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CN1299381C - 用于液体电解质燃料电池的超光滑电介质部件 - Google Patents

用于液体电解质燃料电池的超光滑电介质部件 Download PDF

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CN1299381C CNB018205690A CN01820569A CN1299381C CN 1299381 C CN1299381 C CN 1299381C CN B018205690 A CNB018205690 A CN B018205690A CN 01820569 A CN01820569 A CN 01820569A CN 1299381 C CN1299381 C CN 1299381C
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Abstract

通过使得电介质部件(2)具有10Ra或更小的表面粗糙度来实现具有低电解漏电特型的电解质部件(2)。

Description

用于液体电解质燃料电池的超光滑电介质部件
技术领域
本发明涉及电介质部件，尤其涉及在液体电解质燃料电池中用于电绝缘的电介质部件。
背景技术
在使用外部歧管用于供应气体和放电的碳酸盐(液体电解质)燃料电池叠层当中，通过以相框形式存在的陶瓷电介质部件将这些歧管从燃料电池叠层中分开。这描述在美国专利4414294中，其中陶瓷电介质框架用于电绝缘和密封反应气体密封。
当碳酸盐燃料叠层用在发电站时，穿过碳酸盐燃料叠层的电压正常的是在100到1000伏之间，这取决于叠层中的电池数和叠层的电结构。该陶瓷电介质框架本身能够提供上千伏的电绝缘。然而，在燃料电池操作期间，在燃料电池叠层中的液体电解质倾向于靠近电介质框架的表面。对于熔解碳酸盐燃料电池来说该电解质是碱性碳酸盐。在该操作温度上，碳酸盐是液体。一旦电解质接触到框架，连续的导电液体电解质薄膜层形成在框架表面上。因此，框架的电介质特性降低了。
这损害了燃料电池叠层的完整性。由此，需要寻找一种技术用来防止或降低电解质漏电。一种提出的技术是在电解质框架和叠层之间设置多孔的密封垫。该密封垫增强了气体密封性，并且阻止电解质从叠层中流出。这种类型的密封垫描述在美国专利5100692中。
‘692专利中描述的密封垫提供一种阻止电解质沿着陶瓷电介质框架表面漏电的方法。其它用来降低电解质漏电的技术仍然在探索中。
因此，本发明的目的是提供一种电介质部件，当该部件用在燃料电池叠层中时，能使燃料电池电解质表现出低的表面漏电性。
本发明的另一个目的是提供一种电介质部件，其中简单的并且低成本的实现燃料电池电解质的低漏电性。
发明内容
根据本发明的原理，在用来从燃料电池叠层中电绝缘歧管或其它部分的电介质部件中通过使得该部件来具有10Ra(Ra：从中线来看，轮廓的平均偏移在μ英寸中)或更小的表面粗糙度来实现上述的和其他目的。具有这种粗糙度的表面可以通过研磨或抛光电介质部件或者通过使用细粒粉形成该部件来实现。用来形成该部件的优选的电介质材料是密度高于理论密度95％的Al2O3。更优选的用于Al2O3密度是高于理论密度的98％。
附图说明
通过结合附图阅读下面的细节描述，本发明的其它方面和特征将变得更加明显，其中；
图1示出了根据本发明原理使用电介质部件的燃料电池叠层的一部分；
图2示出了现有技术中电介质部件的表面形态；
图3示出了本发明的电介质部件的表面形态；
图4显示了用于本发明电介质部件的电解质漏电和用于现有技术电介质部件的电解质漏电之间的比较；
图5示出了本发明电介质部件的表面形态；以及
图6示出了用于本发明电介质部件的电解质漏电和用于现有技术电介质部件的电解质漏电之间的比较。
具体实施方式
图1示出了根据本发明原理使用电介质绝缘部件2的燃料电池叠层1。部件2将歧管3与叠层1电绝缘，该歧管3邻接于叠层1的表面1A。叠层1包括液体电解质，为了说明，该液体电解质假设是碳酸盐电解质。
在图示的情况中，密封垫4与叠层的表面1A接触。典型的具有相框结构的部件2邻接于密封垫4，此时歧管3邻接于部件2。
众所周知随着时间的变化，叠层1中的碳酸盐电解质将逼近部件2的表面。并且众所周知，漏电的程度和总量取决于界面能量的变化(气体-液体，气体-固体和液体-固体)。
