專利名稱：減少電解質被沖洗掉的htm燃料電池或電池組和用于起動電池的方法
技術領域：
本發明涉及一種減少電解質被沖洗掉的HTM燃料電池。一種新型的結構建議，借助它收集沖洗出的電解質并引回HTM燃料電池中。此外本發明涉及一種起動HTM燃料電池的方法，其中，借助此新型結構，在正常運行時將沖洗出的電解質重新引回電池中。
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-膜片-燃料電池(Polymer-Elektrolyt-Membran-Brennstoffzelle)，它有與[-SO3H]基有關的基本聚合物作為電解質。電解的導電在這里通過水合的質子發生。膜片需要相應的液態水，亦即在正常壓力下工作溫度低于100℃，以保證質子的電導性。由此產生了一個問題，即入流的過程氣體在溫度高于約65℃時必須被增濕。
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/或化學結合的磷酸的基體作為燃料電池的電解質。這種燃料電池稱為高溫膜燃料電池(HTM燃料電池)。然而在實現含游離的磷酸的HTM燃料電池時，至少會產生在溫度低于100℃，亦即在燃料電池裝置起動時電解質被沖洗掉的問題。這主要是在燃料電池進入起/停運行，亦即例如在移動式應用時產生的問題。由于沖洗引起的電解質損失可能導致功率損失直至電池失去工作能力。沖洗掉的電解質例如隨過程氣流(Prozeβgasstrom)離開電池。為了獲得電池的工作能力必須補充電解質。
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，因為PAFC主要固定式地應用于長期連續運行，而電解質損失如所述那樣大部分在起動過程中產生。顯然本發明也可應用在固定式系統中。
因此本發明的目的是創造一種燃料電池，它在工作溫度高于100℃的情況下工作并且無需補充電解質就可保持工作能力。
本發明的對象是一種HTM燃料電池和一種HTM燃料電池組，它包括兩側帶有電極層的電解質、以及分別與該電極層毗鄰的氣體擴散層和極板，其中，還設有一儲存罐，在儲存罐內可暫時儲存由電池沖洗出的電解質并可重新提供給電池使用。
此外本發明的對象是一種起動HTM燃料電池的方法，其中，收集被沖洗出的電解質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的燃料電池，即它含有傳統的電解質膜片和/或它含有一個作為物理和/或化學地吸收電解質的基體并作為心部的膜片以及它的工作溫度高于傳統的PEM燃料電池的工作溫度，亦即高于80℃，優選高于100℃。最高工作溫度約為220℃。HTM燃料電池有一種電解質，它在上述溫度下在非水狀的環境內有良好的電導率。
可作為儲存罐的是任何有下列特點的容器，即能在其中儲存電解質以及在有些情況下還能蒸發所生成的水和/或過程排氣。
按一種實施形式，此容器緊連在HTM燃料電池堆疊上，它可能有堆疊的溫度。在這種情況下應相應地選擇儲存罐的材料，使之耐電解質并盡管如此還能輕度加熱。
按另一種實施形式，在儲存罐內含有一壓力平衡裝置。
按另一種實施形式，儲存罐用可擴張和/或彈性的材料制造并且具有可變的容量，所以流入的電解質決定性地影響儲存罐的體積(按照氣球和/或伸縮風箱原理)。
作為電解質例如有磷酸、硫酸、含硫的酸等，所有的化合物在HTM燃料電池內部物理和/或化學地結合在一塊膜片上或一個惰性基體上(下面稱電解質載體或載體)，并促使在HTM燃料電池內部質子的電解導電。
作為電解質優選地采用磷酸和/或另一種自離解的Broenstedt酸。
按本發明方法的一種措施，收集沖洗出的電解質并在調整平衡后將其重新自動引回電池中。
按本發明的一項設計，在HTM燃料電池內有水的阻擋層，它是可透氣的。阻擋層可設在電極與氣體擴散層之間或導氣層和以極板為界的氣體腔之間。在這種結構中比較有利的是，儲存罐直接連接在HTM燃料電池上(
