专利名称：改进了电解质管理和电接触的燃料电池用非活性端电池组件的制作方法
技术领域：
本发明涉及液体电解质燃料电池如熔融碳酸盐燃料电池，尤其涉及用在这种燃料电池堆的正、负极端的端电池组件。
背景技术：
如图1所示，燃料电池通常包括被电解质隔开的阳极和阴极。阳极集流体面对电解质邻接阳极设置，允许燃料经过阳极集流体。类似，允许氧通过的阴极集流体邻接于阴极设置并面对电解质。
这种类型的燃料电池采用碳酸盐作为电解质是众所周知的，在很多公开出版物和专利中都已进行了描述。在熔融碳酸盐燃料电池中，碳酸盐电解质包括在惰性陶瓷材料微粒基质如铝酸锂中的碱金属碳酸盐材料如碳酸锂或碳酸钾。在约为650℃(1200°F)的熔融碳酸盐燃料电池的工作温度下，碳酸盐电解质是离子导电的熔融液体。
利用在阳极引入的燃料和在阴极引入的氧化剂，燃料在电极与电解质之间的界面处的电化学反应中被氧化。在阳极和阴极之间释放出电子流，由此将化学能转化为电能。阳极和阴极分别优选由多孔金属如多孔镍粉或氧化镍制成，这种多孔金属在电池工作温度下充分活化，从而分别用作阳极和阴极反应的催化剂。
如图1所示的单个燃料电池产生比较低的电压。为了产生更高的电压，各电池串联设置为燃料电池堆。如图1所示，设置优选由不锈钢制成的隔板以将各燃料电池与电池堆中的相邻电池隔开。在此采用的术语“端电池”定义为在电池堆的正极或阴极和负极或阳极端部的各燃料电池，各“端电池”设置了结构端子。
与这种燃料电池堆结构有关的主要问题在于，优先从最接近电池堆正极端的各电池的电解质损失，大部分由最接近电池堆负极端的各电池的电解质增加。主要是两个过程导致了正极端的电池超过了中间电池的电解质损失。第一个过程是液体电解质向邻接端电池的结构终端板上的蠕动。第二个过程，电解质迁移，使电解质在膜中沿电池堆的表面朝向负极或阳极端流动。结果，与中间的电池相比，在电池堆正极端的燃料电池损失了更多的电解质，在负极端的燃料电池获得了电解质。在位于最接近电池堆正、负极端的端电池中电解质迁移的影响是最严重的。由于蠕动和迁移造成的正极端电池电解质的消耗在电解质基质中留下了气孔。这造成了端电池内部电阻的不可逆增加、明显的电压降和长期端电池性能的恶化。并且，向负极端的电解质迁移会导致负极端电池的溢流和性能及长期稳定性的损失。
因此，人们已经认识到，防止电解质的迁移和与此相关的端电池电阻的增加可提高碳酸盐燃料电池的耐久性。人们已经提出了不同结构以延缓或阻止电解质迁移。具体而言，已经有人针对这一点进行了研究，提供了“半电池”阳极和“半电池”阴极，“半电池”阳极是指包括阳极反应气体流动路径、阳极和邻接于端阴极的气体密封结构的燃料电池阳极部分，“半电池”阴极(具有类似于“半电池”阳极的结构)邻接于燃料电池堆中的端阳极(Mitsuda等人的美国专利5019464)。在这种设计中的“半电池”阳极存储额外的电解质，此电解质补充由于迁移和其它作用过程造成的从最接近电池堆正极端的电池中的电解质损失。邻近于负极端常规电池阳极放置的“半电池”阴极吸收流向电池堆负极端的多余电解质。这种设置方式防止了最靠近电池堆负极端的电池的溢流，延迟了从阴极端的端电池的电解质消耗，但是没有消除电解质迁移并且“半电池”阳极必须定期用电解质进行补充。并且，在电池堆正极端放置的“半电池”阳极具有有限的电解质存储容量。该阳极由Ni制成，Ni对于电解质是非润湿性的，或者不利于流过其的电解质，出于结构强度的考虑，阳极的孔隙率也较低，即小于55％。
有人进行了其它研究以基本上阻止熔融碳酸盐电解质的蠕动，例如，通过提供电解质蠕动阻挡件，该阻挡件包括夹在电池堆的负极端或正极端的陶瓷层之间的、不易被液体电解质润湿的材料的薄层(Kunz的美国专利4704340)，例如金箔；形成具有一定孔径的陶瓷颗粒的阳极或阴极，从而通过毛细作用迫使电解质进入用于存储的电极的离散部分(Iacovangelo等人的美国专利4548877)。美国专利5110692提出了通过把陶瓷电解质流动阻挡件结合到衬垫体中的方法阻止电解质从正极端向负极端的移动的技术。
针对这一点有人进行了其它研究，从而通过补充消耗的电解质并将电解质保持在恒定组成的方式减少电解质的迁移和消耗。具体而言，Fujita的美国专利4980248提出了一种熔融碳酸盐燃料电池，其中，含锂复合氧化物与氧化气体流反应，这样，补充了已消耗的电解质，并保持在恒定组成。此外，Kunz的美国专利4591538提出了一种二元电解质，该二元电解质在工作过程中沿燃料电池堆的长度具有均一的锂与钾的摩尔比。
