CN104882619B - 一种场催化受控燃料电池 - Google Patents

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Abstract

本发明一种场催化受控燃料电池属于新能源技术领域，具体涉及一种利用电场来加速电极电化学反应的可控燃料电池。结构包括多孔阳极(1)、电解质(2)和多孔阴极(3)构成的三明治结构燃料电池和场催化器(4)；所述的场催化器(4)由电压可调的高压直流电源(41)和阳极侧场电极(421)和阴极侧场电极(422)构成。本发明由于引入了一个外加电场来催化电极电化学反应，从而可以不使铂金等贵金属催化剂，节约成本，且避免了催化剂中毒失活等问题，同时，本发明还具有输出功率密度高、可以在常温下运行、输出功率容易控制等优点。

Description

一种场催化受控燃料电池
技术领域
本发明属于新能源技术领域，涉及一种燃料电池，具体涉及一种利用电场来加速电极电化学反应的可控燃料电池。
背景技术
燃料电池技术被人认为是一种极具前景的清洁能源技术，所以燃料电池一直是学术关注的热点。目前，燃料电池大致可以分为五类：质子交换膜燃料电池、碱性燃料电池、磷酸燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池和固体氧化物燃料电池。目前，这五类电池都存在自身的一些缺陷，质子膜燃料电池性能最好，但是需要使用昂贵的Pt催化剂和质子交换膜材料，碱性燃料电池只能使用纯氧作为氧化剂，其他的几种燃料电池都需要高温条件下工作，从而带来一些衰减问题，以及设备复杂，不容易维护成本高、效率低等问题。
发明内容
本发明的主要目的是为了克服现有技术的不足，提供了一种用电场来加速电极电化学反应的燃料电池。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种场催化受控燃料电池，结构包括多孔阳极1、电解质2和多孔阴极3构成的三明治结构燃料电池和场催化器4；所述的场催化器4由电压可调的高压直流电源41、阳极侧场电极421和阴极侧场电极422构成；所述的阳极侧场电极421置于多孔阳极1的外侧，在阳极侧场电极421和多孔阳极1之间有输送燃料的通道，所述阴极侧场电极422置于多孔阴极3的外侧，在阴极侧场电极422和多孔阴极3之间有输送空气或氧气的通道，阳极侧场电极421与高压直流电源41的负极相连，阴极侧场电极422与高压直流电源41的正极相连，所述的阳极侧场电极421和阴极侧场电极422是两个包覆了绝缘膜的导体板；所述的电解质2镶嵌在多孔阳极1和多孔阴极3之间以及多孔阳极1和多孔阴极3的网孔中，电解质2与多孔阳极1在多孔阳极1的上表面处平齐，与多孔阴极3在多孔阴极3的下表面处齐平，以使得多孔阳极1和多孔阴极3在镶嵌了电解质2后形成的上下表面均是平整的平面，所述的多孔阳极1和多孔阴极3是不与电解质2反应的多孔金属网，所述的电解质2是有离子导电性且没有电子导电性的电解质。
本发明中所述的电解质2可以是质子交换膜，或是固体氧化物燃料电池电解质材料，或是浸过酸或碱或盐溶液的锂电池隔膜，或是浸过酸或碱或盐溶液的石棉膜。
为了提高性能，在本发明所述的多孔阳极1和多孔阴极3的表面还可以镀有铂催化剂材料。
本发明中所述的高压直流电源41优选输出电压为0～30000V的可调直流电源。
本发明与现有技术相比的明显优势是：
1、本发明由于引入了一个外加电场来催化电极电化学反应，从而可以不使铂金等贵金属催化剂，节约成本，且避免了催化剂中毒失活等问题。
2、本发明的场催化受控燃料电池较传统燃料电池有更高的输出功率密度，在不使用催化剂的情况下，可达传统燃料电池的1.2～1.5倍，在使用镀有催化剂的电极情况下，可达传统燃料电池的2.2～2.5倍。
3、本发明的燃料电池可以在常温下运行，使用方便，且不存在衰减问题。。
4、本发明的燃料电池，可以通过调节催化器中高压直流电源的电压来控制反应的剧烈程度，从而实现电池输出功率的控制。
附图说明
图1为本发明场催化受控燃料电池的一种实施例的工作原理示意图。
具体实施方式
实施例1
下面结合附图说明本发明的工作原理、特征及优点。
