專利名稱：用于將電解質(zhì)加入到燃料電池中的設(shè)備和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電化學(xué)(electrochemical)燃料電池以及其使用方法。更具體地說(shuō)，本發(fā)明涉及用于將諸如熔融碳酸鹽(molten carbonate)電解質(zhì)之類的電解質(zhì)添加到燃料電池中的方法和設(shè)備。
本申請(qǐng)要求2003年4月14日提交的題為“Method and Apparatus forAddition of Molten Carbonate Electrolyte to an Operating Molten Carbonate FuelCell”的美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)No.60/462,645的權(quán)益，為了所有目的而通過(guò)引用將整個(gè)公開合并于此。
背景技術(shù)：
燃料電池是生成直流電(direct electric current)和熱能的電化學(xué)裝置。燃料電池堆(stack)包括以串聯(lián)關(guān)系堆疊的多個(gè)燃料電池，以便獲得更高的可用電壓輸出容量。
通常根據(jù)所使用的電解質(zhì)類型來(lái)區(qū)別燃料電池。例如，熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)可使用碳酸鋰和碳酸鉀的混合物作為電解質(zhì)。磷酸燃料電池(PAFC)可使用磷酸溶液(solution)作為電解質(zhì)。聚合物(polymer)電解質(zhì)燃料電池(PEFC)可使用諸如Dupont de Numers公司的產(chǎn)品Nafion之類的聚合物作為電解質(zhì)。固體氧化物(solid oxide)燃料電池(SOFC)可使用氧化釔穩(wěn)定(yittria-stablized)的氧化鋯作為電解質(zhì)。
對(duì)于利用液相(liquid phase)電解質(zhì)的燃料電池，電解質(zhì)儲(chǔ)量耗盡到使燃料電池電極的孔隙量(pore volume)部分地飽和所需要的液面(level)之下可導(dǎo)致燃料電池的催化作用減小和電化學(xué)性能降低。本領(lǐng)域需要一種設(shè)備來(lái)補(bǔ)充燃料電池電解質(zhì)，更具體地，本領(lǐng)域需要一種設(shè)備來(lái)在操作燃料電池或燃料電池堆時(shí)補(bǔ)充液相燃料電池電解質(zhì)。
本發(fā)明的一個(gè)目的是提供補(bǔ)充燃料電池的電解質(zhì)和/或諸如燃料電池堆中的多個(gè)燃料電池的電解質(zhì)的設(shè)備和方法。某些例子或?qū)嵤├木唧w目的是提供在操作燃料電池期間補(bǔ)充一個(gè)燃料電池或燃料電池堆中的多個(gè)燃料電池的電解質(zhì)的設(shè)備和方法。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的第一方面，公開一種電解質(zhì)輸送設(shè)備。該電解質(zhì)輸送設(shè)備配置為向例如工作中的燃料電池的燃料電池、或者例如燃料電池堆中的燃料電池提供電解質(zhì)。該電解質(zhì)輸送設(shè)備至少包括電解質(zhì)貯藏器(reservoir)、從電解質(zhì)貯藏器接收電解質(zhì)的流體管道(fluid conduit)、加熱裝置和壓力生成器。電解質(zhì)貯藏器和流體管道被配置為向燃料電池或者燃料電池堆提供電解質(zhì)。加熱裝置與電解質(zhì)貯藏器和/或流體管道中的至少一部分熱連通，并可操作地在電解質(zhì)貯藏器和/或流體管道中增加電解質(zhì)的流動(dòng)性，或者在固體電解質(zhì)的情況下液化電解質(zhì)。壓力生成器可操作地迫使流體離開電解質(zhì)貯藏器并進(jìn)入流體管道，以便輸送到燃料電池或者燃料電池堆。這里公開的電解質(zhì)輸送設(shè)備具有包括半連續(xù)地或者連續(xù)地向諸如非工作中的或者工作中的燃料電池的單個(gè)燃料電池或者燃料電池堆供應(yīng)電解質(zhì)的優(yōu)點(diǎn)。這樣半連續(xù)地或者連續(xù)地供應(yīng)電解質(zhì)可以提高燃料電池或者燃料電池堆的效率。
根據(jù)另一方面，公開了一種燃料電池組件。該燃料電池組件包括燃料電池、電解質(zhì)貯藏器、流體管道、以及加熱裝置。該燃料電池組件的燃料電池包括陰極電極、陽(yáng)極電極以及陰極電極和陽(yáng)極電極之間的電解質(zhì)容器(matrix)。該電解質(zhì)貯藏器與在電解質(zhì)貯藏器和燃料電池之間提供流體連通的流體管道流體連通，以便向燃料電池輸送電解質(zhì)。該電解質(zhì)貯藏器包括一種或多種電解質(zhì)，例如一種或多種固體或液體電解質(zhì)，且優(yōu)選地，與燃料電池的陰極和陽(yáng)極之間的電解質(zhì)相同的電解質(zhì)。加熱裝置與電解質(zhì)貯藏器和/或流體管道熱連通，以便加熱流體管道和/或電解質(zhì)貯藏器中的電解質(zhì)，并且該加熱裝置可操作地增加電解質(zhì)的流動(dòng)性，或者提供液體電解質(zhì)，以便向燃料電池輸送。燃料電池組件還可以包括壓力生成器，該壓力生成器配置為迫使流體從電解質(zhì)貯藏器流出并通過(guò)流體管道流入燃料電池。