与燃料电池堆的端电池有关的第二个问题是由于电池组件在电池堆工作温度下的收缩或变形引起的端电池电阻的升高。普通的熔融碳酸盐电池堆设计包括刚性的厚端板，所述厚端板被直接施加了适当的压缩负载力，从而在电池堆内的相邻电池和组件之间进行了充分地密封并获得了良好的导电性和导热性。在正常的电池堆工作温度下，尤其是在燃料电池堆的起动和切断过程中，在端板的相对表面之间形成了温度梯度，会使端板变形。由于阴极收缩，会在电池堆工作过程中出现附加的机械错配，特别是在阴极或正极侧端电池中更易出现此现象。人们已知随着工作进行缓慢出现碳酸盐燃料电池阴极收缩。
阴极“半电池”通常由阴极连接其上的波纹状集流体构成。波纹状集流体遍布整个电池区域。然而，由于阴极不延伸到湿密封边缘，因此阴极遍布在小于总面积的区域内。因此，湿密封厚度必须与阴极厚度相匹配，以保持平整的电池结构。在原有技术中，将由金属片制成的平整薄垫片插在湿密封边缘下，以解决活性区与湿密封边缘之间的厚度差的问题。随着阴极收缩，电池压缩力从电池的活性区转移到湿密封区。在活性区中压缩力的降低造成在端电池内的不同位置上的电接触损失，造成施加在该燃料电池的压缩力的不均匀。一旦出现电接触损失，即使回到原始的压缩力分布，也不可能在界面处恢复原始的导电性。
有人还进行了研究以减少在端电池中的电接触损失。具体而言，有人建议采用与在燃料电池堆的正、负极端处的半刚性绝缘层相结合的导电性挠性薄端板膜，以便在即使存在热变形的情况下在正常工作过程中也能沿着燃料电池的平面保持基本上均匀的压缩负载力(Guthrie等人的美国专利5009968)。从而在挠性导电端板膜和电极之间的端电池中保持电接触。然而，通过此专利的端电池结构不能阻止电解质迁移和相应的电阻升高。
因此，本发明的目的是提供一种用于存储熔融碳酸盐燃料电池中的电解质的端电池，它不具有上述缺点。
本发明的另一目的是提供一种用在熔融碳酸盐燃料电池堆的正、负极端的端电池，在正极端的端电池具有使电解质存储容量最大化的肋状电极储液器，在负极端的端电池具有使储液容量最大化的肋状电极液槽。
本发明的再一目的是在端板和电池堆正极端的电解质存储器之间以及在端板和在电池堆负极端的电解液槽之间提供一种柔顺的、有弹性的、高导电性的分离面，从而缓解了由于变形以及在硬端板和与其接触的电池封装之间的不充分接触引起的电阻升高，消除了端电池中的接触损失。
本发明的又一个目的是在非活性端电池的阴极侧提供一种柔顺的并有弹性的湿密封，从而确保当非活性阴极在燃料电池工作过程中收缩时，电池的压缩力分布到电池活性区，没有不成比例地转移到湿密封区。
本发明还有一个目的是提供一种用于电解质存储的改进端电池，该端电池消除了与电解质迁移有关的上述问题，提高并延长了长期端电池性能。
发明内容
在用于存储熔融碳酸盐燃料电池堆中的电解质的组件中实现了上述和其它目的，所述燃料电池堆包括活性电极部件、电极储液器或液槽、非活性阳极部件和端板。在此采用的“储液器”是指能够保持或存储电解质并且如果需要在需要处分配电解质的结构。“液槽”和“海绵状物”是指能够收集、吸收和保持多余电解质的结构。各活性电极部件至少包括电极和集流体。储液器以及液槽包括肋状阴极以使电解质存储容量最大化。各非活性阳极部件至少包括泡沫阳极层和阳极集流体。用于电池堆负极侧的端电池包括紧靠它的非活性阳极部件。用于电池堆正极或阴极侧的端电池优选包括邻接肋状电极储液器两侧的非活性阳极部件。
结合附图阅读以下详细描述，本发明的上述和其它特点和方面将更为显而易见，其中图1是常规碳酸盐燃料电池组件的示意图；图2是根据本发明的原理在熔融碳酸盐燃料电池堆的正、负极端处的端电池组件的示意性框图；图3是根据本发明的原理在燃料电池堆的正、负极端上的端电池的分解透视图；图4A是沿图3的线4A-4A在燃料电池堆的正极端处的端电池的横截面图；图4B是沿图3的线4B-4B在燃料电池堆的正极端处的端电池的横截面图；图5A是沿图3的线5A-5A在燃料电池堆的负极端处的端电池的横截面图；图5B是沿图3的线5B-5B在燃料电池堆的负极端处的端电池的横截面图。
具体实施例方式
