专利名称：减少电解质被冲洗掉的htm燃料电池或电池组和用于起动电池的方法
技术领域：
本发明涉及一种减少电解质被冲洗掉的HTM燃料电池。一种新型的结构建议，借助它收集冲洗出的电解质并引回HTM燃料电池中。此外本发明涉及一种起动HTM燃料电池的方法，其中，借助此新型结构，在正常运行时将冲洗出的电解质重新引回电池中。
由DE19844983.6(尚未公开)已知一种用于燃料电池尤其用于PEM燃料电池的液体阻挡层。
此外已知聚合物-电解质-膜片-燃料电池(Polymer-Elektrolyt-Membran-Brennstoffzelle)，它有与[-SO3H]基有关的基本聚合物作为电解质。电解的导电在这里通过水合的质子发生。膜片需要相应的液态水，亦即在正常压力下工作温度低于100℃，以保证质子的电导性。由此产生了一个问题，即入流的过程气体在温度高于约65℃时必须被增湿。
为了取消工作温度的限制，取代含[-SO3H]基的膜片采用另一种膜片(它也可以是离子交换膜)和/或具有游离的和/或物理和/或化学结合的磷酸的基体作为燃料电池的电解质。这种燃料电池称为高温膜燃料电池(HTM燃料电池)。然而在实现含游离的磷酸的HTM燃料电池时，至少会产生在温度低于100℃，亦即在燃料电池装置起动时电解质被冲洗掉的问题。这主要是在燃料电池进入起/停运行，亦即例如在移动式应用时产生的问题。由于冲洗引起的电解质损失可能导致功率损失直至电池失去工作能力。冲洗掉的电解质例如随过程气流(Prozeβgasstrom)离开电池。为了获得电池的工作能力必须补充电解质。
已知在磷酸燃料电池PAFC(Phosphor Acid Fuel Cell)中也存在此类问题，不过在那里这是次要的，因为PAFC主要固定式地应用于长期连续运行，而电解质损失如所述那样大部分在起动过程中产生。显然本发明也可应用在固定式系统中。
因此本发明的目的是创造一种燃料电池，它在工作温度高于100℃的情况下工作并且无需补充电解质就可保持工作能力。
本发明的对象是一种HTM燃料电池和一种HTM燃料电池组，它包括两侧带有电极层的电解质、以及分别与该电极层毗邻的气体扩散层和极板，其中，还设有一储存罐，在储存罐内可暂时储存由电池冲洗出的电解质并可重新提供给电池使用。
此外本发明的对象是一种起动HTM燃料电池的方法，其中，收集被冲洗出的电解质并将其重新引回电池中。
作为高温膜片(HTM)燃料电池的是任何有下列特点的燃料电池，即它含有传统的电解质膜片和/或它含有一个作为物理和/或化学地吸收电解质的基体并作为心部的膜片以及它的工作温度高于传统的PEM燃料电池的工作温度，亦即高于80℃，优选高于100℃。最高工作温度约为220℃。HTM燃料电池有一种电解质，它在上述温度下在非水状的环境内有良好的电导率。
可作为储存罐的是任何有下列特点的容器，即能在其中储存电解质以及在有些情况下还能蒸发所生成的水和/或过程排气。
按一种实施形式，此容器紧连在HTM燃料电池堆叠上，它可能有堆叠的温度。在这种情况下应相应地选择储存罐的材料，使之耐电解质并尽管如此还能轻度加热。
按另一种实施形式，在储存罐内含有一压力平衡装置。
按另一种实施形式，储存罐用可扩张和/或弹性的材料制造并且具有可变的容量，所以流入的电解质决定性地影响储存罐的体积(按照气球和/或伸缩风箱原理)。
作为电解质例如有磷酸、硫酸、含硫的酸等，所有的化合物在HTM燃料电池内部物理和/或化学地结合在一块膜片上或一个惰性基体上(下面称电解质载体或载体)，并促使在HTM燃料电池内部质子的电解导电。
作为电解质优选地采用磷酸和/或另一种自离解的Broenstedt酸。
按本发明方法的一种措施，收集冲洗出的电解质并在调整平衡后将其重新自动引回电池中。