根據(jù)又一方面，公開了一種向燃料電池供應(yīng)電解質(zhì)的方法。該方法包括通過(guò)提供包括電解質(zhì)的電解質(zhì)貯藏器，加熱電解質(zhì)貯藏器以增加至少部分電解質(zhì)的流動(dòng)性，以及將流體從電解質(zhì)貯藏器輸送到燃料電池，來(lái)替換從燃料電池中損耗的電解質(zhì)。電解質(zhì)貯藏器通過(guò)連接電解質(zhì)貯藏器和燃料電池的流體管道而與燃料電池流體連通。例如通過(guò)對(duì)電解質(zhì)貯藏器加壓而迫使流體從電解質(zhì)貯藏器流出并通過(guò)流體管道而進(jìn)入燃料電池，可以使來(lái)自電解質(zhì)貯藏器的流體輸送到燃料電池。下面將論述用于將電解質(zhì)從電解質(zhì)貯藏器輸送到燃料電池的其它示范的合適方法。
受益于這個(gè)公開，本領(lǐng)域的一般技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到，該電解質(zhì)輸送設(shè)備、燃料電池組件和使用它們的方法提供了許多優(yōu)點(diǎn)，包括但不限于，維持工作中的燃料電池或者燃料電池堆中電解質(zhì)的基本恒定供應(yīng)，以便提供更有效的燃料電池和燃料電池堆。


下面將結(jié)合附圖來(lái)描述特定說(shuō)明方面和例子，其中圖1是根據(jù)某些例子的又一個(gè)示例性的燃料電池組件的透視圖，該燃料電池組件包括燃料電池堆和包括壓力調(diào)整氣體(gas)的電解質(zhì)輸送設(shè)備；以及圖2是與燃料電池堆中的多個(gè)燃料電池物理上接觸并與其流體連通的多孔導(dǎo)管的圖。
受益于這個(gè)公開，本領(lǐng)域的一般技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到，這些圖及其部件不一定是按照比例繪制，并且，為了有助于更好地理解下面將詳細(xì)論述的本發(fā)明的示例方面和例子，圖中所示的某些部件也許相對(duì)于其它部件而夸大、變形或者放大。
具體實(shí)施例方式
該電解質(zhì)輸送設(shè)備、包括該電解質(zhì)輸送設(shè)備的燃料電池組件、以及使用該電解質(zhì)輸送設(shè)備的方法代表了重大的技術(shù)進(jìn)步。即使在燃料電池或燃料電池堆的工作期間，也可以使用這里公開的裝置來(lái)將電解質(zhì)液面實(shí)際上保持恒定。這樣的實(shí)際上恒定的電解質(zhì)液面提供以下的重要好處，包括例如燃料電池在高容量下工作，而沒(méi)有由電解質(zhì)損耗所引起的不期望的效率下降。
根據(jù)某些例子，公開了包括電解質(zhì)貯藏器和流體管道的電解質(zhì)輸送設(shè)備。電解質(zhì)貯藏器保存了包括電解質(zhì)的、用于通過(guò)流體管道輸送到與電解質(zhì)貯藏器流體連通的燃料電池的流體。在某些例子中，將被輸送的電解質(zhì)基本上具有與工作中的燃料電池所使用的電解質(zhì)相同的成分。
根據(jù)某些例子，電解質(zhì)輸送設(shè)備及其部件可以采取許多形狀、尺度等，這取決于與電解質(zhì)輸送設(shè)備流體連通的燃料電池的使用環(huán)境。在某些例子中，電解質(zhì)輸送設(shè)備的電解質(zhì)貯藏器是保存大約1L到大約5L的流體的適當(dāng)尺寸。根據(jù)某些例子，電解質(zhì)貯藏器安置為使得在貯藏器中存儲(chǔ)的電解質(zhì)液面在物理上低于流體管道在燃料電池堆的反應(yīng)物通道(reactant passageway)內(nèi)終止的點(diǎn)，從而在流體管道內(nèi)產(chǎn)生或者施加流體頭或貯槽(sump)，這防止在未啟動(dòng)壓力生成器時(shí)流入燃料電池。受益于這個(gè)公開，在本領(lǐng)域的一般技術(shù)人員將能夠選擇用于電解質(zhì)輸送設(shè)備及其部件的合適尺度和配置。
根據(jù)某些例子，在電解質(zhì)貯藏器和燃料電池之間提供流體連通的一個(gè)或多個(gè)流體管道具有合適的形狀和橫截面直徑，以便有效地將電解質(zhì)從電解質(zhì)貯藏器輸送到燃料電池。本領(lǐng)域的一般技術(shù)人員受益于這個(gè)公開將容易選擇流體管道的合適橫截面形狀，例如圓形。在某些其它例子中，流體管道通常是長(zhǎng)度為大約70cm到大約120cm的圓柱，且更優(yōu)選地為大約80cm到110cm。典型地，該流體管道是直的并且線性的，但是，在某些例子中，該流體管道可以是彎曲的、弧形的或者采取其它形式。在某些例子中，該流體管道的內(nèi)徑為大約0.005cm到大約0.10cm，且更優(yōu)選地為大約0.01cm到大約0.075cm。在某些例子中，該流體管道的外徑為大約0.01到大約0.15cm，且更優(yōu)選地為大約0.03cm到大約0.075cm。在某些例子中，流體管道具有足以插入到燃料電池或者燃料電池堆的反應(yīng)物通道內(nèi)的外徑或者形狀。流體管道管還可包括足以在已知的壓力和溫度下提供液體電解質(zhì)的已知的流動(dòng)速率的內(nèi)徑和長(zhǎng)度。在某些其它例子中，該流體管道穿過(guò)燃料電池或者燃料電池堆的外殼，和/或封裝燃料電池或燃料電池堆的絕熱層。用于流體管道的適當(dāng)材料包括，但不限于，不銹鋼、高溫陶器、以及其它可以輸送電解質(zhì)并承受例如大約650℃或更高的高溫的材料。在某些例子中，該流體管道包括流動(dòng)檢測(cè)器，以便指示流體是否在流過(guò)流體管道。