图2总体表示根据本发明的原理在燃料电池堆的正、负极端处的端电池组件。如图所示，非活性阳极部件12、22靠近电池堆两端的端板14、24设置。在燃料电池堆的正极或负极侧上，端电池10进一步包括通过第二非活性阳极部件12与活性阴极部件18分离的肋状电极储液器16。在电池堆的负极或阳极侧上的端电池组件20包括邻接活性阳极部件28的肋状电极液槽26。在电池堆两端的端电池结构中，非活性阳极部件12、22在肋状电极储液器16或液槽26与端板14、24之间、以及在正极端电池10中、在活性阴极部件18和肋状电极储液器16之间提供导电性分离界面。
图3是表示根据本发明在熔融碳酸盐燃料电池堆的两端上的端电池各层结构的分解透视图。首先，参照图3的上部和图4A和4B描述在燃料电池堆中的正极或阴极端电池的结构。
正极端电池组件如图3和图4A和4B所示，燃料电池堆终止于具有优选由不锈钢制成的厚刚性端板14、24的两端。在正极端电池组件10中的非活性阳极部件12将正极端板14与肋状电极储液器16隔开，该非活性阳极部件12包括泡沫阳极层44(图4B所示)和阳极集流体50。
在非活性阳极部件12中，泡沫阳极层44邻接在电池堆正极端的端板14设置。具体而言，泡沫阳极层44包括在两个基体条48之间设置的泡沫镍非活性阳极46。泡沫镍阳极46用作在端板14和肋状电极储液器16之间的导电性分离界面。基体条48优选由多孔陶瓷形成并相对于还原气体(例如氢气)的流动沿泡沫镍阳极46的任一侧设置，液体电解质可填充该基体条48。通过用电解质填充，并阻挡燃料气体往别处流动，基体条48有助于同时维持流过电池堆的氢气和氧气之间的气体密封。
直接设置在非活性阳极部件12中的泡沫阳极层44以下的是阳极集流体(ACC)50，集流体50优选由奥氏体不锈钢制成。ACC包含在具有三维“S”状结构的双极板52的顶室内。优选由覆镍奥氏体不锈钢制成的双极板52限定了分别沿还原气体的流动和氧化气体的流动设置的顶室和底室54、56(图4A和4B所示)。“S”状双极板的顶室和底室54、56分别形成沿着顶室和底室54、56的两个边缘折叠一部分顶室和低室的唇缘。双极板52的上唇缘沿其平行于还原气体流动方向的边缘折叠在ACC 50之上并与发泡镍阳极46的边缘匹配，使得发泡阳极直接设置在ACC 50之上，在双极板52的顶部边缘之间，如图所示。因此，ACC 50直接与发泡镍非活性阳极46接触并从该非活性阳极46收集电流。在发泡阳极层44中的基体条48夹在双极板52的上唇缘和正极端板14之间。
双极板52的中间部分将ACC 50与在双极板的底室56内所含的结构分开。泡沫阳极层44和阳极集流体50一起构成非活性阳极部件12，该构件12将正极端板14与肋状电极储液器16隔开，下面进一步进行描述。
双极板52的下唇缘沿着其平行于氧化剂气体流动方向的边缘折叠在底室之下。然而，与由双极板52形成的其中完全设置了ACC 50的顶室54不同，双极板52的底室56包含柔顺的阴极集流体(CCC)60和肋状阴极64。
柔顺的CCC 60优选由奥氏体不锈钢或超耐热合金制成，并沿着下唇缘的长度与氧化气体流动平行地设置在下唇缘和双极板52的中间部分之间。柔软的CCC是柔顺的、有弹性的并且在燃料电池堆的工作温度下在端电池内发生了机械改变之后能够返回其原始形状或形式。为了保持软CCC 60与双极板52的接触，可在软CCC 60和下唇缘之间沿下唇缘的长度设置金属薄垫片62。柔顺的CCC 60具有比端电池的活性区更低的屈服应力和更低的弹性常数(约50％以下)。在本发明的端电池设计中采用的柔顺的、有弹性的CCC通过产生压缩力并吸纳端电池中特别是对于阴极由于在燃料电池堆的工作过程中的深度热循环引起的机械改变、以及通过在压缩后遵照所需的形状、从而大大地减少或消除了端电池中的接触损失。
上述在双极板52的底室56中的柔顺的CCC 60和由非活性阳极部件12提供的导电性分离界面的组合作用避免了接触损失和相应地端电池内的电阻的不可逆增加，对于其中机械错配常为最大的燃料电池堆的阴极侧作用尤为明显。
在双极板的底室56中同样设置了肋状阴极64。肋状阴极64优选由Ni制成，如图3所示，其具有结构上的峰和谷。阴极的肋状结构提供了用于使氧化气体流过的通道并均匀地氧化了主要制造肋状阴极64的镍材料。折叠在平行于氧化气体流动方向的柔顺CCC条60之下的双极板52的下唇缘与肋状阴极64的边缘相匹配，使得肋状阴极设置在柔顺CCC 60的各条和双极板52的下唇缘部分之间，并直接在平坦阴极层68之上。肋状阴极64的峰部直接与平坦阴极70接触，平坦阴极70优选由Ni制成。
