设备（６）包括由流体不可透过的隔板（１９、２３）分开的燃料电池（８）形成的燃料电池堆（７），所述燃料电池具有附加的芯吸件以便确保冷凝电解质从冷凝区（２７）回流通过燃料电池的活性区域。芯吸材料（４９）被设置在通道中，所述通道被散置在反应剂气体通道（２０、２１）中；芯吸材料（５４）被设置在被成形于电极基板（１６、１７）内的区（５３）中；芯吸材料（５８）被设置在反应剂气体通道（２０、２１）的底部表面上；芯吸材料（６２）被设置在隔板（１９、２３）的肋部（５０）与基板（１６、１７）的相邻表面之间；且芯吸材料（６５）被成形为呈平面的隔板（１９ａ、２３ａ）上的肋部，芯吸肋部（６５）之间的空间包括反应剂气体通道（２０、２１）。
【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
液体电解质燃料电池包括位于阳极側和/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),以促剩余部》
技术介绍
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；阴极側的情况与此相似。本文结合隔板19所^吏用的术语"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ll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 W02006071209A1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。磷酸燃料电池堆沿空气流路径具有明显的温度分布。这导致蒸发 进入气体物质流内的磷酸朝向电池入口流动且导致从气体物质流中冷 凝出来的磷酸朝向电池出口流动。酸在毛细管流的影响作用下被连续 地芯吸通过多孔电池部件而从冷却器的冷凝器区返回更热的蒸发器 区。这种内部回流必须被保持住才能防止基体和密封件变干而进一步 导致电池失效。对液体电解质燃料电池中的电极担载基板存在着竟争性需求。总 体而言，为了使基板中能够贮存的电解质量最大化，需要较大的孔隙 和较高的孔隙率。大孔隙和高孔隙率还有助于反应剂气体从反应剂流 动通道扩散至催化剂。为了使电解质贮存量最大化且为了使反应剂气 体的扩散绰绰有余，需要选择孔隙尺寸、孔隙率和设计充注水平。需要关注的是在较低的电解质充注水平下，酸的回流速率也会 不足，电解质充注水平较低表示电池的寿命已达5到10年。在改进的 设计中，阳极多孔电解质贮存板和阴极多孔电解质贮存板都被致密的 石墨-Tef 1on⑧流场所取代，这种设计使得在面内进行的酸传送变得更 为困难。可用作磷酸替代品的质子传导液体电解质在所属领域中也是已公 知的。美国专利No. 5, 344, 722披露了一种电解质，该电解质是磷酸 和含氟化合物的混合物或者是磷酸和硅氧烷的混合物。公开号为No. 2006/0027789的美国专利申请披露了 一种质子传导液体电解质，其中 的阴离子是氟硼酸盐或fluoroheteroborate。
技术实现思路
本专利技术所作出的改进考虑到了以下事实尽管大孔隙降低了液体 流动的阻力，但小孔隙会增强毛细管作用且因此增加了可使液体移动 通过孔隙的毛细管压力。尽管在包含固体流场板和防水基板(气体扩散层)的燃料电池中 使用芯吸件将流体从液体冷凝区输运至液体蒸发区是已公知的做法， 但在具有亲水性(可润湿)基板的电池中使用芯吸件却并不是已公知 的且人们对此会有独特的需求。在具有可润湿基板的电池中，存在可将酸从酸冷凝区芯吸至酸蒸 发区的多条平行路径。这些路径是阳极基板、阴极基板和电解质保持 基体。被芯吸通过特定路径的酸的量取决于该路径的剖面面积和透过 率。对于被引入电池内的任何附加的芯吸件而言，必须根据为保证该 芯吸件有效工作所使用的现有材料的特性来构建该芯吸件的特性。正如Porous Media: Fluid Transport and Pore Structure (第二版，Dullien著，Academic出版社，圣迭戈，1992年)这本书所阐明地那样，透过率是关于孔隙尺寸、孔隙率和液体在多孔介质中的饱和度的复杂函数。Dullien提出的关于孔隙率的公式如下C E3 S33 k =——^_~^G-E)2其中k-透过率、Dp-孔隙尺寸、E-孔本文档来自技高网...
【技术保护点】
燃料电池设备，所述燃料电池设备包括： 由相邻燃料电池（８）形成的燃料电池堆（７），每个电池具有一对电极和基体（１１），所述一对电极包括被设置在可润湿的多孔阳极基板（１６）上的阳极催化剂（１２）和被设置在可润湿的多孔阴极基板（１７）上的 阴极催化剂（１３），所述基体被构造以便保持被设置在所述催化剂之间的液体电解质； 被散置在所述燃料电池之间的多块流体不可透过的隔板（１９），所述隔板具有位于其相对表面处的通道，所述通道包括位于一个表面处的燃料反应剂气体流动通道（２０）和 位于与所述一个表面相对的第二表面处的氧化剂反应剂气体流动通道（２１）； 其特征在于： 多孔的亲水性芯吸材料（４９、５３、５８、６２、６５）被构造以便在与选自所述燃料反应剂气体流动通道和所述氧化剂反应剂气体流动通道中的通道大体上具 有相同范围的情况下传送电解质，所述芯吸材料的平均孔隙尺寸小于所述基板中孔隙的平均孔隙尺寸的约一半。
【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】
【专利技术属性】
技术研发人员：CA雷塞，RD布雷尔特，
申请(专利权)人：UTC电力公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]
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