根據(jù)某些例子，電解質(zhì)輸送設(shè)備還包括加熱裝置。該加熱裝置與電解質(zhì)輸送設(shè)備的至少一部分熱連通，并可操作地增加在電解質(zhì)貯藏器和/或流體管道中的電解質(zhì)的流動(dòng)性，或者保持其流動(dòng)。在某些例子中，加熱裝置是例如熱電或電阻加熱器的加熱器、燃燒器、傳統(tǒng)烘爐(oven)、微波爐等。在某些例子中，沿著流體管道的外部表面從流體管道穿過(guò)燃料電池或燃料電池堆封裝的點(diǎn)到流體管道以流體方式耦接到電解質(zhì)貯藏器的點(diǎn)，提供例如電學(xué)電阻加熱器的第一加熱器。流體管道和/或電解質(zhì)貯藏器還可包括用于測(cè)量和控制流體管道和/或電解質(zhì)箱(chamber)的溫度的熱電耦和控制器。在一些例子中，給電解質(zhì)貯藏器提供有獨(dú)立于第一加熱器起作用的第二加熱器。第二加熱器可包括用于測(cè)量和控制電解質(zhì)貯藏器的溫度的熱電耦和控制器。受益于這個(gè)公開，本領(lǐng)域的一般技術(shù)人員將能夠選擇和配置這里所公開的電解質(zhì)輸送設(shè)備中使用的合適加熱裝置。
根據(jù)某些其它例子，可以將電解質(zhì)輸送設(shè)備安置在絕熱隔室(compartment)內(nèi)，該絕熱隔室可選地具有烘爐或其它加熱裝置以增加電解質(zhì)貯藏器中的電解質(zhì)的流動(dòng)性或使其保持流動(dòng)。在某些例子中，將整個(gè)電解質(zhì)輸送設(shè)備安置在絕熱隔室內(nèi)，而在其它例子中，僅將電解質(zhì)貯藏器或流體管道中的一個(gè)安置在絕熱隔室內(nèi)。在某些例子中，絕熱隔室還包括了燃料電池或燃料電池堆，而在其它例子中，將燃料電池或燃料電池堆安置在包含電解質(zhì)輸送設(shè)備的隔室的外部。
根據(jù)某些例子，電解質(zhì)輸送設(shè)備還包括可操作地迫使流體從電解質(zhì)貯藏器流出(或者在某些例子中將流體從電解質(zhì)貯藏器抽出)并進(jìn)入燃料電池的壓力生成器。該壓力生成器可以是可增加電解質(zhì)貯藏器中的壓力的任何合適裝置，其導(dǎo)致流體移動(dòng)出電解質(zhì)貯藏器并通過(guò)流體管道而進(jìn)入燃料電池。在某些例子中，該壓力生成器是氣體、機(jī)械活塞、或者壓力梯度生成器。在至少某些例子中，通過(guò)壓力調(diào)整氣體供應(yīng)源來(lái)迫使流體從電解質(zhì)貯藏器流出并進(jìn)入燃料電池。在對(duì)熔融碳酸鹽燃料電池使用壓力調(diào)整氣體的例子中，可以使用諸如二氧化碳的氣體在貯藏器內(nèi)生成高二氧化碳分壓(partial pressure)，以便避免熔融碳酸鹽電解質(zhì)的分解。
根據(jù)某些例子，可以用控制器來(lái)控制電解質(zhì)從電解質(zhì)輸送設(shè)備流入燃料電池的時(shí)間量和/或控制流動(dòng)速率。典型地，控制器包括微處理器、以及定時(shí)器或定時(shí)電路，其可以控制啟動(dòng)壓力生成器以迫使流體流出電解質(zhì)貯藏器的時(shí)間量。該控制器還可以包括存儲(chǔ)單元、合適的軟件算法、諸如溫度傳感器之類的合適傳感器等。本領(lǐng)域的一般技術(shù)人員將能夠選擇和設(shè)計(jì)這里公開的電解質(zhì)輸送設(shè)備使用的合適的控制器。
根據(jù)某些例子，將電解質(zhì)輸送設(shè)備配置為用于燃料電池或者燃料電池堆中的多個(gè)燃料電池。燃料電池是從例如諸如氫和氧之類的氣體的燃料源生成直流電和熱能的電化學(xué)裝置。燃料電池堆包括以串聯(lián)關(guān)系堆疊的多個(gè)燃料電池，例如平面的燃料電池，以便獲得更高的可用電壓輸出容量。燃料電池堆中的燃料電池包括分別施加到電解質(zhì)隔膜(membrane)的相對(duì)表面的陽(yáng)極電極和陰極電極、或者通稱為隔膜電極組件(MEA)的電解質(zhì)容器(matrix)。MEA可以與稱為雙極板(bipolar plate)也稱為隔板(separator plate)或者內(nèi)連(interconnect)的裝置結(jié)合，用作燃料電池堆的單個(gè)電池的外殼。燃料電池堆還可以通過(guò)集管(manifold)封裝，該集管將反應(yīng)物氣體導(dǎo)引到包括單個(gè)燃料電池的雙極板的外殼。所封裝的燃料電池堆還可以由用于容納燃料電池堆所生成的熱能或輸送到燃料電池堆的熱能的絕熱層來(lái)封裝。
