CN103094592B

CN103094592B - 一种等离子碱性燃料电池

Info

Publication number: CN103094592B
Application number: CN201310026537.0A
Authority: CN
Inventors: 陈士安; 汤哲鹤; 赵廉健; 彭佳鑫; 马银; 孙德浩; 王蓓
Original assignee: Jiangsu University
Current assignee: Jiangsu University
Priority date: 2013-01-21
Filing date: 2013-01-21
Publication date: 2015-02-04
Anticipated expiration: 2033-01-21
Also published as: CN103094592A

Abstract

本发明公开一种等离子碱性燃料电池，包括相互独立的阳极反应腔与阴极反应腔，阴极反应腔位于阳极反应腔左侧，两个反应腔中均装有电解液；阳极反应腔前后两侧的外部固定设置一对极性相对布置的磁铁；阳极反应腔右侧依次设有等离子发生器、氢气扩散腔和储氢罐；阳极反应腔与阴极反应腔之间连接且连通U型管，U型管可采用连通直管代替且在连通直管内固定设有石棉膜；氢气扩散腔内部设置氢气压气机，氢气回流管一端连接于氢气压气机与控制阀之间，氢气回流管另一端高于阳极反应腔内的电解液面且连接阳极反应腔；将未电离且带有余热的氢气输送至氢气等离子发生器输入端，使氢气循环地通过等离子发生器，提高氢气的电离效率以及能量利用率。

Description

一种等离子碱性燃料电池

技术领域

本发明属于燃料电池技术领域，尤其涉及一种等离子碱性燃料电池。

背景技术

燃料电池是一种不需要经过燃料燃烧能将燃料中的化学能直接转化为电能的装置。现有的燃料电池包括碱性燃料电池、等离子燃料电池等。

碱性燃料电池一般以氢气为燃料，可采用非铂为催化剂，以空气或纯氧气为氧化剂，以强碱溶液为电解质，以浸透在电解质中的石棉膜为碱性燃料电池阳极与阴极间的分隔膜，石棉膜只允许氢氧根离子OH^-通过，不允许氧气分子及氢气分子通过，这种碱性燃料电池中，氧化剂及氢气的电解是在催化剂作用下的电化学反应，反应速度慢，故具有能量密度低的缺陷。

等离子燃料电池是利用等离子发生器电离氧化剂（比如空气或纯氧气）和燃料（比如纯氢气、甲醇或乙醇），使电离后的燃料和氧化剂相互接触产生电化学反应获得电流。例如：中国专利号为ZL 200410012971.4，名称为“等离子燃料电池”公开的等离子燃料电池包括两个产生高温、高速等离子体火焰流的等离子枪，在两等离子枪之间是电解质液（或水或空气的）槽，两个等离子枪向电解质液槽中喷入氢、氧等离子体流，两等离子枪腔壁分别作为阳极和阴极，可连接成主电路。氢、氧等离子体流在电解质液槽中结合成水或CO₂，同时在主电路中产生电流。但该专利存在的缺陷是：两等离子枪一次不能使所有的氢燃料和氧化剂电离，因而能量效率不高；两个等离子枪向电解质液槽直接喷入氢等离子体流、氧等离子体流后，有未被电离的氢气和氧气直接混合，易导致爆炸事故。

中国专利申请号为200710050640.3，名称为“等离子体燃料电池”公开的等离子燃料电池在等离子喷射流发生单元之后的等离子体流运行路径上有一个场力方向与其运行方向垂直的外加离子分离场，在被分离的正负离子运动方向上设有相应的收集结构。其中电子收集结构与带有用于将所收集的电子移出该分离场的电子转移电路的电能输出电路连接，将电子送至正离子收集侧的、与通氧结构连通且由固体氧化物电解质隔离结构与正离子相隔离的多孔电极结构，结合电子被还原成的氧负离子通过固体氧化物电解质隔离结构与分离收集的正离子化合（反应式为2H⁺+O^2-=H₂O）并对外释放出转化的电能。其实质是：燃料采用等离子发生器电解，氧气采用与固体氧化物燃料电池相同的电解方式。但该专利存在的缺陷是：由于氧气采用与固体氧化物燃料电池相同的电解方式，因此与固体氧化物燃料电池一样需要高温启动，安全性差，运行成本高。

