CN110400952B - 一种钠燃料电池及含有该钠燃料电池的电池堆 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种钠燃料电池及含有该钠燃料电池的电池堆，钠燃料电池包括依次由阴极流场板、气体阴极、电解质膜和阳极流场板组装而成，所述阳极流场板与电解质膜围合构成阳极流道，还包括绝缘滴流管，所述阳极流道的入口端连接有第一绝缘滴流管，所述阳极流道的出口端连接有第二绝缘滴流管，所述阳极流道通过第一绝缘滴流管注入熔融钠；所述阴极流场板与气体阴极之间的腔体内注有氧化剂。本发明钠燃料电池在阳极流道的入、出口端分别接入绝缘滴流管，从而可以使连续流动的熔融钠在绝缘管内改变为非连续且相互绝缘的液滴，在保证熔融钠均匀流动的前提下保持其在输送过程中的电气绝缘。

Description

一种钠燃料电池及含有该钠燃料电池的电池堆

技术领域

本发明涉及燃料电池技术领域，具体涉及一种钠燃料电池及含有该钠燃料电池的电池堆。

背景技术

国际能源署提出，为实现2DS目标，未来汽车发展趋势是：传统燃油车销量将迅速降低，而纯电动汽车和燃料电池汽车销量将迅速增加，到2050年全球约90%的新售乘用汽车将是新能源汽车。目前新能源汽车主要分为以特斯拉公司(Tesla)为代表的锂离子纯电动汽车(BEV)和以丰田汽车公司(Toyota)为代表的质子交换膜燃料电池汽车(PEMFC ) 。然而，当前制约新能源汽车迅速发展的关键问题在于动力电池。

锂离子电池具有无需燃料、零排放、工作效率高及使用成本低等优点，但存在汽车续航里程短、充电时间长、其有机物电解液存在燃烧爆炸危险、电池循环寿命短、价格高等缺点。目前，锂离子纯电动汽车的商业化进程缓慢，近几年的提速主要得益于各国政府给予的各项优惠政策。

质子交换膜燃料电池为开放式系统，只要外部持续供给燃料即可连续运行，且功率密度高，因此PEMFC具有续航里程大、燃料加注时间短等优点而备受关注。但氢气存储携带困难，且高压氢气罐具有一定的安全隐患，同时氢气的来源、加氢站建设及PEMFC成本等问题也制约了PEMFC的发展。

因此，为实现电动汽车的大规模推广应用，需要在动力电池领域进行创新性研究，开发高功率密度、高能量密度、价格低、安全性高的新型动力电池，并保证其作为车用动力时具有很好的操作性。

此外，在现有常规电力供需系统中，人类活动对电量需求存在高峰期和低谷期，为满足用峰期的供应电高需求，需要建设大容量的发电站及输配电网络，而在用电低谷期存在电能浪费现象，且发电设备的波动运行将降低其寿命。电能存储技术可以在用电低谷期将剩余电能进行存储，而在用电高峰期将存储的电能释放出来以供使用，实现削峰平谷，提高电网系统的稳定性和安全性，发电站可以在一个相对稳定的工况下运行，且可以降低发电站的发电容量及配电网络的载荷。

大规模电能存储可选技术有压缩空气储能、抽水储能、氢气储能、可充电电池储能和液流电池储能。其中压缩空气储能和抽水储能只能在特定地理位置采用，因而不适合大规模推广。化学储能和电化学储能具有无污染、高效率、响应快等优点，是一种很有前景的电能存储技术，也被认为是最佳的大规模储能技术。然而，基于制氢及氢燃料电池的氢气储能技术在大规模制氢、氢气存储运输、燃料电池成本及寿命方面尚存在较大困境，短期内难以广泛应用。以锂离子电池为代表的可充电电池在能量密度、电池成本、循环寿命及安全性等方面同样存在缺陷，且全球锂资源问题也可能制约其大规模应用。液流电池则主要是能量密度和功率密度过低，目前尚难以用于大规模电能存储。总之，电动汽车以及风能和太阳能发电的迅速发展都对电池提出了巨大需求，而现有各种电池技术均难以满足市场需求，因此开发高功率密度、高能量密度、价格低、安全性高的新型电池具有重大意义。

电动汽车和大规模电能存储的发展需求对电池提出了严酷的要求，现有的锂离子电池、氢燃料电池等电池很难同时满足能量密度、功率密度、成本、安全性、寿命等方面的要求。为此，需要探索其它可行技术方案。