不希望受限于任何特定科學(xué)原理，由于電解質(zhì)容器所提供的更小的孔隙尺寸，確信電解質(zhì)主要是由電解質(zhì)容器吸收，其次由電極吸收。就是說(shuō)，毛細(xì)管作用導(dǎo)致電解質(zhì)容器的細(xì)孔隙相對(duì)于電極更大的孔隙有優(yōu)先的飽和度。通常，在組裝的時(shí)候，向燃料電池提供充分的電解質(zhì)儲(chǔ)量，以便獲得電解質(zhì)容器和電極的期望飽和度。此外不希望受限于任何特定原理，確信在一時(shí)間段內(nèi)，電解質(zhì)儲(chǔ)量會(huì)通過(guò)以下方式原因而耗盡電解質(zhì)的蒸發(fā)損耗、電池硬件的腐蝕、電極的鋰化(lithiation)、電解質(zhì)在電池硬件表面上的普通膜漏泄(film creepage)、和/或通過(guò)電解質(zhì)從燃料電池堆的一個(gè)極到燃料電池堆的相對(duì)極的電壓驅(qū)動(dòng)式遷移。通常地，相對(duì)于數(shù)千小時(shí)的燃料電池堆工作，電解質(zhì)的耗盡發(fā)生緩慢。電解質(zhì)儲(chǔ)量耗盡到使電極的孔隙量部分地飽和所需要的液面之下，會(huì)導(dǎo)致燃料電池的催化作用減小和電化學(xué)性能降低。電解質(zhì)的量耗盡到使電解質(zhì)容器的孔隙量完全飽和所需要的液面之下，還可以導(dǎo)致反應(yīng)物氣體的物理混合、或者交叉。由于交叉通常會(huì)導(dǎo)致隨后在燃料電池內(nèi)的陽(yáng)極電極氧化、陰極電極還原、以及燃燒生成的熱點(diǎn)，所以交叉對(duì)燃料電池是有破壞性的。這樣的破壞將通?？缭饺剂想姵貍鞑?，并將導(dǎo)致燃料電池的過(guò)早失效。為了在商業(yè)上可行，燃料電池堆需要數(shù)千小時(shí)的高性能工作，并因此，需要連續(xù)地將燃料電池的電解質(zhì)儲(chǔ)量維持在致使電極部分飽和且電解質(zhì)容器完全飽和的那些液面上。在組裝時(shí)可以將過(guò)量的電解質(zhì)提供給燃料電池，如授予Farooque等的美國(guó)專利第5,773,161號(hào)中所描述，其中在將燃料電池堆的相鄰電池分開的雙極板的空隙空間內(nèi)提供容納多余的電解質(zhì)的貯藏器。然而，這個(gè)方法導(dǎo)致雙極板的復(fù)雜度和成本增加，還導(dǎo)致在用作雙極板內(nèi)的貯藏器的空隙空間內(nèi)的腐蝕速率增加。此外，在雙極板中提供的貯藏器是有限的，并會(huì)隨時(shí)間而耗盡電解質(zhì)。在授予Katz等的美國(guó)專利第4,596,748號(hào)中描述了向熔融碳酸鹽燃料電池堆添加電解質(zhì)的方法，其中將蒸發(fā)的電解質(zhì)“噴灑”到進(jìn)入燃料電池的反應(yīng)物入口氣體流中。該方法因電解質(zhì)沉積的不確定性而不利。在授予Maru等的美國(guó)專利第4,530,887號(hào)中描述了向熔融碳酸鹽燃料電池添加電解質(zhì)的方法，其中用電解質(zhì)使反應(yīng)物入口氣體流“飽和”。該方法也因電解質(zhì)沉積的不確定性而不利。已經(jīng)證明將電解質(zhì)從組裝時(shí)或者通過(guò)使反應(yīng)物氣體流飽和而創(chuàng)建的、除燃料電池內(nèi)的貯藏器之外的源物理補(bǔ)充到諸如熔融碳酸鹽燃料電池之類的燃料電池中是困難的。將電解質(zhì)物理補(bǔ)充到熔融碳酸鹽燃料電池的一個(gè)方法是暫時(shí)停止燃料電池的工作。然后，將燃料電池冷卻到環(huán)境溫度，暴露包含了反應(yīng)物通道的燃料電池的表面，并且將電解質(zhì)的凝固粒子的漿料(slurry)物理地注入到暴露的通道中。將燃料電池重新密封并重新加熱到燃料電池的融化溫度之上，以便融化所添加的電解質(zhì)，并將融化的電解質(zhì)吸收到燃料電池的多孔電極和電解質(zhì)容器中。上述過(guò)程要求使燃料電池離線且關(guān)斷，這對(duì)提供可用的電能和熱能的燃料電池來(lái)說(shuō)將降低可用性。相反，這里公開的電解質(zhì)輸送設(shè)備的例子可以用于在燃料電池或燃料電池堆工作期間補(bǔ)充電解質(zhì)，而不需要使燃料電池或燃料電池堆離線。
根據(jù)某些其它例子，可以在燃料電池的反應(yīng)物通道內(nèi)輸送電解質(zhì)，并且可以通過(guò)與反應(yīng)物氣體通道相關(guān)聯(lián)的電極的暴露孔隙來(lái)吸收電解質(zhì)。在某些例子中，電解質(zhì)流過(guò)流體管道的速率與電解質(zhì)耗盡速率匹配，使得當(dāng)燃料電池在工作時(shí)，電解質(zhì)的液面基本上恒定。根據(jù)其它例子，利用在包括MEA的部件的孔隙內(nèi)的毛細(xì)管作用而將電極所吸收的電解質(zhì)分布在整個(gè)MEA中。在與燃料電池堆一起使用電解質(zhì)輸送設(shè)備的至少某些例子中，電解質(zhì)還可以利用電壓驅(qū)動(dòng)式遷移通過(guò)膜漏泄，而分布在燃料電池堆的相鄰燃料電池中。在某些其它實(shí)施例中，電解質(zhì)還可以由電壓驅(qū)動(dòng)式遷移通過(guò)包括與燃料電池堆的每一個(gè)電池接觸的多孔元件的專用管道，而分布在燃料電池堆的相鄰燃料電池中。受益于這個(gè)公開，本領(lǐng)域的一般技術(shù)人員將能夠選擇和設(shè)計(jì)用于將電解質(zhì)輸送到燃料電池堆中的不同燃料電池中的合適裝置。