发明内容

本发明的目的是针对现有碱性燃料电池与等离子燃料电池各自的不足，提供一种能量密度高、能量转化率高、安全性高、制造成本低的等离子碱性燃料电池。

本发明采用的技术方案是：本发明包括相互独立的阳极反应腔与阴极反应腔，阴极反应腔位于阳极反应腔左侧，两个所述反应腔中均装有电解液；阳极反应腔前后两侧的外部固定设置一对极性相对布置的磁铁；阳极反应腔右侧依次设有等离子发生器、氢气扩散腔和储氢罐，等离子发生器的左端伸在阳极反应腔内的电解液面上部、右端连接氢气扩散腔，氢气扩散腔通过管道连接储氢罐；阳极反应腔与阴极反应腔之间连接且连通U型管，U型管与两个所述反应腔内电解质液面相垂直且U型管与两个所述反应腔的连接处低于电解液的高度；阳极反应腔内的顶部设有收集电子的阳极，阴极反应腔内的电解液内浸没有阴极组件，阳极、阴极组件分别为燃料电池的负极、正极。

本发明中的U型管可采用连通直管代替，且在连通直管内固定设有石棉膜。

进一步地，本发明中的氢气扩散腔和储氢罐的连接管道上设有控制阀，氢气扩散腔内部设置氢气压气机，氢气回流管一端连接于氢气压气机与控制阀之间，氢气回流管另一端高于阳极反应腔内的电解液面且连接阳极反应腔。

本发明的有益效果是：

1、本发明采用等离子发生器电离氢气，并且在封闭的阴极反应腔上采用氢气回流结构，将未电离且带有余热的氢气输送至氢气等离子发生器输入端，使氢气循环地通过等离子发生器，提高了氢气的电离效率和利用率以及整个系统的能量利用率，具有高能量密度和高能量效率的优点。

2、在氢气回流管中设置脱水装置，脱水装置用于吸收回流氢气中的水蒸气，以避免水蒸气进入等离子发生器而降低氢气的电离效率和增加电离水蒸气所需的能量及产生氧气而带来爆炸危险。

3、本发明将阳极反应腔与阴极反应腔用与电解质液面相垂直的U型管连接，无需常用的石棉膜，可提高电解液运输氢氧根离子的能力，从而提高整个燃料电池的效率；通过U型管中电解质液在重力作用下的液封作用以避免氧化剂进入阳极反应腔以及避免氢气进入阴极反应腔，从而避免氢气和氧气混合，防止发生爆炸事故。根据需要，可采用常用连通直管和石棉膜以代替U型管，虽然电解液运输氢氧根离子的能力有所降低，但可减小整体体积。

4、本发明中的电解液采用高导电率的强碱溶液，避免使用价格高昂的质子交换膜，可在常温下运行，有效地降低制造成本。

附图说明

以下结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明：

图1是本发明等离子碱性燃料电池的第一个实施例的结构图；

图2是本发明等离子碱性燃料电池的第二个实施例的结构图；

图3是图1和图2中阳极反应腔16的放大右视图及磁铁19的布置结构图；

图中：1-空气压缩机；2-二氧化碳脱除装置；3-阴极反应腔；4-阴极组件；5-用电负载；6-阳极；7-脱水装置；8-等离子发生器；9-氢气回流管；10-氢气扩散腔；11-氢气压缩机；12-储氢罐；13-控制阀；14-等离子发生器功率控制装置；15-等离子发生器专用电源；16-阳极反应腔；17-U形管；18-阴极反应腔通风口；19-磁铁；20-石棉膜；21-连通直管。