参考图1，图1示意了场催化受控燃料电池的结构，它由多孔阳极1、电解质2和多孔阴极3构成的三明治结构燃料电池和场催化器4构成。电解质2镶嵌在多孔阳极1和多孔阴极3之间以及多孔阳极1和多孔阴极3的网孔中。镶嵌了电解质之后的电极的外表面是平齐的平面，另外，这里电解质2可以使用美国杜邦公司生产的全氟磺酸型电解质膜Nafion117，多孔阳极1和多孔阴极2可以使用镍网，为了提高输出功率密度，还可以在镍网表面镀上一层铂催化剂。催化器4由电压可调的高压直流电源41(输出电压为0～30000V)以及阳极侧场电极421和阴极侧场电极422构成。阳极侧场电极421和阴极侧场电极422分别置于多孔阳极1和多孔阴极3的外侧，阳极侧场电极421和多孔阳极1的表面之间为燃料通道，阴极侧场电极422和多孔阴极3的表面之间为空气或氧气通道，阳极侧场电极421与高压直流电源41的负极相连，阴极侧场电极422与高压直流电源41的正极相连。阳极侧场电极421和阴极侧场电极422可以是两个包覆了绝缘膜的导体板。
工作时，高压直流电源41对阳极侧场电极421和阴极侧场电极422进行充电，从而在两个场电极之间形成强电场，在强电场的作用下，多孔阳极1表面感应出正电荷，由于多孔阳极1表面是多孔金属网和电解质镶嵌成的平面，感应出的电荷主要集中在多孔金属网的表面，而电解质表面感应电荷较少，这样在阳极侧场电极421和多孔阳极1之间形成逐渐增强的梯度电场，越靠近阳极电场越强。以氢氧燃料电池为例，当氢气通过燃料通道时，在梯度电场的作用下，燃料分子会吸附在多孔阳极1上，由于多孔阳极1的上表面有极强的感应电场，所以在这种强电场的作用下燃料分子极易解离、氧化同时把电子传导给多孔导体电极，燃料分子自身则生成阳离子进入电解质2中，从而完成阳极的电极反应。类似的，多孔阴极3的下表面和阴极侧场电极422之间也会感应出越靠近多孔阴极3越强的梯度电场，在这种电场的作用下，当氧气通过氧气通道时，氧分子也会吸附在多孔阴极3上，在多孔阴极3下表面强电场作用下解离、还原，同时从多孔阴极3的表面获取电子而生成阴离子，生成的阴离子进入电解质2内部。在多孔阴极3处生成的阳离子和在多孔阳极1处生成的阴离子在浓度梯度的作用下向电解质内迁移，两者相遇时结合成水分子。反应生成的水分子可以通过加热或者使用虹吸原理排出电池。
本实施例在多孔阳极和多孔阴极不使用催化剂的情况下，输出功率密度可达到传统燃料电池的1.2～1.5倍，在使用铂催化剂的情况下，可达到传统燃料电池的2.2～2.5倍。
以上内容是结合具体的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种场催化受控燃料电池，结构包括多孔阳极(1)、电解质(2)和多孔阴极(3)构成的三明治结构燃料电池，其特征在于，结构还有场催化器(4)；所述的场催化器(4)由电压可调的高压直流电源(41)、阳极侧场电极(421)和阴极侧场电极(422)构成；所述的阳极侧场电极(421)置于多孔阳极(1)的外侧，在阳极侧场电极(421)和多孔阳极(1)之间有输送燃料的通道，所述阴极侧场电极(422)置于多孔阴极(3)的外侧，在阴极侧场电极(422)和多孔阴极(3)之间有输送空气或氧气的通道，阳极侧场电极(421)与高压直流电源(41)的负极相连，阴极侧场电极(422)与高压直流电源(41)的正极相连；所述的阳极侧场电极(421)和阴极侧场电极(422)是包覆了绝缘膜的导体板；所述的电解质(2)镶嵌在多孔阳极(1)和多孔阴极(3)之间以及多孔阳极(1)和多孔阴极(3)的网孔中，电解质(2)与多孔阳极(1)在多孔阳极(1)的上表面处平齐，与多孔阴极(3)在多孔阴极(3)的下表面处齐平，以使得多孔阳极(1)和多孔阴极(3)在镶嵌了电解质(2)后形成的上下表面均是平整的平面，所述的多孔阳极(1)和多孔阴极(3)是不与电解质(2)反应的多孔金属网，所述的电解质(2)是具有离子导电性的电解质。
2.根据权利要求1所述的一种场催化受控燃料电池，其特征在于，所述的电解质(2)是质子交换膜，或是固体氧化物燃料电池电解质。
3.根据权利要求1所述的一种场催化受控燃料电池，其特征在于，所述的多孔阳极(1)和多孔阴极(3)的表面镀有铂催化剂材料。
4.根据权利要求1～3任一所述的一种场催化受控燃料电池，其特征在于，所述的高压直流电源(41)是输出电压为0～30000V的可调直流电源。
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