根據(jù)某些例子，燃料電池還可以用燃料電池工作時(shí)電解質(zhì)的物理狀態(tài)來(lái)表示。例如，聚合物交換燃料電池(PEFC)和固體氧化物燃料電池(SOFC)的電解質(zhì)在工作條件下通常被認(rèn)為是固體，而磷酸燃料電池(PAFC)和熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)的電解質(zhì)在工作條件下通常被認(rèn)為是液體。熔融碳酸鹽燃料電池還由于電解質(zhì)和燃料電池進(jìn)入工作條件時(shí)電解質(zhì)的相變而與其它類型的燃料電池區(qū)分開。熔融碳酸鹽燃料電池工作在大約650℃。諸如鋰/鉀電解質(zhì)之類的熔融碳酸鹽燃料電池的電解質(zhì)在環(huán)境溫度下為固態(tài)，而在工作溫度下轉(zhuǎn)換到液態(tài)。通常以諸如62mol(摩爾)％的鋰和38mol％的鉀、熔點(diǎn)為大約493℃的一種低共熔混合物(eutectic mixture)的形式提供鋰/鉀電解質(zhì)。鋰/鉀電解質(zhì)的非低共熔混合物(off-eutectic mixture)將具有不同于493℃的熔化溫度。熔融碳酸鹽燃料電池內(nèi)的電解質(zhì)的量被設(shè)計(jì)為使多孔電解質(zhì)容器的孔隙量完全飽和，以便實(shí)現(xiàn)熔融碳酸鹽燃料電池堆的任何給定電池內(nèi)陽(yáng)極和陰極反應(yīng)物氣體的分離?？梢蕴峁└郊拥碾娊赓|(zhì)以使陽(yáng)極和陰極電極的孔隙量部分地飽和，從而提高電極的催化作用。根據(jù)某些例子，且如上所述，可以對(duì)熔融碳酸鹽燃料電池使用電解質(zhì)輸送設(shè)備。在對(duì)熔融碳酸鹽燃料電池使用電解質(zhì)輸送設(shè)備的某些例子中，電解質(zhì)是容器中浸透的碳酸鋰、碳酸鈉和/或碳酸鉀的液體溶液，且陽(yáng)極電極和陰極電極分別包括諸如鎳、銅、鉑、鈀等的催化劑。該電解質(zhì)輸送設(shè)備可以用于將碳酸鋰、碳酸鈉和/或碳酸鉀的液體溶液輸送到熔融碳酸鹽燃料電池，以便補(bǔ)充損耗的電解質(zhì)。
根據(jù)某些例子，該電解質(zhì)輸送設(shè)備可以在燃料電池工作或不工作時(shí)將電解質(zhì)輸送到燃料電池中。在某些例子中，典型地通過(guò)燃料電池的反應(yīng)物通道，例如用于將反應(yīng)物氣體引入燃料電池的通道，來(lái)輸送電解質(zhì)。
根據(jù)某些其它例子，將燃料電池堆封裝在外殼內(nèi)，且燃料電池堆包括多個(gè)燃料電池，其中每一個(gè)燃料電池都具有反應(yīng)物通道。燃料電池堆的至少一個(gè)燃料電池的反應(yīng)物通道通過(guò)流體管道與電解質(zhì)貯藏器流體連通。如上所述，電解質(zhì)貯藏器包含電解質(zhì)儲(chǔ)備。在某些例子中，至少第一加熱裝置被合適安置，并可操作地加熱流體管道。在某些其它例子中，至少第二加熱裝置被合適安置，并可操作地加熱電解質(zhì)貯藏器。在某些例子中，例如，用諸如壓力調(diào)整氣體供應(yīng)源之類的壓力生成器來(lái)迫使電解質(zhì)貯藏器中的電解質(zhì)流出。在至少某些例子中，提供流動(dòng)檢測(cè)器，且其可操作地檢測(cè)用于迫使電解質(zhì)流出電解質(zhì)貯藏器進(jìn)入流體管道并進(jìn)入燃料電池堆的反應(yīng)物通道的壓力調(diào)整氣體的流動(dòng)。根據(jù)某些例子，流體管道在貯藏器中包含的電解質(zhì)液面之下以流體方式耦接到電解質(zhì)貯藏器。在一些例子中，燃料電池堆包括可操作地將電解質(zhì)分布到燃料電池堆的其它燃料電池中的多孔元件。這樣的多孔元件包括但不限于氧化鋁、氧化鋯等。受益于這個(gè)公開，本領(lǐng)域的一般技術(shù)人員將能夠選擇用于將電解質(zhì)分布到在燃料電池堆的多個(gè)燃料電池中的這些和其它多孔元件。
根據(jù)某些其它例子，燃料電池還可以包括至少封裝了燃料電池堆、至少部分流體管道、以及電解質(zhì)貯藏器的絕熱層。在某些例子中，將流體管道和電解質(zhì)貯藏器與燃料電池堆封裝通過(guò)電介質(zhì)隔離，以防止或阻止電流損耗。
根據(jù)某些例子，使用電解質(zhì)輸送設(shè)備來(lái)輸送并補(bǔ)充在燃料電池或者燃料電池堆中的電解質(zhì)。例如，一旦確定燃料電池堆的至少一個(gè)燃料電池已經(jīng)將其電解質(zhì)供應(yīng)耗盡到發(fā)生最佳催化作用的點(diǎn)之下、或者到發(fā)生通過(guò)電解質(zhì)容器的反應(yīng)物交叉的點(diǎn)之下、或者在任何其它確定為需要補(bǔ)充的耗盡點(diǎn)上，就可以啟動(dòng)該電解質(zhì)輸送設(shè)備，以便向燃料電池或燃料電池堆供應(yīng)電解質(zhì)。在至少某些例子中，一旦啟動(dòng)，就在輸送任何電解質(zhì)之前，使電解質(zhì)貯藏器排氣至環(huán)境壓力，并將其加熱到所選擇的工作溫度。受益于這個(gè)公開，可以用上述任何一種或多種加熱裝置、或者本領(lǐng)域的一般技術(shù)人員所容易選擇其它合適加熱裝置來(lái)加熱貯藏器。通常確切的加熱溫度將取決于要輸送到燃料電池中的電解質(zhì)。例如，在將電解質(zhì)輸送到熔融碳酸鹽燃料電池的情況中，工作溫度為大約650℃。