圖1和2)，所以在起動時電解質借助產物水(Produktwasser)壓入儲存罐，并在電池工作時，尤其是在工作溫度高于100℃時汽化產物水，如此形成的毛細管負壓重新將電解質又吸入電池中。
按一種設計，電解質借助過程氣流可簡便地從堆疊引出。在此實施形式中首先在過程氣體管道的電池堆疊排出管中設有一個總儲存罐。電解質儲存在此總儲存罐內，和/或被過程排氣和/或被產物水凈化，這在其通過附加的管道(例如通過毛細作用)重新吸回HTM燃料電池堆疊內去往堆疊的各電池之前進行。
按另一項設計，電解質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存罐內，在那里電解質必要時用過程排氣和/或產物水凈化。在HTM燃料電池蓄電池成功起動后，當達到工作溫度，優選地達到100℃以上時，則優選地采用回引電解質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，從而重新將電解質送入電池中(圖4)。在這種情況下所設的從HTM燃料電池到儲存罐的管道與過程氣體通道是完全一樣的。
通過提高在電解質一側，亦即例如陽極側的過程氣體壓力，有利于在起動和/或停止工作時僅僅在陰極側提取出電解質，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和/或從空氣過濾器到儲存罐的附加的供氣管就夠了，以便能暫時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氣凝膠和/或干凝膠(Xerogel)。
下面借助圖1至圖4對本發明的實施例子以詳細說明，附圖中圖1示出帶有液體阻擋層的設計結構，其中圖1a中的液體阻擋層與極板鄰接，而圖1b中的液體阻擋層設在電極與氣體擴散層之間。
圖2表示同樣具有液體阻擋層的其它實施形式，但在這里毛細管組合在電解質載體內，它們將電解質迅速地重新吸回電池中。
圖3示出為一個堆疊的HTM燃料電池設有一個總儲存罐的設計結構。
圖4最后示出具有總儲存罐/儲存罐的HTM燃料電池的線路圖，其中存在一種結構，借助這種結構在成功地起動后可連接成使過程氣流反向，電解質進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。下面的說明對兩個圖(圖1A和圖1B)都適用。
在中央分別是帶有電解質的電解質載體1，例如是具有游離磷酸的Nafion膜片。電池以兩塊極板5為界，它們向上匯入儲存罐2內。同樣，電解質載體1也一直延伸到儲存罐2內，所以在電解槽溢出時，電解質連同產物水沖洗到儲存罐2內。圖中示出儲存罐2充填了一半。同樣在HTM燃料電池中包含兩個帶有催化劑襯里的氣體擴散層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燃料電池的區別在于液體阻擋層4在電池內部的布局。
在圖1a中液體阻擋層4(例如微孔的碳結構)與極板5鄰接，它保證電解質不溢入極板5的氣體排出通道7內，而是溢入儲存罐2內。
在圖1b中，液體阻擋層4直接與電解質載體鄰接，所以電解質也還不可能溢入氣體擴散層3內。
圖2再次表示兩個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燃料電池的區別在于，電解質載體(例如多孔的基體或膜片)組合有毛細管和/或通道，這些毛細管和/或通道均定向設置并且便于和/或加速電解質從儲存罐2回流。
在HTM燃料電池工作時，尤其當電池達到100℃以上的溫度時，產物水氣態地從電池泄出并在電池內形成負壓，該負壓可能在電解質載體內優選地定向的毛細管和/或通道的支持下，使電解質從儲存罐重新被吸回電池中。
