阳极基底层比阴极基底层厚的液体电解质燃料电池

摘要

一种燃料电池(8a)，其具有用于容纳磷酸(或其它液体)电解质的基体(11)，该基体具有在一侧的阳极催化剂(12)和在另一侧的阴极催化剂(13)。该电池包括与该阳极催化剂接触的阳极基底(16a)和与该阴极催化剂接触的阴极基底(17a)，所述阳极基底厚于所述阴极基底，比值在1.75比1.0和3.0比1.0之间。无孔疏水的隔板组件(19)提供燃料流动通道(20)和氧化剂流动通道(21)并且分开燃料电池。

说明书

技术领域

邻接阳极催化剂的液体电解质燃料电池基底层(有时称作气体扩散层，或GDL)的厚度是邻接阴极催化剂的基底的厚度的三或四倍，以适应储存于该燃料电池阳极侧的酸的优势。

背景技术

有两种方法为磷酸燃料电池提供酸，以补充由于蒸发到反应物流中而随时间造成的酸损耗。已知的酸添加方法中，液体或蒸气形式的酸被持续地或周期性地加入电池中。这些方法复杂而且昂贵。更为优选的方法是被动法，其中满足寿命要求的足够的酸在电池的初始组装期间被装入电池中的多孔部件。

有很多不同的磷酸燃料电池设计。美国专利4,374,906示出了一种具有肋状阳极和阴极基底的电池。’906的电池具有高的酸总量和良好的电解质管理特性；但是由于高含量的昂贵碳纤维和大量的必须进行热处理的碳-碳复合材料，这种电池制造起来是昂贵的。美国专利5,558,955示出了一种电池，其具有肋状的电解质储存板作为阳极流场以及无孔疏水的阴极流场。’955的电池也具有高的酸总量和良好的电解质管理特性；但是由于大量的必须进行热处理的碳-碳复合材料，这种电池制造起来仍然是昂贵的。由于其吸收相当大量的酸且从而降低燃料电池的寿命，石墨流场是不可接受的。

WO2006/071232公开了一种电池，其具有无孔的阳极和阴极流场，且所有的酸都必须储存在亲水的电极基底中。因为碳纤维含量被最小化并且必须进行热处理的材料量也大幅降低，这种电池代表了一种成本较为低廉的设计。而且，由于两个流场都是无孔的，孔隙率(porosity)就不需要作为一个因素。’232的电池具有较差的电解质管理特性，这是此处要解决的问题。

可以用作磷酸替代物的质子导电的液体电解质是已知的。美国专利号5,344,722公开了一种电解质，其是磷酸和氟化物的混合物或者是磷酸和硅氧烷的混合物。美国公开号2006/0027789公开了一种质子导电的液体电解质，其中阴离子是氟硼酸盐或氟代杂硼酸盐(fluoroheteroborate)。

传统的磷酸燃料电池发电装置通常包括燃料电池8的堆7，如图1所示，燃料电池的温度通过经过冷却板9的冷却剂来控制，该冷却板插在具有5到10个燃料电池的组之间。参考图2，每个燃料电池8包括一侧具有阳极催化剂12且另一侧具有阴极催化剂13的酸保持基体(acid retaining matrix)11。催化剂分别由多孔阳极基底16和多孔阴极基底17支撑。多孔阳极基底16和多孔阴极基底17是亲水性的，如现有技术已知的。燃料电池(末端处或邻接冷却板处除外)共用无孔疏水的隔板组件19，该隔板组件包括邻接阳极基底16的燃料通道20和邻接阴极基底17的空气(或其它氧化剂)通道21。通道20、21中的反应气体通过相应的基底16、17进行扩散；从而称为气体扩散层(GDL)。邻接于冷却板9，燃料流动通道20可形成在其中不具有空气流动通道的燃料流场板23中；阴极侧也是类似的。

术语“无孔”和“疏水”，这里关于隔板19使用，其含义是隔板19足够无孔和疏水以使得基本上没有液体电解质穿透隔板。

如图2所示，传统的磷酸燃料电池具有邻接阳极催化剂12的基底16，基底16基本上与邻接阴极催化剂13的基底17厚度相同。

燃料电池运行所需要的酸必须能够在电池的整个寿命期间维持燃料电池，该酸理想地是在制造时密封于燃料电池中。制造时填充的初始酸大约占两个基底中空隙容积的35％到45％。磷酸燃料电池的寿命取决于足够的酸，使得基底中的密封(seal)和基体在运行期间基本上是满的，并且从而也取决于保持酸。如果隔板组件19是无孔和疏水的，燃料电池的寿命所需要的磷酸必须储存在多孔的阳极和阴极基底中。因为基底16、17代表冷却器9之间的主要热阻，所以希望基底尽可能地薄以使电池中冷却器之间的温度上升最小化，并且从而最大化燃料电池堆的功率密度，并且也降低成本。

任何造成磷酸的量超过多孔基底16、17的空隙容积的情况都导致酸从电池排出。也就是，酸将必然地流入一个或全部两个反应物流场通道20、21，并且最终流入歧管和其它反应气体管道。这减少了可用酸的量，因此缩短了燃料电池的寿命，也损坏元件，而损坏元件可能降低性能和/或进一步缩短电池的寿命。