发明内容

基于上述存在的问题，本发明提供了一种钠燃料电池及含有该钠燃料电池的电池堆。

为解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：

一种钠燃料电池，包括依次由阴极流场板、气体阴极、电解质膜和阳极流场板组装而成，所述阳极流场板与电解质膜围合构成阳极流道，还包括绝缘滴流管，所述阳极流道的入口端连接有第一绝缘滴流管，所述阳极流道的出口端连接有第二绝缘滴流管，所述阳极流道通过第一绝缘滴流管注入熔融钠；所述阴极流场板与气体阴极之间的腔体内注有氧化剂。

进一步技术方案为：所述钠燃料电池的工作温度不低于钠的熔点温度；所述氧化剂为含有氧和水的混合气体，包括增湿空气、增湿氧气。

进一步技术方案为：所述电解质膜为钠离子导体玻璃陶瓷电解质、钠离子导体聚合物电解质、钠离子导体凝胶电解质中的一种或一种以上复合构成。

进一步技术方案为：所述气体阴极是由疏水透气层和催化层组成，所述疏水透气层、催化层和电解质膜依序相互粘接形成一体。

更进一步技术方案为：所述疏水透气层由多孔镍、多孔不锈钢或多孔镍铜合金构成，并经聚四氟乙烯溶液疏水化处理。疏水透气层除自身能有效透过气体和排除电解液外，因其具有较大的力学强度，可有效支撑催化层和电解质层，使电解质膜可以减簿，降低导电离子的传导阻力，提高电池的输出功率，同时进一步提高了电池的安全性。

所述催化层由多孔碳、多孔镍、多孔镍铜合金、MnO₂、Co₃0₄、LaNiO、聚四氟乙烯中的一种或一种以上混合制成的多孔结构。催化层的材料成本较低，另外因电池工作温度较高，催化效率高，无需选用贵金属(如铂、金)作催化剂，可大幅降低电池成本。

进一步技术方案为：所述绝缘滴流管包括管体，所述管体中从上往下依序设有进液口、横隔板、管腔和出液口；所述横隔板与管体的管壁密封连接，横隔板的中部设置有一个滴孔，所述滴孔将进液口和管腔连通；所述管腔内注有惰性气体；所述管腔的腔壁由绝缘材料制成。

进一步技术方案为：所述管体横截面形状为长方形，其长方形横截面的两短边侧各设有一凹槽，所述凹槽介于滴孔的外周和管腔的内壁面之间；所述管腔内沿轴向设有至少一个竖隔板，该竖隔板置于凹槽侧下方，并与同侧的管腔内壁面围合构成气体通道，该气体通道的一端与管腔的顶部相通、另一端与管腔的中下部相通。

更进一步技术方案为：所述管腔的内壁面涂覆有聚四氟乙烯；所述竖隔板的材质为绝缘材料，其外表面涂覆有聚四氟乙烯。

本发明的第二个发明目的是提供一种含有上述一种钠燃料电池的电池堆，包括多个钠燃料电池以及阴极供料流道、阴极回料流道、阳极供料流道和阳极回料流道，所述阴极供料流道与所述钠燃料电池的阴极进料口连通，所述阴极回料流道与所述钠燃料电池的阴极出料口连通；所述阳极供料流道与所述第一绝缘滴流管的进液口连通，所述阳极回料流道与所述第二绝缘滴流管的出液口连通。

进一步方案，所述的钠燃料电池相互之间串联，相邻钠燃料电池之间通过阴极流场板与阳极流场板相连接，处于电池堆两端的阴极流场板和阳极流场板分别与外电路连接形成供电回路。

由于金属钠与氢气一样也是一种含能体，与氢气相比，金属钠体积能量密度更高，且无需高压储罐封装。所以本发明将金属钠作为电池燃料，具有显著地提高电池能量密度的效果。

本发明中，电池工作温度设置为金属钠的熔点（97.8℃）以上，其一是使金属钠呈熔融流动状态，其二是提高电池的电化学反应速率、降低电池内阻，与常温下相比，电池功率密度显著提高。