一旦達(dá)到貯藏器的工作溫度，就可以用加熱裝置將流體管道加熱到期望的工作溫度，其中該工作溫度典型地與電解質(zhì)貯藏器所使用的工作溫度相同。在達(dá)到流體管道的工作溫度之后，可以用壓力生成器給貯藏器加壓，以便迫使流體從貯藏器流出。在某些例子中，用氣體將貯藏器加壓到已知的壓力?？梢愿鶕?jù)已知的壓力、已知的流體管道內(nèi)徑、以及已知的系統(tǒng)工作溫度通過(guò)實(shí)驗(yàn)預(yù)先確定電解質(zhì)流動(dòng)的速率和量。在一些例子中，電解質(zhì)將持續(xù)流過(guò)流體管道，直到貯藏器為空。一旦電解質(zhì)停止流動(dòng)，可以通過(guò)打開貯藏器中的氣孔或者閥門使貯藏器排氣到環(huán)境壓力，而使貯藏器減壓。在至少某些例子中，可以啟動(dòng)例如氣體壓力定時(shí)器的定時(shí)器，來(lái)在貯藏器排氣之前的選定時(shí)間內(nèi)維持壓力。電解質(zhì)將繼續(xù)流動(dòng)，直到定時(shí)器停止，且控制器驅(qū)動(dòng)該控制加壓氣體的流動(dòng)的閥門、和/或通過(guò)打開閥門來(lái)使貯藏器排氣。另外，可以關(guān)斷加熱裝置，且可以允許貯藏器和流體管道內(nèi)的剩余電解質(zhì)冷卻。在某些例子中，用單個(gè)加熱裝置來(lái)加熱電解質(zhì)貯藏器和流體管道二者。
受益于這個(gè)公開，本領(lǐng)域的一般技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到，這里公開的設(shè)備和方法代表了重要的技術(shù)進(jìn)步?？梢越M裝魯棒(robust)的設(shè)備來(lái)間斷地、半連續(xù)地、或者連續(xù)地將電解質(zhì)添加到工作中的燃料電池，以便增加燃料電池的效率。下面的例子僅僅是說(shuō)明幾個(gè)可能配置和對(duì)這里公開的電解質(zhì)輸送設(shè)備的使用，不應(yīng)該將其解釋為限制所附權(quán)利要求的范圍。
例子1參考圖1，示出了燃料電池組件501的示意圖。例如熔融碳酸鹽燃料電池的燃料電池502具有外殼503和反應(yīng)物通道504，反應(yīng)物通道504通過(guò)第一流體管道507而以流體方式耦接到包含電解質(zhì)供應(yīng)506的電解質(zhì)貯藏器505。第一流體管道在電解質(zhì)供應(yīng)液面之下以流體方式耦接到貯藏器。優(yōu)選地，在接近電解質(zhì)貯藏器底部表面的位置或者在電解質(zhì)貯藏器的底部表面上耦接第一流體管道。第一流體管道可以是能夠以流體方式耦接貯藏器和反應(yīng)物通道、或者提供貯藏器和反應(yīng)物通道之間的流體連通的任何結(jié)構(gòu)或裝置，例如可以是管、圓柱、或者軟管。第一流體管道優(yōu)選地具有例如從大約0.013cm(.005英寸)到大約.05cm(.020英寸)范圍的內(nèi)徑、以及從大約0.038cm(.015英寸)到大約0.076cm(.030英寸)范圍的外徑。電解質(zhì)貯藏器505配備有第一加熱器508和熱電耦509。第一流體管道507配備有第二加熱器510和熱電耦511。由絕熱512封裝電解質(zhì)貯藏器505、以及第一流體管道507從外殼503延伸向電解質(zhì)貯藏器505的部分。如這里理解的，第一和第二加熱器可以是外部安裝的電阻加熱器，或者本領(lǐng)域的一般技術(shù)人員受益于這個(gè)公開而認(rèn)為適合于其特定目的的任何其它加熱器或者加熱裝置。電解質(zhì)貯藏器505還配備有以流體方式耦接到壓力調(diào)整器514、流動(dòng)檢測(cè)器515、閥門516、以及加壓氣體供應(yīng)源520的第二流體管道513。電解質(zhì)貯藏器505相對(duì)于反應(yīng)物通道504的抬升(elevation)519，以在加壓氣體供應(yīng)源520所提供的原動(dòng)力不存在時(shí)防止電解質(zhì)506從貯藏器505外流到反應(yīng)物通道504方式，產(chǎn)生了貯槽或者壓力頭?？刂破?17控制對(duì)閥門516以及第一和第二加熱器508、510的驅(qū)動(dòng)?？刂破?17可以被編程為啟動(dòng)閥門516、第一和第二加熱器508、510、以及定時(shí)器518。