圖3表示了一種實施形式，其中可以取消電池中的液體阻擋層，通過收集堆疊31所有電池的電解質溢流，然后通過管道33將它們引入總儲存罐32中。至少一個過程排氣管道34同樣通入總儲存罐32中，使得與過程氣體一起從電池泄出的電解質也抵達總儲存罐32內。借助電解質載體，亦即膜片或多孔基體的毛細作用，或簡單地借助工作中形成的負壓，在此實施形式中的電解質也可以被自動吸回電池中。
通過略微提高在陽極側的反應物壓力可以實現僅僅在陰極側獲取電解質。
圖4表示了一種實施形式，其中電解質不再自動流回電池內，而是在完成起動程序后通過轉接過程氣體管道被吹回電池中。為了圖示簡化起見僅僅示出一單個電池(如圖1和圖2中所示)，但同樣容易理解這一實施形式可以適用于一個堆疊中。HTM燃料電池在中央設電解質載體43，如在所有的實施例中那樣它可以有定向的毛細管。電池以極板5為界。在與電池相隔一定距離處設有總儲存罐46，在此圖中為了看得清楚起見將它直接畫在電池下方。起動時，過程氣體1、例如空氣通過閥47經管道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。之后，富集電解質蒸汽和/或電解質小液滴的過程排氣1，從電池經管道41流入總儲存罐46中，總儲存罐46中的(壓力、溫度等)條件至少促使電解質與過程排氣1分離。所述總儲存器46優選地設計為，使電解質在其被引回電池前在總儲存器46中首先被凈化。由總儲存器46引出的過程排氣(1)的管道有一閥49，它在起動過程結束后，亦即當電池的工作溫度優選地大于100℃時關閉。在閥49關閉的同時打開閥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流入總儲存罐46中，并優選地通入液態的電解質中。總儲存罐46中的條件現在被調整成，能使過程氣體2富集電解質。過程氣體2經管道41離開總儲存罐46流入HTM燃料電池內，并通過氣體分配通道48。在該通道內將電解質重新輸送給電池。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。在起動時閥51保持關閉。
采用本發明解決了HTM燃料電池中液態電解質的電解質損失問題。本發明原本是為起動工作溫度高于100℃的HTM燃料電池提出的，但顯然可以應用于解決這些或另一些HTM燃料電池類似的(排出和/或溢出)問題以及應用于起動過程以外。
權利要求
1.一種HTM燃料電池，它包括兩側帶有電極層的電解質、分別與該電極層毗鄰的氣體擴散層和極板，其中，還設有一儲存罐，在儲存罐內可暫時儲存從電池沖洗出的電解質并可將它們重新提供給電池使用。
2.按照權利要求1所述的HTM燃料電池，其中，儲存罐配屬于一個電池。
3.按照權利要求2所述的HTM燃料電池，其中，電池內含有一個液體阻擋層。
4.按照權利要求1所述的HTM燃料電池，其中，設有一附加的管道并且該儲存罐是用于多個HTM燃料電池的總儲存罐。
5.一種HTM燃料電池組，它包括一個堆疊，該堆疊具有至少一個如上述任一項權利要求所述的HTM燃料電池，其中，儲存罐與此堆疊相連接并設置在一個過程氣體管道中。
6.一種起動HTM燃料電池的方法，其中，收集被沖洗出和/或溢出的電解質并將其重新引回HTM燃料電池中。
7.按照權利要求6所述的方法，其中，所收集到的電解質在其引回電池中之前被凈化。
8.按照權利要求6或7所述的方法，其中，電解質的回引自動實現。
9.按照權利要求6或7所述的方法，其中，在成功起動HTM燃料電池后暫時換接過程氣體供應管道，使過程氣體沿反方向流動。
全文摘要
本發明涉及一種減少電解質被沖洗掉的HTM燃料電池。本發明建議了一種新型結構,借助它收集沖洗出的電解質并將其引回HTM燃料電池。此外本發明還涉及一種起動HTM燃料電池的方法,其中,借助于此新型的結構,在正常運行時將沖洗出的電解質重新引回電池中。
文檔編號H01M8/04GK1347574SQ0080570
公開日2002年5月1日 申請日期2000年3月17日 優先權日1999年3月29日
發明者烏爾里克·格布哈特, 曼弗雷德·韋達斯 申請人:西門子公司