本发明钠燃料电池与氢燃料电池相比，因在较高温度下运行，可以不使用贵金属铂作气体阴极催化剂；因金属钠非气态，无需高压储罐封装；因输出电压比氢燃料电池高出4倍以上，组成发电系统时无需昂贵的DC/DC电压转换器；另外，与锂相比，钠资源丰富，价格低廉。因此，本发明的钠燃料电池具有显著的低成本优势。

本发明钠燃料电池，其活性物质不存储在电池内部而是存储在外部储罐中，且不使用易燃的有机电解质，所以与锂离子电池相比更安全；作为燃料的金属钠与氢气相比，不易燃烧爆炸，也无需高压封装，因此也比氢燃料电池安全。

本发明钠燃料电池，作为车载动力无需长时间充电，只需像传统燃油车加油一样加钠，方便快捷。

综上所述，本发明钠燃料电池通过将氢燃料电池的结构及工作方式与钠空气电池的电化学原理相整合，取长补短，从而具有高功率密度、高能量密度、成本低、安全性高和燃料快速补充的综合优势。

附图说明

图1是本发明钠燃料电池的结构示意图，

图2是本发明中绝缘滴流管的结构示意图，

图3是图2中A-A剖视图，

图4是本发明钠燃料电池堆的结构示意图，

图5是本发明钠燃料电池堆的第二种结构示意图。

图中：1-绝缘滴流管，1-1第一绝缘滴流管，1-2第二绝缘滴流管，11-管体，12-进液口，13-横隔板，14-滴孔，15-管腔，16-凹槽，17-出液口，18-竖隔板，19-气体通道；2-阴极回料流道，3-阳极供料流道，4-阳极回料流道，5-钠燃料电池，51-气体阴极，52-疏水透气层，53-催化层，54-电解质膜，55-阴极流场板，56-阳极流场板；6-阴极供料流道。

具体实施方式

如图1所示，一种钠燃料电池，包括依次由阴极流场板55、气体阴极51、电解质膜54和阳极流场板56组装而成，所述阳极流场板56与电解质膜54围合构成阳极流道，还包括绝缘滴流管1，所述阳极流道的入口端连接有第一绝缘滴流管1-1，所述阳极流道的出口端连接有第二绝缘滴流管1-2，所述阳极流道通过第一绝缘滴流管1-1注入熔融钠；所述阴极流场板55与气体阴极51之间的腔体内注有氧化剂。

进一步技术方案为：所述钠燃料电池的工作温度不低于钠的熔点温度；所述氧化剂为含有氧和水的混合气体，包括增湿空气、增湿氧气。

进一步技术方案为：所述电解质膜54为钠离子导体玻璃陶瓷电解质、钠离子导体聚合物电解质、钠离子导体凝胶电解质中的一种或一种以上复合构成。

进一步技术方案为：所述气体阴极51是由疏水透气层52和催化层53组成，所述疏水透气层52、催化层53和电解质膜54依序相互粘接形成一体。

更进一步技术方案为：所述疏水透气层52由多孔镍、多孔不锈钢或多孔镍铜合金构成，并经聚四氟乙烯溶液疏水化处理；所述催化层53由多孔碳、多孔镍、多孔镍铜合金、MnO₂、Co₃0₄、LaNiO、聚四氟乙烯中的一种或一种以上混合制成的多孔结构。

金属钠的熔点97.8℃，故将该电池的工作环境温度设为高于97.8℃，金属钠以熔融流体状态由外部通过第一绝缘滴流管1-1进入阳极流道，然后分布到电解质膜54的界面；水汽与空气混合形成的增湿空气由外部通过阴极流场板55入口进入到气体阴极51中的疏水透气层52的孔隙中，然后分布到催化层。

金属钠以其良好的金属导电属性构成阳极集电极。电池发电时，Na首先失去一个e^-生成Na⁺，其中， e^-通过金属钠构成的阳极集电极经阳极流场板56流向外电路负载做功，然后经过阴极流场板55、疏水透气层52流入催化层53；同时，Na⁺直接穿过电解质膜54到达催化层53的界面。与此过程同时，增湿空气中的O₂在催化层53的催化作用下获得e^-，并在增湿空气中水的参与下生成OH^-(总反应：O₂+2H₂O+4 e^-=4OH^-)，阴离子OH^-与阳离子Na⁺在催化层53、电解质膜54、增湿空气组成的 “三相界面”上结合生成NaOH。由于NaOH具有吸水潮解特性，一旦生成就快速吸收增湿空气中的水而形成液滴。随着反应的继续，液滴逐渐增大、增多，在挤压力的作用下从疏水透气层52的大孔中渗出并进入由阴极流场板与气体阴极围合构成的腔体内，在该腔体中被反应后的增湿空气余气吹扫至电池外部。其中，因为疏水透气层52具有疏水性，在其孔隙中由于毛细管力的作用，NaOH液滴只能通过阻力较小的稍大的孔道流出，而小孔因对气体阻力小而被增湿空气占据，这样就自动形成了气、液双通道，使气、液流通互不堵塞且增加了有效反应面积。反应后剩余的部分熔融钠通过第二绝缘滴流管1-2流出。

