CN106848357B - 等离子体涡流燃料电池及发电方法 - Google Patents

等离子体涡流燃料电池及发电方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种等离子体涡流燃料电池及发电方法，包括旋流管，旋流管的内部设有旋流室，旋流管的一端连接有低温排气管，旋流管的另一端连接有阳极管，旋流管的侧壁连接有与旋流室连通的射流管，阳极管的另一端连接有高温排气管，高温排气管的内腔中安装有节流阀；低温排气管的另一端设有低温排气管连接法兰，低温排气管连接法兰连接有阴极棒固定架，阴极棒固定架的中心设有阴极棒安装孔，阴极棒安装孔中固定穿装有阴极棒；阴极棒通过导线连接蓄电池组的负极，阳极管的管壁通过导线连接蓄电池组的正极。本发明利用离心力、电磁力分离正负电荷产生电能，大幅度提高电能转换效率，结构简单。

Description

等离子体涡流燃料电池及发电方法
技术领域
本发明属于燃料电池技术领域，主要涉及一种等离子体涡流燃料电池及发电方法。
背景技术
磁流体发电技术利用等离子体射流通过强磁场时正负电荷反向运动的物理机制，驱动正负电荷分别在正负电极聚集形成电源。与传统发电机组技术比较，优势在于大幅度减少机械运动的能耗，化学能利用率提高，系统可靠性提高等。缺点在于必须配套超强磁场和励磁电源，系统复杂、耗电量高。
燃料电池技术利用燃料和氧化剂在电池装置中进行氧化还原反应，所释放的化学能直接输出电能和热能。与磁流体发电技术比较，优势在于省去了励磁电源和强磁场，化学能利用率提高，系统可靠性提高等。缺点在于燃料电池的电极和电解质材料可靠性极差，造价极高，功率密度较低，使用寿命短。
现有技术中缺少同时兼顾磁流体发电技术和燃料电池技术优点同时规避两者缺点的发电技术。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供一种同时兼顾磁流体发电技术和燃料电池技术优点同时规避两者缺点的等离子体涡流燃料电池及发电方法。
本发明的技术方案是：
一种等离子体涡流燃料电池，包括旋流管，旋流管的内部设有旋流室，旋流管的一端连接有与旋流室连通的低温排气管，旋流管的另一端连接有与旋流室连通的阳极管，旋流管的侧壁连接有与旋流室连通的射流管，阳极管的另一端连接有高温排气管，高温排气管的内腔中安装有节流阀；低温排气管的另一端设有低温排气管连接法兰，低温排气管连接法兰通过螺栓固定连接有阴极棒固定架，阴极棒固定架的中心设有阴极棒安装孔，以阴极棒安装孔为圆心的阴极棒固定架上设有若干个固定架排气孔，阴极棒安装孔中固定穿装有阴极棒；阴极棒通过导线连接蓄电池组的负极，阳极管的管壁通过导线连接蓄电池组的正极；阳极管的内径为D，长度为L，5D≤L；在纯氢纯氧当量比可燃混合气或者常规燃料与空气当量比可燃混合气体中掺杂一定比例的碱金属盐，在爆震燃烧器中产生高温高压等离子体燃气混合气射流体；高温高压等离子体燃气混合气射流体通入旋流管产生高速涡流。
作为优选，所述的旋流管与阳极管对应的端面设有旋流管连接法兰，阳极管与旋流管对应的端面设有阳极管连接法兰，旋流管连接法兰和阳极管连接法兰通过螺栓固定连接。
作为优选，所述的低温排气管、旋流管和射流管为一体成型结构，低温排气管、旋流管和射流管的外壁套装有第一外套管；阳极管和高温排气管为一体成型结构，阳极管和高温排气管的外壁套装有第二外套管。
作为优选，所述的第二外套管的外壁设有若干个散热翅片。
作为优选，所述的低温排气管、旋流管和射流管均为耐磨损高温绝缘陶瓷材料铸造，阳极管、高温排气管和节流阀均为耐磨损高温导电陶瓷材料铸造；第一外套管和第二外套管均为金属材料制作。
作为优选，所述的低温排气管、旋流管和射流管均为氧化铝陶瓷管，阳极管、高温排气管和节流阀均为二氧化锆陶瓷管。
一种基于等离子体涡流燃料电池的发电方法，包括以下步骤：
步骤S1：在纯氢纯氧当量比可燃混合气或者常规燃料与空气当量比可燃混合气体中掺杂一定比例的碱金属盐，在爆震燃烧器中产生高温高压等离子体燃气混合气射流体；