按本发明的一项设计，在HTM燃料电池内有水的阻挡层，它是可透气的。阻挡层可设在电极与气体扩散层之间或导气层和以极板为界的气体腔之间。在这种结构中比较有利的是，储存罐直接连接在HTM燃料电池上(
图1和2)，所以在起动时电解质借助产物水(Produktwasser)压入储存罐，并在电池工作时，尤其是在工作温度高于100℃时汽化产物水，如此形成的毛细管负压重新将电解质又吸入电池中。
按一种设计，电解质借助过程气流可简便地从堆叠引出。在此实施形式中首先在过程气体管道的电池堆叠排出管中设有一个总储存罐。电解质储存在此总储存罐内，和/或被过程排气和/或被产物水净化，这在其通过附加的管道(例如通过毛细作用)重新吸回HTM燃料电池堆叠内去往堆叠的各电池之前进行。
按另一项设计，电解质还用来自电池的过程排气冲洗并引入与此堆叠邻接的总储存罐内，在那里电解质必要时用过程排气和/或产物水净化。在HTM燃料电池蓄电池成功起动后，当达到工作温度，优选地达到100℃以上时，则优选地采用回引电解质的过程气体管道代替附加的管道。在这种情况下过程气体管道换接，使过程气体沿相反的方向流动，从而重新将电解质送入电池中(图4)。在这种情况下所设的从HTM燃料电池到储存罐的管道与过程气体通道是完全一样的。
通过提高在电解质一侧，亦即例如阳极侧的过程气体压力，有利于在起动和/或停止工作时仅仅在阴极侧提取出电解质，所以，例如在用空气工作的HTM燃料电池中，有一条例如从压缩机和/或从空气过滤器到储存罐的附加的供气管就够了，以便能暂时连接成使阴极空气流逆流(参见图4)。
由DE19844983.6已知液体阻挡层，以及可包括例如有微孔的碳气凝胶和/或干凝胶(Xerogel)。
下面借助图1至图4对本发明的实施例子以详细说明，附图中图1示出带有液体阻挡层的设计结构，其中图1a中的液体阻挡层与极板邻接，而图1b中的液体阻挡层设在电极与气体扩散层之间。
图2表示同样具有液体阻挡层的其它实施形式，但在这里毛细管组合在电解质载体内，它们将电解质迅速地重新吸回电池中。
图3示出为一个堆叠的HTM燃料电池设有一个总储存罐的设计结构。
图4最后示出具有总储存罐/储存罐的HTM燃料电池的线路图，其中存在一种结构，借助这种结构在成功地起动后可连接成使过程气流反向，电解质进而借助过程气流被重新送回HTM燃料电池中。
在图1中可看到两种HTM燃料电池。下面的说明对两个图(图1A和图1B)都适用。
在中央分别是带有电解质的电解质载体1，例如是具有游离磷酸的Nafion膜片。电池以两块极板5为界，它们向上汇入储存罐2内。同样，电解质载体1也一直延伸到储存罐2内，所以在电解槽溢出时，电解质连同产物水冲洗到储存罐2内。图中示出储存罐2充填了一半。同样在HTM燃料电池中包含两个带有催化剂衬里的气体扩散层3，催化剂衬里例如是碳织物或其他集流器。
图1所示两种HTM燃料电池的区别在于液体阻挡层4在电池内部的布局。
在图1a中液体阻挡层4(例如微孔的碳结构)与极板5邻接，它保证电解质不溢入极板5的气体排出通道7内，而是溢入储存罐2内。
在图1b中，液体阻挡层4直接与电解质载体邻接，所以电解质也还不可能溢入气体扩散层3内。
图2再次表示两个HTM燃料电池，它们除了在液体阻挡层4的布置方面不一样以外其它方面都是一致的。与图1所示的HTM燃料电池的区别在于，电解质载体(例如多孔的基体或膜片)组合有毛细管和/或通道，这些毛细管和/或通道均定向设置并且便于和/或加速电解质从储存罐2回流。
在HTM燃料电池工作时，尤其当电池达到100℃以上的温度时，产物水气态地从电池泄出并在电池内形成负压，该负压可能在电解质载体内优选地定向的毛细管和/或通道的支持下，使电解质从储存罐重新被吸回电池中。