基体条72设置在平坦阴极70的各侧上，在双极板52的下唇缘部分以下，并具有与如上所述的在泡沫阳极层44中的基体条48类似的结构。作为泡沫阳极层，基体条72填充有液体电解质。然而，在前述平坦阴极层68中，基质条72平行于氧化气体流动的方向设置。
肋状阴极64和平坦阴极70的组合用作在燃料电池堆上端的电极储液器16。作为针对在燃料电池堆工作中固有的各种问题进行的上述讨论，在工作过程中熔融电解质材料易于向电池堆的负极或阳极端迁移。在本发明中，肋状阴极64优选由具有约65％孔隙率的Ni材料制成。平坦阴极70优选由高达70％孔隙率的Ni材料制成。在本发明端电池中的肋状和平坦的阴极结构能够存储大量的电解质材料，从而减少电解质迁移和从电池堆的上部正极或阴极中的损失。
如图4B所示，在肋状电极储液器16之下设置的第二非活性阳极部件82(通常由图2中的12表示)将电极储液器16与活性阴极部件18隔开。在正极端电池10中的第二非活性阳极部件82具有与非活性阳极部件12类似的结构，也就是说，泡沫阳极层84包括夹在基体条88之间的泡沫阳极86和在第二三维“S”状双极板92的顶室94中的阳极集流体(ACC)90。
为了隔离气体的流动例如氧气流过电极储液器16、氢气流过第二非活性阳极部件82，在电极储液器16和第二非活性阳极部件82之间设置310不锈钢片76。钢片76可在其边缘镀铝以防止腐蚀。
在第二非活性阳极半电池82之下、在第二“S”状双极板92的底室96中，设置了奥氏体不锈钢材料的阴极集流体(CCC)98，阴极集流体98具有与在双极板52、92的顶室54、94中的阳极集流体50、90类似的结构。CCC 98占据了双极板92的整个底室96并位于氧化气体流动的路径中，它具有大约柔顺CCC 60一半的柔顺性或弹性。
最后，在正极端电池组件10的底端，在夹在第二双极板92的下唇缘部分之间的CCC 98之下直接设置平坦标准阴极100。平坦标准阴极100优选由Ni制成，并在熔融碳酸盐燃料电池堆中的正极端电池10和第一常规燃料电池之间提供了界面。
负极端电池组件阳极或负极端电池20的结构类似于上述正极端电池10的结构，但仅包括一个非活性阳极部件22，下面参照图3的下部和图5A和5B进一步详细描述。
在负极端电池组件20中，如图2整体所示，非活性阳极部件22邻接负极端板24，将端板与肋状电极液槽26隔开。参照图3的下部和图5A和5B中所示的负极端电池组件20的详图，非活性阳极部件22同样包括泡沫阳极层144和阳极集流体150，其它大部分方面与在正极端电池组件10中的非活性阳极部件12相同。但在负极端电池组件20中，包括泡沫镍阳极146和基体条148的泡沫阳极层144直接邻接负极端板24设置，因此设置在ACC 150以下，不像正极端电池组件10那样设置在其上。
在仅具有下唇缘的单层双极板152的室156中含有ACC 150，该下唇缘沿平行于还原气体流动方向的其边缘折叠在ACC 150之下。下唇缘达到泡沫阳极层144中泡沫镍阳极146的边缘，使得泡沫阳极146直接设置于在单层双极板152的下唇缘部分之间的ACC 150之下，如图所示。因此，ACC 150直接与泡沫镍阳极146接触并从中收集电流。在泡沫阳极层144中的基体条148夹在双极板152的下唇缘部分和负极端板24之间。可将例如由导电金属如银制成的多个条形物设置在基体条148和负极端板24之间，如图5A和5B所示，以提供对端板表面的腐蚀防护。在负极端电池组件20中的非活性阳极部件22由此在负极端板24和肋状电极液槽26之间提供了导电性分离界面，下面进一步描述。
单层双极板152的顶部将非活性阳极部件22的ACC 150与直接位于其上的肋状电极液槽26中的平坦阴极层168隔开。像在正极端电池组件10中的肋状电极储液器16那样，电极液槽26包括平坦阴极170和肋状阴极164。
平坦阴极层168包括平坦阴极170(优选由Ni制成)和夹在上述非活性阳极部件22中的单层双极板152的顶部和“S ”状双极板192的下唇缘部分之间的、在平坦阴极170的各侧上设置的两个基体条172。在平坦阴极层168中的基体条172平行于氧化气体流动的方向设置，使得基体条密封氧化气体、从而与还原气体分离。