金属钠是电子导体，为了避免电极短路，在阳极流道的入口端和出口端分别接入绝缘滴流管1。如图2、3所示，所述绝缘滴流管1包括管体11，所述管体11中从上往下依序设有进液口12、横隔板13、管腔15和出液口17；所述横隔板13与管体11的管壁密封连接，横隔板13的中部设置有一个滴孔14，所述滴孔14将进液口12和管腔15连通；所述管腔15内注有惰性气体；所述管腔15的腔壁由绝缘材料制成。

进一步技术方案为：所述管体11横截面形状为长方形，其长方形横截面的两短边侧各设有一凹槽16，所述凹槽16介于滴孔14的外周和管腔15的内壁面之间；所述管腔15内沿轴向设有至少一个竖隔板18，该竖隔板18置于凹槽16侧下方，并与同侧的管腔15内壁面围合构成气体通道19，该气体通道19的一端与管腔15的顶部相通、另一端与管腔15的中下部相通。

更进一步技术方案为：所述管腔15的内壁面涂覆有聚四氟乙烯；所述竖隔板18的材质为绝缘材料，其外表面涂覆有聚四氟乙烯。

绝缘滴流管1在使用时，管腔15及与其相连通的管道及官腔中先充入惰性气体（如氩气），然后再从进液口12注入熔融钠，熔融钠从上往下依次通过进液口12、滴孔14、管腔15和出液口17流出。

其中，熔融钠通过进液口12流到滴孔14时，由于液体自身表面张力的作用，滴孔14处逐渐形成近球形的液滴。由于液体自身表面张力的作用以及管腔空间的限制，形成的液滴逐渐向两短边侧延伸。当液滴增大到一定重量，液滴所受重力大于表面张力时，液滴便沿着管腔15内壁和竖隔板18之间的空腔滑落至管腔15底部，并在管道的压力作用下，从出液口17流出。接着，滴孔14处又逐渐形成新的液滴，如此往复，液滴与液滴之间下落时保持一定间距。其中，液滴与液滴之间的气体在压力的作用下，从气体通道19的下部流向上部进入管腔15的顶部，从而形成气体的循环。因为管腔壁为绝缘材料，且液滴与液滴之间不导电，从而使熔融钠在均匀流动的前提下保持电气绝缘。

如图4所示，一种含有上述钠燃料电池的电池堆，包括多个钠燃料电池5以及阴极供料流道6、阴极回料流道2、阳极供料流道3和阳极回料流道4，所述阴极供料流道6与所述钠燃料电池5的阴极进料口连通，所述阴极回料流道2与所述钠燃料电池5的阴极出料口连通；所述阳极供料流道3与所述第一绝缘滴流管1-1的进液口12连通，所述阳极回料流道4与所述第二绝缘滴流管1-2的出液口17连通。

优选的实施方式：如图5所示，所述的钠燃料电池5相互之间串联，相邻钠燃料电池5之间通过阴极流场板与阳极流场板相连接，处于电池堆两端的阴极流场板和阳极流场板分别与外电路连接形成供电回路。

该电池堆在工作时，首先将电池堆温度设置在钠的熔点以上，并向阳极供料流道3内通入惰性气体氩气以驱替阳极供料流道3至阳极回料流道4之间的所有管腔中的空气，然后将氧化剂（增湿空气或增湿氧气）注入阴极供料流道6并分别分布到各钠燃料电池5的气体阴极51的孔隙中，同时，将熔融钠注入到阳极供料流道3内，所注入的熔融钠分别通过绝缘滴流管1-1进入到各个钠燃料电池5的阳极流道。氧化剂、熔融钠分别在阴极和阳极进行电化学反应并向外释放电能。反应后的余料或产物分别进入阴极回料流道2和阳极回料流道4，然后流向外循环。其中，钠燃料电池5的阳极流道进、出口端分别通过接入绝缘滴流管1阻断了熔融钠的电子通路，使钠燃料电池5在电气上处于独立状态，以便按照使用要求对钠燃料电池5任意串、并联组合，以获得满足要求的电池堆总电压和总电流。