步骤S2：将步骤S1中的高温高压等离子体燃气混合气射流体从射流管切向进入旋流管中产生高速涡流；等离子体中的质量较重的阳离子在强大离心力作用下被压缩在涡流径向外层流中，等离子体中的质量微小的电子分布在涡流径向内层流中；阳离子和电子的涡流运动产生内外嵌套的两个等效螺线管磁场，其同性磁极互相对立而且初始强度相等，在阳离子等效螺线管磁场的斥力作用下，电子涡流在径向方向逐渐被箍缩，在旋流管轴线区域形成细棒状螺线管磁场并沿旋流管轴线方向被排斥，受低温废气涡流推动向低温排气端运动到达阴极；电子经过外电路的导线和负载回到阳极管与阳离子复合成电中性原子，完成动能到电能的转化循环；高温废气从高温排气管排出，低温废气从低温排气管排出；
步骤S3：调节节流阀改变高温废气的排出量，配合爆震器功率控制器可以联动调节充电电流、电压和系统输出功率。
作为优选，所述的碱金属盐为碱金属铯盐。反应过程产生的氢氧化铯，可以循环利用。
作为优选，步骤S1中所述一定比例的碱金属盐与可燃混合气体的摩尔比为8-10%；所述碱金属盐为碳酸铯；封闭循环模式下，碱金属盐一次性添加后可以循环利用，定期维护时补充损耗。
本发明的有益效果是：
本发明中的等离子体涡流燃料电池主要利用离心力、电磁力分离正负电荷产生电能，大幅度提高电能转换效率；无需庞大复杂的高电能消耗的超强磁场，也无需极其昂贵而脆弱的电极和电解质材料，利用成熟廉价的功能陶瓷材料即可制造高效率高可靠高功率密度长寿命的燃料电池；燃料选择范围比普通燃料电池更宽广，制造成本和运维成本更低，废气排放污染更少，有利于新能源项目的普及和推广。
等离子体涡流燃料电池技术可以模块化应用，预计小型电池单元可用于个人终端电源；中型电池组可用于电动汽车、装甲车、移动式电站或中小型船舶的动力电源；重型电池堆可用于全电驱动型舰艇、机车、分布式发电站等。
附图说明
图1是本发明中的等离子体涡流燃料电池的结构示意图；
图2是图1中的阴极棒固定架的结构示意图的主视图；
图3是本发明中的等离子体涡流燃料电池的工作状态示意图；
图中：1为低温排气管，2为旋流管，3为射流管，4为阳极管，5为高温排气管，6为节流阀，7为阴极棒，8为阴极棒固定架，9为蓄电池组，10为第一外套管，11为第二外套管；101为低温排气管连接法兰，201为旋流室，202为旋流管连接法兰，401为阳极管连接法兰，801为固定架螺孔，802为固定架排气孔，803为阴极棒安装孔，1101为散热翅片。
实施方式
实施例一：参见图1-2，一种等离子体涡流燃料电池，包括旋流管2，旋流管2的内部设有旋流室201，旋流管2的一端连接有与旋流室201连通的低温排气管1，旋流管2的另一端连接有与旋流室201连通的阳极管4，旋流管2的侧壁连接有与旋流室201连通的射流管3，阳极管4的另一端连接有高温排气管5，高温排气管5的内腔中安装有节流阀6。低温排气管1的另一端设有低温排气管连接法兰101，低温排气管连接法兰101通过螺栓固定连接有阴极棒固定架8，阴极棒固定架8的中心设有阴极棒安装孔803，以阴极棒安装孔803为圆心的阴极棒固定架8上设有若干个固定架排气孔802，阴极棒安装孔803中固定穿装有阴极棒7。阴极棒7通过导线连接蓄电池组9的负极，阳极管4的管壁通过导线连接蓄电池组9的正极。阳极管4的内径为D，长度为L，5D≤L；在纯氢纯氧当量比可燃混合气或者常规燃料与空气当量比可燃混合气体中掺杂一定比例的碱金属盐，在爆震燃烧器中产生高温高压等离子体燃气混合气射流体；高温高压等离子体燃气混合气射流体通入旋流管2产生高速涡流。
旋流管2与阳极管4对应的端面设有旋流管连接法兰202，阳极管4与旋流管2对应的端面设有阳极管连接法兰401，旋流管连接法兰202和阳极管连接法兰401通过螺栓固定连接，便于拆卸和组装。
低温排气管1、旋流管2和射流管3为一体成型结构，低温排气管1、旋流管2和射流管3的外壁套装有第一外套管10。阳极管4和高温排气管5为一体成型结构，阳极管4和高温排气管5的外壁套装有第二外套管11。