在圖1所示的示范裝置的工作期間，通過(guò)打開閥門516的控制器517來(lái)把電解質(zhì)貯藏器505排氣到環(huán)境壓力。由控制器517和加熱器508將電解質(zhì)貯藏器505加熱到包含在電解質(zhì)貯藏器內(nèi)的電解質(zhì)506的熔點(diǎn)即電解質(zhì)貯藏器的工作溫度之上。一旦達(dá)到電解質(zhì)貯藏器的工作溫度，由控制器517和第二加熱器510將第一流體管道507加熱到包含在電解質(zhì)貯藏器505內(nèi)的電解質(zhì)506的熔點(diǎn)即第一流體管道工作溫度之上。一旦達(dá)到第一流體管道工作溫度，由控制器517和氣體壓力調(diào)節(jié)器514用諸如二氧化碳的氣體520將電解質(zhì)貯藏器505加壓到已知的壓力。啟動(dòng)氣體壓力定時(shí)器518。在對(duì)電解質(zhì)貯藏器505加壓時(shí)，液體電解質(zhì)506將開始從電解質(zhì)貯藏器505流過(guò)第一流體管道507，并進(jìn)入到燃料電池502的反應(yīng)物通道504。液體電解質(zhì)506將繼續(xù)以由氣體520的壓力和第一流體管道507的內(nèi)徑所確定的速率流過(guò)第一流體管道507，直到貯藏器505為空或者直到控制器518檢測(cè)到定時(shí)器518已經(jīng)超時(shí)了，此時(shí)控制器518使氣體壓力調(diào)節(jié)器514停止工作，以停止對(duì)電解質(zhì)貯藏器505的加壓。在電解質(zhì)506流動(dòng)直到電解質(zhì)貯藏器505為空的情況下，氣體流動(dòng)檢測(cè)器505將檢測(cè)升高的氣體流動(dòng)速率，且控制器518將使氣體壓力調(diào)節(jié)器514停止工作，以停止對(duì)電解質(zhì)貯藏器505的加壓。電極的暴露孔隙可以吸收在反應(yīng)物氣體通道504內(nèi)沉淀的液體電解質(zhì)506。通過(guò)第一流體管道507的電解質(zhì)流動(dòng)速率可以與電極的電解質(zhì)耗盡速率匹配，以便避免在反應(yīng)物通道內(nèi)沉淀過(guò)多量的電解質(zhì)。受益于這個(gè)公開，本領(lǐng)域的一般技術(shù)人員將能夠確定用于其特定目的的合適速率。該電解質(zhì)貯藏器505還可以具有補(bǔ)充管521，當(dāng)電解質(zhì)貯藏器505需要補(bǔ)充電解質(zhì)506時(shí)，可以通過(guò)該補(bǔ)充管521將電解質(zhì)漿料注入電解質(zhì)貯藏器505中?？梢越o該補(bǔ)充管蓋上帽子。在補(bǔ)充時(shí)，給加熱器508加電，以便提高電解質(zhì)貯藏器505和補(bǔ)充的電解質(zhì)506的溫度，以便餾出漿料溶劑。例如，漿料溶劑可以是已知的充當(dāng)電解質(zhì)漿料溶劑的諸如酒精或甘油之類的任何溶劑。受益于這個(gè)公開，本領(lǐng)域的一般技術(shù)人員將容易選擇用于餾出漿料溶劑的合適溫度，并且，通常地，所使用的溫度取決于漿料溶劑的特性和屬性。
在示范配置中，內(nèi)徑為大約0.025cm(.010英寸)、長(zhǎng)度為大約91.4cm(36.0英寸)的流體管道給熔融碳酸鹽燃料電池提供了大約2.0克每分鐘的電解質(zhì)流動(dòng)速度，其中該熔融碳酸鹽燃料電池在大約650℃的設(shè)備溫度、高于環(huán)境大氣壓力大約25.4cm(10.0英寸)水柱和大約305cm(120.0英寸)水柱的設(shè)備壓力下工作。
例子2在另一個(gè)例子中，如圖2所示，還可以通過(guò)膜漏泄或者包括與燃料電池堆的每個(gè)燃料電池522a、522b、522c接觸的多孔元件的專用管道523，利用電壓驅(qū)動(dòng)式遷移，使電解質(zhì)分布在燃料電池堆502的相鄰燃料電池522a、522b、以及522c中?？梢赃x擇專用管道523的尺寸以提供與燃料電池堆502的所有電池的電解質(zhì)的損耗速率匹配的電解質(zhì)506的特定流動(dòng)速率，使得以與電解質(zhì)的耗盡速率相等的速率來(lái)給燃料電池堆502的所有電池補(bǔ)充電解質(zhì)。專用管道523可包括在包括不導(dǎo)電的高純度氧化鋯、氧化鋁、或者其它諸如陶瓷之類的已知不導(dǎo)電并在有諸如熔融碳酸鹽電解質(zhì)之類的電解質(zhì)的情況下為惰性的物質(zhì)的顆粒(particle)或纖維(fiber)中內(nèi)形成的孔隙。受益于這個(gè)公開，本領(lǐng)域的技術(shù)人員將能夠選擇用于包括在燃料電池堆中的合適de多孔元件。
盡管上面描述了許多說(shuō)明性方面和例子，但是，受益于這個(gè)公開，本領(lǐng)域的一般技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到，可能有上述示例方面和例子的變更、替換和修改。受益于這個(gè)公開，本領(lǐng)域的一般技術(shù)人員還將認(rèn)識(shí)到，可以添加一個(gè)例子的某些元件，或者將其與其它例子的某些元件交換。期望這樣的變更、替換、修改和添加落入所附權(quán)利要求的精神和范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種電解質(zhì)輸送設(shè)備，包括電解質(zhì)貯藏器，其包括電解質(zhì)；流體管道，其與電解質(zhì)貯藏器流體連通，該流體管道配置為接收來(lái)自電解質(zhì)貯藏器的電解質(zhì)；加熱裝置，其與電解質(zhì)貯藏器和流體管道熱連通，該加熱裝置可操作地增加電解質(zhì)貯藏器中的至少部分電解質(zhì)的流動(dòng)性；以及壓力生成器，其可操作地迫使電解質(zhì)從電解質(zhì)貯藏器流出并流入流體管道。