如已知的，纯磷酸(也就是，100wt％的磷酸)在40℃(大约100°F)高的温度时就凝固或结晶。电解质的结晶或凝固造成燃料电池堆性能的衰减。另一方面，当稀释到大约70wt％时，酸在大约-30℃(大约-20°F)将保持液态。因此，当运输新制造的磷酸燃料电池时，通过将磷酸从接近100wt％稀释到大约70wt％来对它们进行调节，以防止运输期间电解质凝固。

发明内容

这里的改进以与磷酸燃料电池中磷酸的移动和配置(disposition)相关的发现为基础。尽管已知由于基体中的电场对磷酸二氢盐离子的影响，磷酸燃料电池中的磷酸是电化学地从阴极泵至阳极的，但是，曾经认为，由于维持动态平衡的毛细力的影响，一些泵至阳极的酸将流回阴极。也曾经认为，阳极基底的酸填充水平仅是阴极基底酸填充水平的大约两倍。

现在已经认识到，阳极和阴极催化剂层的渗透性比以前认为的低得多。这导致当电池运行时，阳极基底的酸填充水平是阴极基底的酸填充水平的四到五倍。也已经认识到，酸分布的不均衡可能在燃料电池堆关闭后存在几个到几百个小时。

为了使反应气体通过基底扩散到电极，酸填充水平不应远高于大约66％。可用孔的任何进一步减少都会导致造成不可接受的性能降低的扩散损耗。也已经发现，如果阳极的酸填充水平不超过阳极基底的空隙容积，电解质就不能够被调节至约70wt％，而超过就导致酸排出至反应气体系统。事实上，传统的具有40％的平均初始填充的磷酸燃料电池在稀释至运输浓度时将导致阳极基底的119％的酸填充。这当然导致酸的排出和相应的燃料电池系统的缩短的寿命。

为了克服采用质子导电液体电解质(例如磷酸)且具有无孔疏水的反应物流场隔板组件的燃料电池的这些困难，阳极基底(GDL)的厚度显著地比阴极基底(GDL)厚，优选为至少1.75倍，且更为优选地是阴极基底(GDL)厚度的大约1.75倍到大约3倍之间。

如以下进一步描述的，作为示例，如果阳极基底是阴极基底厚度的两倍，且具有在运输浓度的空隙容积的93.6％的酸填充水平，那么在运行时它将具有大约55％的填充水平，这从燃料扩散和阳极性能的角度而言都是非常好的。

使用无孔疏水流场的质子导电液体电解质燃料电池的酸管理特性得以提高，同时并未改变阳极加上阴极扩散层(GDL)的组合厚度以及成本。燃料电池的性能和寿命也得以提高，而没有损害燃料电池的功率密度或者热特性。

其它改进、特征以及优点将根据下面的附图所说明的其示例性实施例的详细描述而变得更为明显。

附图说明

图1是现有技术中已知的磷酸燃料电池堆的简化的示意图。

图2是现有技术中已知的磷酸电池堆中的一对燃料电池和冷却板的不完整的、简化的侧视图，没有按比例绘制，为了清晰起见省去了分区线。

图3是磷酸燃料电池堆中的一对燃料电池和冷却板的不完整的、简化的侧视图，没有按比例绘制，为了清晰起见省去了分区线。

图4是说明磷酸基底的示例性估计特征的表格。

具体实施方式

参考图3，磷酸燃料电池8a被配置成采用质子导电的液体电解质，例如：磷酸；或者磷酸与氟化物或硅氧烷的混合物；或者阴离子是氟硼酸盐或氟代杂硼酸盐的液体。燃料电池8a包括邻接阳极催化剂12的基底16a(GDL)，其厚度是邻接阴极催化剂13的基底17a的大约1.75到大约3倍之间。尽管图3没有按比例绘制，描绘的阳极基底基本是描绘的阴极基底的3倍。隔板组件19优选地以与WO2006/071232中公开的类似的方式进行配置，该文献在此引入以供参考。

图4说明了对于阳极GDL厚度与阴极GDL厚度的不同比值，当通过稀释将燃料电池调节至70wt％浓度以及在基本100wt％浓度(如运行中的情况)时，作为空隙容积的百分比的酸填充。图4的表说明即使在仅仅1.5比1.0的厚度比时，因为超过了基底的空隙容积，所以稀释的填充仍然是不可接受地高。但是，此处的观点即使在比值接近1时仍然提供了一些益处；也就是，阳极GDL显著地厚于阴极GDL将提供一些优势，并且要好于1.0比1.0的厚度比。但是在阳极GDL厚度与阴极GDL厚度的比值在大约2.0以及更高时，因为其小于基底的空隙容积，所以稀释的填充是可接受的，并且阳极的性能超过必要的性能一个可接受的裕度(margin)。对于更高的值，例如，2.5比1.0以及3.0比1.0，稀释的填充水平是更为可接受的，并且阳极的性能具有足够的裕度使得额外的酸可被添加至电池以延长其寿命。

这样，在不增加由于每个电池中电极基底厚度引起的每个电池的总厚度的情况下，能够使作为多孔基底空隙百分比的稀释的电解质填充以及改进的阳极性能的裕度都非常可接受。

根据图4的数据，能够意识到，在阳极基底厚度与阴极基底厚度的比值在1.75比1.0和3.0比1.0之间的情况下，能够获得很多益处。