低温排气管1、旋流管2和射流管3均为氧化铝陶瓷管，阳极管4、高温排气管5和节流阀6均为二氧化锆陶瓷管。第一外套管10和第二外套管11均为金属材料制作，第一外套管10和第二外套管11起到加固作用。第二外套管11的外壁设有若干个散热翅片1101，便于散热。
实施例二：参见图3，一种基于等离子体涡流燃料电池的发电方法，包括以下步骤：
步骤S1：在纯氢纯氧当量比可燃混合气或者常规燃料与空气当量比可燃混合气体中掺杂一定比例的碱金属盐，在爆震燃烧器中产生高温高压等离子体燃气混合气射流体；
步骤S2：将步骤S1中的高温高压等离子体燃气混合气射流体从射流管切向进入旋流管中产生高速涡流；等离子体中的质量较重的阳离子在强大离心力作用下被压缩在涡流径向外层流中，等离子体中的质量微小的电子分布在涡流径向内层流中；阳离子和电子的涡流运动产生内外嵌套的两个等效螺线管磁场，其同性磁极互相对立而且初始强度相等，在阳离子等效螺线管磁场的斥力作用下，电子涡流在径向方向逐渐被箍缩，在旋流管轴线区域形成细棒状螺线管磁场并沿旋流管轴线方向被排斥，受低温废气涡流推动向低温排气端运动到达阴极；电子经过外电路的导线和负载回到阳极管与阳离子复合成电中性原子，完成动能到电能的转化循环；高温废气从高温排气管排出，低温废气从低温排气管排出；
步骤S3：调节节流阀改变高温废气的排出量，配合爆震器功率控制器可以联动调节充电电流、电压和系统输出功率。
本发明的三种主要物理机制：
第一步，等离子体涡流燃料电池技术利用等离子体射流切向进入旋流管中产生高速涡流，迫使质量较重的阳离子在强大离心力作用下被压缩在涡流径向外层流中。质量微小的电子所受离心力几乎可以忽略，只能分布在涡流径向内层流中。这是正负电荷分离的第一种主要物理机制。
第二步，阳离子和电子的涡流运动产生内外嵌套的两个等效螺线管磁场，其同性磁极互相对立而且初始强度相等，在阳离子等效螺线管磁场的斥力作用下，电子涡流在径向方向逐渐被箍缩，在旋流管轴线区域形成细棒状螺线管磁场并沿旋流管轴线方向被排斥，受低温废气涡流推动向低温排气端运动到达阴极。这是正负电荷分离的第二种物理机制。
 第三步，旋流管的能量分离效应使驱动等离子体的电中性燃烧废气产生高温和低温分流，涡流内层废气的热能逐渐向涡流外层传递，最终把部分能量传递给阳离子涡流。因此阳离子涡流内能增大，可以使在电池正电极上还原的原子多次反复电离，有利于保持较高的阳离子浓度。低温废气的制冷作用使得电子涡流内能进一步减小，降低电子与阳离子在旋流管内部短路复合的几率。这是正负电荷分离的第三种物理机制。同时，热能的定向传递也有利于降低废气排放的能量损耗，提高燃料电池效率。
氢氧燃料电池的反应方程式为：2H2+O2=2H2O
利用2摩尔纯氢气与1摩尔纯氧气产生爆震反应，反应产物为2摩尔高温高压水蒸气射流，喷射流速约为1500米/秒,在内半径为2.25厘米的旋流管中产生10615.7转/秒的圆周运动，在最大半径处能够产生1×108米/秒2离心加速度，铯离子所受到的离心力约为2.22×10-17牛顿，而电子所受到的离心力约为9.1× 10-23牛顿，离心力强度相差5个数量级，电子所受到的离心力可以忽略；
若以（8-10%）的摩尔比掺杂碱金属铯盐（如碳酸铯）可以产生适当浓度的高温高速等离子体，其典型德拜球半径约为7×10-5米，铯离子与电子之间的库伦力约为4.7×10-20牛顿，与铯离子所受到的离心力相差3个数量级，德拜球将被离心力撕裂，正负电荷可以完全分离；
水分子量为18，所受到的离心力仅仅是铯离子所受离心力的约1/7,不会混入铯离子涡流，只能作为废气排出；
根据流体力学仿真5倍长径比的旋流管即可实现正负电荷的充分分离，内径4.5厘米的旋流管长度大约为22.5厘米，总长度大约25厘米；配套50赫兹脉冲爆震器，输出功率大约为1千瓦，电能转化效率为66%左右。
反应过程会产生氢氧化铯，封闭循环模式下，碱金属铯盐一次性添加后可以循环利用，定期维护时补充损耗。