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的電解質(zhì)輸送設(shè)備，其中加熱裝置是電阻加熱器。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的電解質(zhì)輸送設(shè)備，其中壓力生成器是壓力調(diào)節(jié)氣體。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的電解質(zhì)輸送設(shè)備，其中流體管道包括不銹鋼管。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的電解質(zhì)輸送設(shè)備，還包括用于使電解質(zhì)貯藏器排氣的排氣孔。
6.一種燃料電池組件，包括燃料電池，其包括陰極電極、陽(yáng)極電極以及陰極電極和陽(yáng)極電極之間的電解質(zhì)容器；電解質(zhì)貯藏器，其包括電解質(zhì)；流體管道，其配置為在燃料電池和電解質(zhì)貯藏器之間提供流體連通；以及加熱裝置，其與電解質(zhì)貯藏器熱連通，并有效地增加要輸送到燃料電池的電解質(zhì)的流動(dòng)性。
7.根據(jù)權(quán)利要求6的燃料電池組件，還包括壓力生成器，配置為迫使液體電解質(zhì)從電解質(zhì)貯藏器流出，并通過(guò)流體管道流入燃料電池。
8.根據(jù)權(quán)利要求6的燃料電池組件，其中燃料電池是熔融碳酸鹽燃料電池。
9.根據(jù)權(quán)利要求6的燃料電池組件，其中陰極和陽(yáng)極每個(gè)都包括鎳催化劑。
10.根據(jù)權(quán)利要求6的燃料電池組件，其中加熱裝置與電解質(zhì)貯藏器和流體管道二者都熱連通。
11.根據(jù)權(quán)利要求6的燃料電池組件，其中燃料電池是燃料電池堆。
12.根據(jù)權(quán)利要求6的燃料電池組件，還包括第二流體管道，配置為補(bǔ)充電解質(zhì)貯藏器中的電解質(zhì)。
13.一種熔融碳酸鹽燃料電池組件，包括熔融碳酸鹽燃料電池，其包括陰極電極、陽(yáng)極電極以及陰極電極和陽(yáng)極電極之間的熔融碳酸鹽電解質(zhì)容器；電解質(zhì)貯藏器，其包括熔融碳酸鹽電解質(zhì)；流體管道，其配置為在熔融碳酸鹽燃料電池和電解質(zhì)貯藏器之間提供流體連通；加熱裝置，其可操作地加熱電解質(zhì)貯藏器中的熔融碳酸鹽電解質(zhì)；以及壓力生成器，其包括加壓氣體，該加壓氣體可操作地迫使加熱的熔融碳酸鹽電解質(zhì)從電解質(zhì)貯藏器流出。
14.根據(jù)權(quán)利要求13的熔融碳酸鹽燃料電池組件，還包括與電解質(zhì)貯藏器熱連通的熱電耦。
15.根據(jù)權(quán)利要求13的熔融碳酸鹽燃料電池組件，還包括流動(dòng)檢測(cè)器，其可操作地檢測(cè)加壓氣體的流動(dòng)。
16.根據(jù)權(quán)利要求13的熔融碳酸鹽燃料電池組件，還包括補(bǔ)充管，用于將附加的電解質(zhì)添加到電解質(zhì)貯藏器中。
17.根據(jù)權(quán)利要求13的熔融碳酸鹽燃料電池組件，還包括控制器，配置為啟動(dòng)壓力生成器。
18.根據(jù)權(quán)利要求13的熔融碳酸鹽燃料電池組件，還包括定時(shí)器，配置為在一定時(shí)間段之后使壓力生成器停止工作。
19.一種向燃料電池供應(yīng)電解質(zhì)的方法，該方法包括提供包括電解質(zhì)的電解質(zhì)貯藏器，其中電解質(zhì)貯藏器通過(guò)流體管道而與燃料電池流體連通；加熱電解質(zhì)貯藏器以增加電解質(zhì)貯藏器中至少部分電解質(zhì)的流動(dòng)性；以及通過(guò)流體管道將電解質(zhì)從電解質(zhì)貯藏器輸送到燃料電池。
20.根據(jù)權(quán)利要求19的方法，其中將電解質(zhì)輸送到工作中的燃料電池。
21.根據(jù)權(quán)利要求19的方法，其中燃料電池是熔融碳酸鹽燃料電池。
全文摘要
提供了一種電解質(zhì)輸送設(shè)備，其包括電解質(zhì)貯藏器(505)、加熱裝置(508)以及壓力生成器(514)。該電解質(zhì)輸送設(shè)備配置為將電解質(zhì)供應(yīng)到諸如熔融碳酸鹽燃料電池之類的燃料電池或者燃料電池堆，并且在某些例子中，將電解質(zhì)供應(yīng)到工作中的燃料電池或燃料電池堆。還提供了一種包括電解質(zhì)輸送設(shè)備的燃料電池組件和使用該電解質(zhì)輸送設(shè)備的方法。
文檔編號(hào)H01M8/14GK1791998SQ200480013877
公開日2006年6月21日 申請(qǐng)日期2004年3月25日 優(yōu)先權(quán)日2003年4月14日
發(fā)明者杰弗里·P·艾倫 申請(qǐng)人:吉恩塞爾公司