以上所述实施方式仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，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，均应落入本发明的权利要求书确定的保护范围内。

Claims (8)

1.一种钠燃料电池，包括依次由阴极流场板（55）、气体阴极（51）、电解质膜（54）和阳极流场板（56）组装而成，所述阳极流场板（56）与电解质膜（54）围合构成阳极流道，其特征在于：还包括绝缘滴流管（1），所述阳极流道的入口端连接有第一绝缘滴流管（1-1），所述阳极流道的出口端连接有第二绝缘滴流管（1-2），所述阳极流道通过第一绝缘滴流管（1-1）注入熔融钠；所述阴极流场板（55）与气体阴极（51）之间的腔体内注有氧化剂；

所述钠燃料电池的工作温度不低于钠的熔点温度；

所述绝缘滴流管（1）包括管体（11），所述管体（11）中从上往下依序设有进液口（12）、横隔板（13）、管腔（15）和出液口（17）；所述横隔板（13）与管体（11）的管壁密封连接，横隔板（13）的中部设置有一个滴孔（14），所述滴孔（14）将进液口（12）和管腔（15）连通；所述管腔（15）内注有惰性气体，所述管腔（15）的腔壁由绝缘材料制成；

所述管体（11）横截面形状为长方形，其长方形横截面的两短边侧各设有一凹槽（16），所述凹槽（16）介于滴孔（14）的外周和管腔（15）的内壁面之间；所述管腔（15）内沿轴向设有至少一个竖隔板（18），该竖隔板（18）置于凹槽（16）侧下方，并与同侧的管腔（15）内壁面围合构成气体通道（19），该气体通道（19）的一端与管腔（15）的顶部相通、另一端与管腔（15）的中下部相通。

2.根据权利要求1所述的一种钠燃料电池，其特征在于：所述氧化剂为含有氧和水的混合气体，包括增湿空气、增湿氧气。

3.根据权利要求1所述的一种钠燃料电池，其特征在于：所述电解质膜（54）为钠离子导体玻璃陶瓷电解质、钠离子导体聚合物电解质、钠离子导体凝胶电解质中的一种或一种以上复合构成。

4.根据权利要求1所述的一种钠燃料电池，其特征在于：所述气体阴极（51）是由疏水透气层（52）和催化层（53）组成，所述疏水透气层（52）、催化层（53）和电解质膜（54）依序相互粘接形成一体。

5.根据权利要求4所述的一种钠燃料电池，其特征在于：所述疏水透气层（52）由多孔镍、多孔不锈钢或多孔镍铜合金构成，并经聚四氟乙烯溶液疏水化处理；所述催化层（53）由多孔碳、多孔镍、多孔镍铜合金、MnO₂、Co₃0₄、LaNiO、聚四氟乙烯中的一种或一种以上混合制成的多孔结构。

6.根据权利要求1所述的一种钠燃料电池，其特征在于：所述管腔（15）的内壁面涂覆有聚四氟乙烯；所述竖隔板（18）的材质为绝缘材料，其外表面涂覆有聚四氟乙烯。

7.一种含有如权利要求1-6任一项所述的一种钠燃料电池的电池堆，包括多个钠燃料电池（5）以及阴极供料流道（6）、阴极回料流道（2）、阳极供料流道（3）和阳极回料流道（4），其特征在于： 所述阴极供料流道（6）与所述钠燃料电池（5）的阴极进料口连通，所述阴极回料流道（2）与所述钠燃料电池（5）的阴极出料口连通；所述阳极供料流道（3）与所述第一绝缘滴流管（1-1）的进液口（12）连通，所述阳极回料流道（4）与所述第二绝缘滴流管（1-2）的出液口（17）连通。

8.根据权利要求7所述的电池堆，其特征在于：所述的钠燃料电池（5）相互之间串联，相邻钠燃料电池（5）之间通过阴极流场板与阳极流场板相连接，处于电池堆两端的阴极流场板和阳极流场板分别与外电路连接形成供电回路。

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