在负极端电池组件20中的“S”状双极板192具有与正极端电池组件10中的双极板52、92相同的结构，其中限定了分别沿还原气体流动和沿氧化气体流动设置的顶室和底室194、196。“S”状双极板192的顶部和底部各形成了沿其两边分别折叠了顶室和底室194、196一部分的唇缘。“S”状双极板192的下唇缘沿其平行于氧化气体流动方向的边缘折叠在底室196以下。像在正极端电池组件10的电极储液器16中的双极板52的底室56那样，在电极液槽26中的双极板192的底室196含有柔顺的阴极集流体160(柔软CCC)和肋状阴极164。
柔软CCC 160沿着平行于氧化气体流动的下唇缘长度设置在下唇缘和双极板192的的中间部分之间的底室196中。肋状电极164同样设置在双极板192的底室196中。作为正极端电池组件10中的电极储液器16，阴极164的肋状结构提供了用于使氧化气体流过的通道并均匀氧化主要制造肋状阴极164的镍材料。平行于氧化气体流动方向折叠在柔顺CCC条160之下的双极板192的下唇缘与肋状阴极164的边缘相匹配，使得肋状阴极设置在柔软CCC 160和双极板192的下唇缘部分之间。在所有其它方面，在负极端电池组件20中的肋状电极液槽26的结构与在正极端电池组件10中的肋状电极储液器16的结构一致。
在双极板192的底室196中的柔顺并有弹性的CCC 160和由非活性阳极部件22提供的导电分离界面的组合在负极端电池20中获得了与在正极端电池10中相同的优点，即，避免了接触损失和相应的在负极端电池组件内电阻的不可逆升高。虽然在负极端电池组件20中可设置多于1个的非活性阳极部件22，但是如上所述的一个非活性部件22通常足以取得这些优点，这是因为从接触电阻上来看第一电池的活性阳极具有与非活性阳极类似的结构，在电解液槽和在负极端的第一阴极半电池之间提供了导电性界面。
在负极端电池组件20中，肋状和平坦阴极164、170的组合在燃料电池堆下端提供了电解液槽26。作为针对在燃料电池堆工作中固有的各种问题进行的上述讨论，在工作过程中熔融电解质材料易于向电池堆的负极或阳极端迁移。肋状和平坦阴极164、170由与在正极端电池组件10中的电解液存储器16相同的材料制成，具有高达70％的孔隙率。可采用更高孔隙率的阴极，但在工作过程中造成了更大的厚度减少。然而，在负极端电池设计20中，肋状和平坦阴极164、170用作电解质材料用液槽或海绵状物。液槽26吸收熔融电解质并保留在其上，由此防止电池堆的阳极端溢流或腐蚀。在与正极端电池组件10中的肋状电极储液器16的组合中，肋状电极液槽26明显地减少了在熔融电解质燃料电池堆操作过程中的电解质迁移和损失。
在正极端和负极端电池10、20中的本端电池设计的另一优点在于，柔顺并有弹性的CCC与肋状和平坦阴极的组合在肋状电极储液器或液槽中提供了更软、更柔顺并富有弹性的湿密封，以便在端电池的活性区中保持电接触。
最后，在负极端电池20中的电极液槽26上、在三维“S”状双极板192的顶室194内设置的是阳极集流体(ACC)190。双极板192的顶部唇缘沿其平行于还原气体流动方向的边缘折叠在ACC 190之上，并与标准阳极200的边缘匹配，这样，标准阳极200直接设置在双极板192的顶部边缘之间的ACC 190之上，如图所示。因此，ACC190直接与标准阳极200接触，并从中收集电流。标准阳极200优选由Ni合金制成，并在负极端电池20和熔融碳酸盐燃料电池堆中的最后一个常规燃料电池之间提供界面。
在任何情况下都能理解，上述配置仅仅是表示本发明应用的几种可行的具体实施方式
的示例。在不脱离本发明的实质和范围的情况下根据本发明的原理可很容易地设计出许多不同的其它配置方式。
权利要求
1.一种用在燃料电池堆中的装置，该装置位于燃料电池堆的端板和燃料电池堆的活性电池之间，该装置包括电解质存储组件；和适于促进在所述电解质存储组件与所述端板和所述活性电池中至少一个之间电接触的柔顺的导电组件。
2.根据权利要求1的装置，其中所述电解质存储组件具有适于面对所述端板的第一表面和从所述第一表面伸出的第二和第三侧面，所述柔顺的导电组件包括在所述第一表面和所述端板之间设置的第一部件和分别邻接所述电解质存储组件的第二和第三侧面设置的第二和第三部件。