具体实施方式

如图1所示，本发明提供的一种等离子碱性燃料电池包括阳极反应腔16与阴极反应腔3，阳极反应腔16与阴极反应腔3是相互独立的两个反应腔，阴极反应腔3位于阳极反应腔16的左侧。阳极反应腔16与阴极反应腔4均由非导电材料制成。在阳极反应腔16与阴极反应腔3中均装有高导电率的强碱溶液作为电解液。在阳极反应腔16与阴极反应腔3之间连接U型管17，U型管17分别与两个反应腔相通，U型管17内也装有相同的电解液。U型管17与上述两个反应腔内电解质液面相垂直，U型管17与两个反应腔的连接处要低于两个反应腔内电解液的高度。使用U型管17可提高电解液运输氢氧根离子的能力。

参见图2所示，为了减小图1所示的等离子碱性燃料电池的体积，可用连通直管21代替U型管17，采用连通直管21代替U型管17时，在连通直管21内固定安装石棉膜20。

如图1、2所示，阳极反应腔16为一密封结构，在阳极反应腔16内的顶部设有收集电子的阳极6。在阳极反应腔16的右侧，依次设有等离子发生器8、氢气扩散腔10和储氢罐12，其中，等离子发生器8左端的等离子喷口伸在阳极反应腔16内的电解液面的上部，等离子体发生器8工作时向阳极反应腔16内喷入氢气等离子体；等离子发生器8的右端连接氢气扩散腔10，氢气扩散腔10通过管道连接储氢罐12。在氢气扩散腔10和储氢罐12之间的管道上安装控制阀13，控制阀13开启时储氢罐12内的氢气进入到扩散腔10中。

如图3所示，在阳极反应腔16前后两侧的外部固定设置一对磁铁19，一对磁铁19的N、S极性相对布置，这样，在阳极反应腔16的内腔整个范围内有一对磁铁19产生的磁场，该磁场使等离子体发生器8喷出的电子飞向阳极6以及使氢离子飞向电解质液面。

如图1、2所示，在氢气扩散腔10内部设置氢气压气机11，氢气回流管9一端连接在氢气压气机11与控制阀13之间，氢气回流管9另一端连接阳极反应腔16，与阳极反应腔16相连的氢气回流管9另一端高于阳极反应腔16内的电解液面。氢气回流管9采用绝缘绝热材料制成，可提高本发明的热效率和避免电子在氢气回流管9上积聚而降低氢气电离电子的有效利用率。经氢气回流管9回流的氢气和储氢罐12输入的氢气汇合在一起，汇合氢气由氢气压气机11压向等离子发生器8。氢气压气机11可提高未电离的氢气与来自储氢罐12氢气的混合效率，提高未电离的氢气的回流效率，提高离子发生器8的进气效率，降低氢气在电解液中的溶解量，进而进一步提高氢气的利用效率。

在氢气回流管9中设置脱水装置7，脱水装置7用于吸收回流氢气中的水蒸气，以避免水蒸气进入等离子发生器8而降低氢气的电离效率和增加电离水蒸气所需的能量及产生氧气而带来爆炸危险。

等离子发生器8还通过等离子发生器功率控制装置14连接等离子发生器专用电源15。等离子发生器功率控制装置14用于调节等离子发生器8的功率以及一次通过氢气的电离率。

阴极反应腔3顶部开有与大气相同的阴极反应腔通风口18，阴极组件4浸没在阴极反应腔3内的电解液内，阴极组件4连接有气管的一端，气管另一端伸出阴极反应腔3外，并且连接位于阴极反应腔3外部的二氧化碳脱除装置2，二氧化碳脱除装置2连接空气压缩机1。二氧化碳脱除装置2可脱除空气中的二氧化碳，从而避免电解液出现二氧化碳中毒现象。