图3表示了一种实施形式，其中可以取消电池中的液体阻挡层，通过收集堆叠31所有电池的电解质溢流，然后通过管道33将它们引入总储存罐32中。至少一个过程排气管道34同样通入总储存罐32中，使得与过程气体一起从电池泄出的电解质也抵达总储存罐32内。借助电解质载体，亦即膜片或多孔基体的毛细作用，或简单地借助工作中形成的负压，在此实施形式中的电解质也可以被自动吸回电池中。
通过略微提高在阳极侧的反应物压力可以实现仅仅在阴极侧获取电解质。
图4表示了一种实施形式，其中电解质不再自动流回电池内，而是在完成起动程序后通过转接过程气体管道被吹回电池中。为了图示简化起见仅仅示出一单个电池(如图1和图2中所示)，但同样容易理解这一实施形式可以适用于一个堆叠中。HTM燃料电池在中央设电解质载体43，如在所有的实施例中那样它可以有定向的毛细管。电池以极板5为界。在与电池相隔一定距离处设有总储存罐46，在此图中为了看得清楚起见将它直接画在电池下方。起动时，过程气体1、例如空气通过阀47经管道42流入电池的气体分配通道48，在那里主要容纳有溢出的电解质。之后，富集电解质蒸汽和/或电解质小液滴的过程排气1，从电池经管道41流入总储存罐46中，总储存罐46中的(压力、温度等)条件至少促使电解质与过程排气1分离。所述总储存器46优选地设计为，使电解质在其被引回电池前在总储存器46中首先被净化。由总储存器46引出的过程排气(1)的管道有一阀49，它在起动过程结束后，亦即当电池的工作温度优选地大于100℃时关闭。在阀49关闭的同时打开阀50。过程气体2(它与过程气体1属于同一类型，亦即例如仍为空气)通过阀50流入总储存罐46中，并优选地通入液态的电解质中。总储存罐46中的条件现在被调整成，能使过程气体2富集电解质。过程气体2经管道41离开总储存罐46流入HTM燃料电池内，并通过气体分配通道48。在该通道内将电解质重新输送给电池。过程气体2通过过程排气(2)的管道42和阀51再次离开电池。在起动时阀51保持关闭。
采用本发明解决了HTM燃料电池中液态电解质的电解质损失问题。本发明原本是为起动工作温度高于100℃的HTM燃料电池提出的，但显然可以应用于解决这些或另一些HTM燃料电池类似的(排出和/或溢出)问题以及应用于起动过程以外。
权利要求
1.一种HTM燃料电池，它包括两侧带有电极层的电解质、分别与该电极层毗邻的气体扩散层和极板，其中，还设有一储存罐，在储存罐内可暂时储存从电池冲洗出的电解质并可将它们重新提供给电池使用。
2.按照权利要求1所述的HTM燃料电池，其中，储存罐配属于一个电池。
3.按照权利要求2所述的HTM燃料电池，其中，电池内含有一个液体阻挡层。
4.按照权利要求1所述的HTM燃料电池，其中，设有一附加的管道并且该储存罐是用于多个HTM燃料电池的总储存罐。
5.一种HTM燃料电池组，它包括一个堆叠，该堆叠具有至少一个如上述任一项权利要求所述的HTM燃料电池，其中，储存罐与此堆叠相连接并设置在一个过程气体管道中。
6.一种起动HTM燃料电池的方法，其中，收集被冲洗出和/或溢出的电解质并将其重新引回HTM燃料电池中。
7.按照权利要求6所述的方法，其中，所收集到的电解质在其引回电池中之前被净化。
8.按照权利要求6或7所述的方法，其中，电解质的回引自动实现。
9.按照权利要求6或7所述的方法，其中，在成功起动HTM燃料电池后暂时换接过程气体供应管道，使过程气体沿反方向流动。
全文摘要
本发明涉及一种减少电解质被冲洗掉的HTM燃料电池。本发明建议了一种新型结构,借助它收集冲洗出的电解质并将其引回HTM燃料电池。此外本发明还涉及一种起动HTM燃料电池的方法,其中,借助于此新型的结构,在正常运行时将冲洗出的电解质重新引回电池中。
文档编号H01M8/04GK1347574SQ0080570
公开日2002年5月1日 申请日期2000年3月17日 优先权日1999年3月29日
发明者乌尔里克·格布哈特, 曼弗雷德·韦达斯 申请人:西门子公司