3.根据权利要求1的装置，其中所述电解质存储组件具有适于面对所述端板的第一表面和从所述第一表面伸出的第二和第三侧面，所述柔顺的导电组件包括在所述第一表面和所述端板之间设置的一个或多个第一部件和分别邻接所述电解质存储组件的第二和第三侧面设置的第二和第三部件。
4.根据权利要求3的装置，其中所述第一部件包括具有相对的第一和第二表面的泡沫阳极和阳极集流体，所述泡沫阳极适于邻接在所述泡沫阳极的所述第一表面处的所述端板并邻接在所述泡沫阳极的所述第二表面处的所述阳极集流体。
5.根据权利要求4的装置，其中所述电解质存储组件包括肋状阴极，具有形成所述电解质存储组件的所述第一表面的一表面、相对所述一表面的另一表面、在所述肋状阴极的所述一表面和所述另一表面中形成的肋部、和分别具有所述存储组件的所述第二和第三表面并连接所述肋状阴极的所述一表面和所述另一表面的第一和第二侧；邻接所述肋状阴极的所述肋部并随其形成通道的平坦阴极，其中所述肋状阴极和所述平坦阴极是多孔的。
6.根据权利要求5的装置，进一步包括板结构，具有邻接相对所述肋部的所述肋状阴极的所述一表面和另一表面之一的中间区和延伸到所述中间区的横向端之外、然后翻转并彼此相对从而限定分别邻接所述肋状阴极的第一和第二侧的第一和第二室的第一和第二唇缘区，其中所述柔顺的导电组件的所述第二和第三部件用作柔顺部件并分别设置在所述第一和第二室中。
7.根据权利要求6的装置，其中所述阳极集流体和所述柔顺的导电组件的所述第二和第三部件分别形成为波纹结构。
8.根据权利要求6的装置，其中所述肋状阴极由具有大约65％孔隙率的材料制成。
9.根据权利要求6的装置，其中所述平坦阴极由具有大约70％孔隙率的材料制成。
10.根据权利要求6的装置，进一步包括在所述平坦和肋状阴极的孔隙中存储的电解质，所述平坦和肋状阴极用作电解质存储。
11.根据权利要求6的装置，其中所述平坦阴极设置在所述阳极集流体和所述肋状阴极之间，其中所述肋状阴极用作能够吸收并保持电解质的电解液槽。
12.根据权利要求11的装置，进一步包括面对相对所述肋部的所述肋状阴极的所述一和另一表面之一的另一阳极集流体和邻接所述另一阳极集流体设置的标准阳极。
13.根据权利要求12的装置，进一步包括限定顶室和底室的第一双极板，所述另一阳极集流体和标准阳极设置在顶室中，所述底室形成所述板结构并在底室中设置所述肋状阴极和所述柔顺的导电组件的所述第二和第三部件。
14.根据权利要求13的装置，进一步包括第二双极板，该第二双极板位于所述平坦阴极和所述端板之间并限定了其中设置了所述阳极集流体和泡沫阳极的面对所述端板的腔室。
15.根据权利要求14的装置，其中所述装置适于设置在所述燃料电池堆的负极端，其中所述标准阳极设置在所述第一双极板的顶室中所述另一阳极集流体和在所述负极端的燃料电池堆中的最后一个燃料电池之间。
16.根据权利要求6的装置，进一步包括限定顶室和底室的双极板，所述阳极集流体设置在顶室中，所述底室限定所述板结构并在底室中设置所述肋状阴极和所述柔顺的导电组件的所述第二和第三部件。
17.根据权利要求16的装置，其中所述双极板由导电材料制成。
18.根据权利要求16的装置，其中所述柔顺的导电组件的所述第二和第三部件在所述燃料电池堆的工作过程中吸纳肋状阴极的机械变形。
19.根据权利要求18的装置，进一步包括分别在所述双极板的底室中的所述柔顺的导电组件的所述第二和第三部件下面设置的薄垫片。
20.根据权利要求18的装置，其中氧化气体流过在所述平坦阴极和所述肋状阴极之间形成的通道。
21.根据权利要求20的装置，其中还原气体通过另一通道垂直于所述氧化气体流流动。
22.根据权利要求21的装置，其中所述氧化气体包括氧，所述还原气体包括氢。
23.根据权利要求21的装置，其中通过所述通道的所述氧化气体流均匀地氧化所述肋状阴极的表面。
24.根据权利要求21的装置，进一步包括平行于还原气体流方向沿所述泡沫阳极的相对侧设置的基体条。
25.根据权利要求24的装置，进一步包括平行于氧化气体流方向沿所述平坦阴极的相对侧设置的基体条。
26.根据权利要求25的装置，其中所述基体条在所述氧化气体流和所述还原气体流之间提供了气体密封。
27.根据权利要求18的装置，进一步包括伴随所述平坦阴极的另一泡沫阳极和面对所述另一泡沫阳极的另一阳极集流体。
28.根据权利要求27的装置，进一步包括伴随所述另一阳极集流体的阴极集流体和面对所述阴极集流体的标准阴极。