阴极组件4与阳极6分别为本发明的正极与负极，其间可通过导线连接用电负载5，为用电负载5提供电能。

本发明工作时，同时启动空气压缩机1与氢气压缩机11，开启控制阀13，并通过等离子发生器功率控制装置14使等离子发生器8进入工作状态，此时，在阳极反应腔16的另一侧，通过储氢罐12和氢气扩散腔10向等离子发生器8内输入纯氢气，以该纯氢气作为燃料，等离子发生器8使氢气电离，即：，产生氢气等离子体，在一对磁铁19产生的磁场的作用下，电子飞向阳极6而积聚，氢离子飞向电解液，然后与电解液中的氢氧根离子按式进行电化学反应生成水，未电离的氢气经氢气回流管9及脱水装置7回流至氢气压气机11与控制阀13之间，在氢气压气机11的作用下，该回流氢气与来自储氢罐12的氢气在氢气扩散腔10内混合后，不断地循环供给等离子发生器8，提高了氢气的电离效率和利用率，提高氢气的电离效率，脱水装置7用于吸收回流氢气中的水蒸气，以避免水蒸气进入等离子发生器8而降低氢气的电离效率和增加电离水蒸气所需的能量及产生氧气而带来爆炸危险。与此同时，空气压缩机1通过二氧化碳脱除装置2向阴极组件4提供空气或纯氧气，阴极组件4与阳极6连接外接电路，电子由此外接电路从阳极6传递至阴极组件4，空气中的氧气在阴极组件4内催化剂的作用下与水及来自阳极6的电子按式形成氢氧根离子，氢氧根离子由电解液运输至阳极反应腔16，从而形成闭合电路，由此，通过消耗氢气和氧气向用电负载5提供电能。通过U型管17或者通过连通直管21与石棉膜20内的电解液的密封作用以避免氧化剂进入阳极反应腔16及氢气进入阴极反应腔3，从而避免氢气和氧气发生混合，防止爆炸发生，实现本发明的高安全性。

Claims

1.一种等离子碱性燃料电池，其特征是：包括相互独立的阳极反应腔（16）与阴极反应腔（3），阴极反应腔（3）位于阳极反应腔（16）左侧，两个所述反应腔中均装有电解液；阳极反应腔（16）前后两侧的外部固定设置一对极性相对布置的磁铁（19）；阳极反应腔（16）右侧依次设有等离子发生器（8）、氢气扩散腔（10）和储氢罐（12），等离子发生器（8）的左端伸在阳极反应腔（16）内的电解液面上部、右端连接氢气扩散腔（10），氢气扩散腔（10）通过管道连接储氢罐（12）；阳极反应腔（16）与阴极反应腔（3）之间连接且连通U型管（17），U型管（17）与两个所述反应腔内电解质液面相垂直且U型管（17）与两个所述反应腔的连接处低于电解液的高度；阳极反应腔（16）内的顶部设有收集电子的阳极（6），阴极反应腔（3）内的电解液内浸没有阴极组件（4），阳极（6）、阴极组件（4）分别为负极、正极。

2.根据权利要求1所述等离子碱性燃料电池，其特征是：氢气扩散腔（10）和储氢罐（12）的连接管道上设有控制阀（13），氢气扩散腔（10）内部设置氢气压气机（11），氢气回流管（9）一端连接于氢气压气机（11）与控制阀（13）之间，氢气回流管（9）另一端高于阳极反应腔（16）内的电解液面且连接阳极反应腔（16）。

3.根据权利要求1所述等离子碱性燃料电池，其特征是：阴极组件（4）连接位于阴极反应腔（3）外部的空气压缩机（1）。

4.根据权利要求1所述等离子碱性燃料电池，其特征是：等离子发生器（8）通过等离子发生器功率控制装置（14）连接等离子发生器专用电源（15）。

5.根据权利要求1所述的等离子碱性燃料电池，其特征是：阴极反应腔（3）顶部开有与大气相通的阴极反应腔通风口（18）。

6.根据权利要求2所述等离子碱性燃料电池，其特征是：氢气回流管（9）中设有脱水装置（7）。

7.根据权利要求3所述等离子碱性燃料电池，其特征是：阴极组件（4）和空气压缩机（1）之间连接二氧化碳脱除装置（2）。

8.根据权利要求1～7任一所述等离子碱性燃料电池，其特征是：所述U型管（17）采用连通直管（21）代替，且在连通直管（21）内固定设有石棉膜（20）。