以上实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均落入本发明权利要求确定的保护范围内。

Claims (9)

1.一种等离子体涡流燃料电池，其特征在于，包括旋流管，旋流管的内部设有旋流室，旋流管的一端连接有与旋流室连通的低温排气管，旋流管的另一端连接有与旋流室连通的阳极管，旋流管的侧壁连接有与旋流室连通的射流管，阳极管的另一端连接有高温排气管，高温排气管的内腔中安装有节流阀；低温排气管的另一端设有低温排气管连接法兰，低温排气管连接法兰通过螺栓固定连接有阴极棒固定架，阴极棒固定架的中心设有阴极棒安装孔，以阴极棒安装孔为圆心的阴极棒固定架上设有若干个固定架排气孔，阴极棒安装孔中固定穿装有阴极棒；阴极棒通过导线连接蓄电池组的负极，阳极管的管壁通过导线连接蓄电池组的正极；阳极管的内径为D，长度为L，5D≤L；在纯氢纯氧当量比可燃混合气或者常规燃料与空气当量比可燃混合气体中掺杂一定比例的碱金属盐，在爆震燃烧器中产生高温高压等离子体燃气混合气射流体；高温高压等离子体燃气混合气射流体通入旋流管产生高速涡流。
2.根据权利要求1所述的等离子体涡流燃料电池，其特征在于，所述的旋流管与阳极管对应的端面设有旋流管连接法兰，阳极管与旋流管对应的端面设有阳极管连接法兰，旋流管连接法兰和阳极管连接法兰通过螺栓固定连接。
3.根据权利要求2所述的等离子体涡流燃料电池，其特征在于，所述的低温排气管、旋流管和射流管为一体成型结构，低温排气管、旋流管和射流管的外壁套装有第一外套管；阳极管和高温排气管为一体成型结构，阳极管和高温排气管的外壁套装有第二外套管。
4.根据权利要求3所述的等离子体涡流燃料电池，其特征在于，所述的第二外套管的外壁设有若干个散热翅片。
5.根据权利要求4所述的等离子体涡流燃料电池，其特征在于，所述的低温排气管、旋流管和射流管均为耐磨损高温绝缘陶瓷材料铸造，阳极管、高温排气管和节流阀均为耐磨损高温导电陶瓷材料铸造；第一外套管和第二外套管均为金属材料制作。
6.根据权利要求5所述的等离子体涡流燃料电池，其特征在于，所述的低温排气管、旋流管和射流管均为氧化铝陶瓷管，阳极管、高温排气管和节流阀均为二氧化锆陶瓷管。
7.一种基于权利要求6所述的等离子体涡流燃料电池的发电方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1：在纯氢纯氧当量比可燃混合气或者常规燃料与空气当量比可燃混合气体中掺杂一定比例的碱金属盐，在爆震燃烧器中产生高温高压等离子体燃气混合气射流体；
步骤S2：将步骤S1中的高温高压等离子体燃气混合气射流体从射流管切向进入旋流管中产生高速涡流；等离子体中的质量较重的阳离子在强大离心力作用下被压缩在涡流径向外层流中，等离子体中的质量微小的电子分布在涡流径向内层流中；阳离子和电子的涡流运动产生内外嵌套的两个等效螺线管磁场，其同性磁极互相对立而且初始强度相等，在阳离子等效螺线管磁场的斥力作用下，电子涡流在径向方向逐渐被箍缩，在旋流管轴线区域形成细棒状螺线管磁场并沿旋流管轴线方向被排斥，受低温废气涡流推动向低温排气端运动到达阴极；电子经过外电路的导线和负载回到阳极管与阳离子复合成电中性原子，完成动能到电能的转化循环；高温废气从高温排气管排出，低温废气从低温排气管排出；
步骤S3：调节节流阀改变高温废气的排出量，配合爆震器功率控制器可以联动调节充电电流、电压和系统输出功率。
8.根据权利要求7所述的等离子体涡流燃料电池的发电方法，其特征在于，所述的碱金属盐为碱金属铯盐。
9.根据权利要求8所述的等离子体涡流燃料电池的发电方法，其特征在于，步骤S1中所述一定比例的碱金属盐与可燃混合气体的摩尔比为8-10%；所述的碱金属盐为碳酸铯；封闭循环模式下，碱金属盐一次性添加后可以循环利用，定期维护时补充损耗。
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