29.根据权利要求28的装置，进一步包括限定了顶室和底室的第二双极板，所述另一阳极集流体设置在顶室中，所述阴极集流体设置在底室中。
30.根据权利要求29的装置，进一步包括将所述平坦阴极与所述另一泡沫阳极隔开的金属片。
31.根据权利要求30的装置，其中所述装置适于设置在所述燃料电池堆的正极端，其中所述标准阴极适于设置在所述阴极集流体和所述电池堆正极端的燃料电池堆中第一燃料电池之间。
32.一种用于在碳酸盐燃料电池堆中存储电解质的端电池，包括邻接电池堆端板的非活性阳极部件；和通过所述非活性阳极部件与所述端板隔开的肋状阴极部件；其中所述非活性阳极部件包括泡沫阳极和阳极集流体，其中所述肋状阴极部件包括平坦阴极、肋状阴极、和柔顺的阴极集流体；以及其中所述非活性阳极部件和所述肋状阴极部件保持电接触并在所述端电池中提供电解质存储。
33.根据权利要求32的端电池，进一步包括将所述端电池与所述燃料电池堆中的活性燃料电池隔开的活性电极部件，所述活性电极部件包括活性电极和集流体。
34.根据权利要求32的端电池，其中所述活性电极部件包括标准阴极和阴极集流体。
35.根据权利要求34的端电池，进一步包括在肋状阴极部件和活性电极部件之间设置的并与它们保持电接触的第二非活性阳极部件。
36.根据权利要求35的端电池，其中所述第二非活性阳极部件包括泡沫阳极和阳极集流体。
37.根据权利要求32的端电池，其中所述活性电极部件包括标准阳极和阳极集流体。
38.一种燃料电池组件，包括具有以串联方式堆叠的多个燃料电池的燃料电池堆；在所述电池堆第一端的正极端板；在所述电池堆第二端的负极端板；和在所述正、负极端板和所述多个燃料电池之间的所述电池堆的所述第一和第二端分别设置的端电池；其中所述端电池各包括肋状阴极部件，所述肋状阴极部件为所述燃料电池组件提供电解质存储。
39.根据权利要求38的燃料电池组件，所述端电池各包括邻接所述端板的非活性阳极部件、通过所述非活性阳极部件与所述端板隔开的肋状阴极部件、和将所述端电池与所述电池堆中的所述燃料电池隔开的活性电极部件，其中肋状阴极部件和非活性阳极部件抑制了在所述电池堆工作过程中在所述端电池内的电接触损失。
40.根据权利要求39的燃料电池组件，其中在所述电池堆第一端上的活性电极部件包括标准阴极和阴极集流体，其中在所述电池堆第二端上的活性电极部件包括标准阳极和阳极集流体。
41.根据权利要求40的燃料电池组件，其中在所述正极端板和所述燃料电池之间的所述电池堆的第一端设置的端电池进一步包括在肋状阴极部件和活性阴极之间设置的第二非活性阳极部件，所述第二非活性阳极部件适于进一步抑制在肋状阴极部件和电池堆第一端的活性阴极之间的电接触损失。
42.根据权利要求41的燃料电池组件，其中在各所述端电池中的所述非活性阳极部件和在电池堆第一端设置的端电池中的所述第二非活性阳极部件各包括泡沫阳极和阳极集流体。
43.一种燃料电池组件，包括具有以串联方式堆叠的多个燃料电池的燃料电池堆；在所述电池堆第一端的正极端板；在所述电池堆第二端的负极端板；和在所述正、负极端板和所述多个燃料电池之间的所述电池堆的所述第一和第二端分别设置的端电池；其中各所述端电池包括抑制在各所述端电池中的电接触损失的非活性阳极部件。
44.一种燃料电池组件，包括具有以串联方式堆叠的多个活性燃料电池的燃料电池堆；在所述电池堆第一端的端板；和在所述端板和燃料电池堆的活性电池之间设置的装置，该装置包括电解质存储组件；和适于促进在所述电解质存储组件和所述端板之间的电接触的柔顺的导电性组件。
45.根据权利要求44的燃料电池组件，其中所述电解质存储组件具有适于面对所述端板的第一表面和从所述第一表面伸出的第二和第三侧面，所述柔顺的导电组件包括在所述第一表面和所述端板之间设置的第一部件和分别邻接所述电解质存储组件的第二和第三侧面设置的第二和第三部件。
46.根据权利要求45的燃料电池组件，其中所述电解质存储组件具有适于面对所述端板的第一表面和从所述第一表面伸出的第二和第三侧面，所述柔顺的导电组件包括在所述第一表面和所述端板之间设置的一个或多个第一部件和分别邻接所述电解质存储组件的第二和第三侧面设置的第二和第三部件。
47.根据权利要求46的燃料电池组件，其中所述第一部件包括具有相对的第一和第二表面的泡沫阳极和阳极集流体，所述泡沫阳极适于邻接在所述泡沫阳极的所述第一表面的所述端板并邻接在所述泡沫阳极的所述第二表面的所述阳极集流体。