根据本发明的原理，已经认识到该电解质漏电的总量也取决部件2的表面粗糙度并且被部件2的表面粗糙度控制。该粗糙度控制毛细效应，接着控制电解质流。在公知的电介质部件中，表面粗糙度典型的是Ra29(Ra：从中线来看，轮廓的平均偏移在μ英寸中)或更高。这是由于在这些部件的生产过程中使用传统的机械加工和磨削处理造成的。如图2所示，该部件具有这个级别的Ra，由于连续的分散颗粒，这些部件表现出相对粗糙的表面。目前已经认识到该粗糙的表面充当了毛细介质，提高了电解质漏电率并且在该部件上传输电解质的高毛细流容量。
根据本发明的原理，形成的部件2的表面光滑度被充分的提高了，即具有10或更低的Ra，这重要的降低了该电解质的毛细运动。图3是根据本发明形成的具有表面粗糙度为Ra7的部件2的缩微图。可以看出，该部件2的表面有较少的离散并且这些散离被非常光滑的表面区域分开，在这些区域上毛细作用不会发生。由此，部件2表面上电解质的总漏电被重要的降低了。
用于部件2的优选材料是密度高于理论密度95％的熔结的Al2O3。更优选的材料是密度高于理论密度98％的熔结的Al2O3。部件2能以各种方式形成具有10Ra或更小的表面。优选的技术包括表面的研磨和抛光或者通过使用细粒(亚微细粒)制造Al2O3粉末材料来形成该部件。
下面的实施例说明了本发明的原理。
实施例1：一种催化电解池测试通过使用由密度高于理论密度98％的Al2O构成的三个矩形棒样品来实施。每个样品有4”x1”x0.625”的尺寸，并且三个样品的表面被抛光使得样品分别具有7Ra、10Ra和29Ra。每个样品的底部表面浸没在液体电解池(无限的提供电解质)中，并且充当电解质吸收剂的一块密封垫放置在顶面上去收集渗漏的电解质。图4示出了测试结果。可以看出，与具有Ra29的Al2O3样品比较，具有光滑表面(7和10Ra)的Al2O3陶瓷棒重要的减缓了液体电解质漏电。图5示出了在催化池测试中测试后的Ra7棒的表面形态。该表面形态保持不变。样品和电解质之间反应发生了，但是它没有重要的改变表面粗糙度，因此也没有改变表面上的电解质泄漏。
实施例2：电解质供给受控测试被实施，其中密封垫提供了液体电解质源，并具有60％的充满电解质的真空容积。两个由Al2O3制成的矩形棒样品放置在电解质中，该电解质充满了密封垫，该Al2O3的密度高于理论密度98％并且该矩形棒样品具有4”x1”x0.625”的尺寸。该样品被抛光的表面分别具有7Ra和29Ra。泄漏的电解质被例1中所示的一块密封垫收集。图6示出了两个样品的电解质泄漏。可以看出，具有Ra7的样品的泄漏量比具有Ra29的样品的泄漏量低得多。如上所述，电解质和棒样品之间的表面反应是无关紧要的。
例3：一个可替代的陶瓷材料，具有Ra10抛光表面的多铝红柱石(3Al2O3·2SiO2)在催化电解池测试中被估测。这种材料与电解质强烈的反应，增强了电解质穿过表面。
一种电解质泄漏模型分析已经被实现，并且它支持上面的试验结果。一种具有Ra10抛光表面的Al2O3电介质被认为能充分的提供在金属歧管3和叠层1之间的40000小时(设计的叠层寿命)的电绝缘。如果是细微的Al2O3粉末(亚微细粒)被用作形成该部件2的原材料，该光滑度为10Ra或更低的表面能通过研磨或抛光或低成本磨削来实现。
在所有的实施例中可以理解，上面描写的设置仅仅是本发明具有代表性应用的许多可能性实施例的示例说明。在不脱离本发明的精神或范围的情况下，能根据本发明的原理设计出来无数的和各种各样的其它设置。因此，例如其他电介质材料可以用来形成部件2，只要这些材料能充分的嵌入电解质环境中。

Claims (7)

1.一种燃料电池系统，包括；
包括液体电解质燃料电池的燃料电池叠层；
邻接于燃料电池叠层表面的歧管；
位于歧管和燃料电池叠层表面之间的电介质部件，该电介质部件用于将歧管从燃料电池叠层中电绝缘，该电介质部件具有Ra10或更小的表面粗糙度并且包括密度高于理论密度95％的Al2O3。
2.如权利要求1所述的燃料电池系统，其中
该燃料电池是碳酸盐燃料电池；以及
该歧管是金属的。
3.如权利要求1所述的燃料电池系统，其中
该电介质部件由亚微细粒Al2O3粉末材料形成。
4.如权利要求1所述的燃料电池系统，其中
该Al2O3具有高于理论密度98％的密度。
5.如权利要求1所述的燃料电池系统，其中
通过研磨或抛光该电介质部件来提供该电介质部件的表面粗糙度。
6.如权利要求1所述的燃料电池系统，其中
该电介质部件以框架的形式存在。
7.如权利要求6所述的燃料电池系统，其中
该电介质部件以相框的形式存在。
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