48.根据权利要求47的燃料电池组件，其中所述电解质存储组件包括多孔肋状阴极，具有形成所述电解质存储组件的所述第一表面的一表面、相对所述一表面的另一表面、在所述肋状阴极的所述一表面和所述另一表面之一中形成的肋部、和分别具有所述存储组件的所述第二和第三表面并连接所述肋状阴极的所述一表面和所述另一表面的第一和第二侧；和邻接所述肋状阴极的所述肋部并随其形成通道的多孔平坦阴极。
49.根据权利要求48的燃料电池组件，其中所述装置进一步包括板结构，具有邻接相对所述肋部的所述肋状阴极的所述一表面和另一表面之一的中间区和延伸到所述中间区的横向端之外、然后翻转并彼此相对从而限定分别邻接所述肋状阴极的第一和第二侧的第一和第二室的第一和第二唇缘区，其中所述柔顺的导电组件的所述第二和第三部件用作阴极集流体并分别设置在所述第一和第二室中。
50.根据权利要求49的燃料电池组件，其中所述阳极集流体和所述柔顺的导电组件的所述第二和第三部件分别形成为波纹结构。
51.根据权利要求49的燃料电池组件，其中所述肋状阴极由具有大约65％孔隙率的材料制成。
52.根据权利要求49的燃料电池组件，其中所述平坦阴极由具有大约70％孔隙率的材料制成。
53.根据权利要求49的燃料电池组件，其中所述装置进一步包括在所述肋状和平坦阴极的所述孔隙中存储的电解质，其中所述肋状和平坦阴极用作电解质存储。
54.根据权利要求49的燃料电池组件，其中所述平坦阴极设置在所述阳极集流体和所述肋状阴极之间，所述肋状阴极用作能够收集、吸收并存储电解质的电解液槽，其中所述装置进一步包括面对所述肋状阴极相对所述肋部的所述一个和另一表面之一的阳极集流体和邻接所述另一阳极集流体设置的标准阳极；限定顶室和底室的第一双极板，所述阳极集流体和标准阳极设置在顶室中，所述底室形成所述板结构并在底室中设置所述肋状阴极和所述柔顺的导电组件的所述第二和第三部件；和位于所述平坦阳极和所述端板之间并限定了腔室的第二双极板，所述腔室面对所述端板并且其中设置了所述阳极集流体和泡沫阳极。
55.根据权利要求54的燃料电池组件，其中所述装置设置在所述燃料电池堆的负极端，其中所述标准阳极设置在所述第一双极板的顶室中的所述另一阳极集流体和在所述负极端的燃料电池堆中的最后一个燃料电池之间。
56.根据权利要求49的燃料电池组件，其中所述装置进一步包括限定顶室和底室的双极板，所述阳极集流体设置在顶室中，所述底室限定所述板结构并在底室中设置所述肋状阴极和所述柔顺的导电组件的所述第二和第三部件；伴随所述平坦阴极的另一泡沫阳极和面对所述另一泡沫阳极的另一阳极集流体；伴随所述另一阳极集流体的阴极集流体和面对所述阴极集流体的标准阴极；限定顶室和底室的第二双极板，所述另一阳极集流体设置在顶室中，所述阴极集流体设置在底室中。
57.根据权利要求56的燃料电池组件，其中所述端板在所述燃料电池堆的正极端，其中所述标准阴极适于设置在所述阴极集流体和在所述电池堆正极端的燃料电池堆中的第一燃料电池之间。
58.根据权利要求57的燃料电池组件，其中氧化气体流过在所述平坦阴极和所述肋状阴极之间形成的通道，其中还原气体通过另一通道垂直于所述氧化气体流流动，所述装置进一步包括沿所述泡沫阳极和平行于还原气体流方向的另一泡沫阳极每一个的相对侧设置的基体条；沿平行于氧化气体流方向的所述平坦阴极的相对侧设置的基体条；和将所述平坦阴极与所述另一泡沫阳极隔开的金属片。
59.根据权利要求58的燃料电池组件，其中所述装置进一步包括分别在所述双极板的底室中的所述柔顺的导电组件的所述第二和第三部件下面设置的薄垫片。
全文摘要
本发明提供一种用于在碳酸盐燃料电池中存储电解质的组件。在各组件中柔顺并由有弹性的阴极集流体与包括泡沫阳极的非活性阳极部件的组合减少了在燃料电池堆工作过程中的电接触损失。此外，设置在正极端组件中的电极储液器和在负极端组件中的电极液槽，肋状和平坦阴极构件通过电极储液器和电极液槽防止了在燃料电池堆中的电解质迁移。
文档编号H01M8/00GK1720634SQ03825723
公开日2006年1月11日 申请日期2003年9月29日 优先权日2002年12月24日
发明者喻肇宜, 霍哈迈德·法鲁克, 理查德·约翰森 申请人:燃料电池能有限公司