CN110676498B - 一种熔盐式燃料电池 - Google Patents
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Abstract
一种熔盐式燃料电池，包括电池壳体，所述电池壳体包括外壳和上盖，所述外壳和上盖组成一个封闭的电极室，所述上盖设有至少一个电池芯安装孔，所述电池芯安装孔内设有电池芯，所述电池芯下端设有隔板，所述隔板为多孔陶瓷材料制成，所述隔板为内部中空的圆柱形，所述隔板外侧包覆多孔石墨电极，所述外壳上设有氯气接入口，所述氯气接入口设置略低于隔板底部，所述电池壳体内设有氯气，本发明结构简单、造价低、效率高。
Description
技术领域
本发明属于高能动力电池领域，具体涉及一种可大功率输出电能的熔盐式燃料电池。
技术背景
高能动力电池的研究一直是世界前沿技术，由于它的重要性，世界上有很多知名构都在积极地进行各种研究，不断开发出新的技术和产品，应用到多个领域。由于技术原因，电池的发展似乎不能满足现代社会的需要，成为当前社会发展的瓶颈，这种现象在高能动力电池领域中尤其更明显。
我们知道，潜艇的最关键部分是动力部分，根据动力不同分为核潜艇和常规潜艇。常规潜艇主要是柴电潜艇。出海时携带大量柴油，平时浮在水面使用柴油机依赖空气工作，提供动力；隐蔽时下潜，利用储电池或者不同的AIP技术提供动力，受技术条件限制，水下航行因提供的功率有限，长时间高速航行不能实现，下潜一定时间就要浮出水面，吸入空气发动柴油机驱动潜艇并充电，这种上浮容易暴露目标，在战争中容易被发现击沉，潜艇的作用严重受到限制。
柴油的能量密度很高，不考虑消耗的空气，能量密度超过10千瓦时/公斤；考虑柴油机的热效率，能量密度降至4千瓦时/公斤左右；如果考虑发动机、变速箱、传动轴、储油和供油系统、供气和排气系统等的重量，整个动力系统的能量密度降至2千瓦时/公斤左右。柴油的这种能量密度要依赖空气的消耗，潜艇需要上浮，如果考虑空气或者氧气的消耗，如闭式循环柴油机（CCD）AIP，需要潜艇携带液氧，包括氧气罐和尾气处理系统，实际的能量密度大大降低，甚至低于0.2千瓦时/公斤，现有的各种高能电池，能量密度达到0.3千瓦时/公斤，但存在易发热、爆炸等危险因素。
如果研制出最大输出功率数兆瓦级，总储存电能数兆千瓦时的大容量电池，其重量适合安装到潜艇上，这种电池将有能力提供潜艇需要的全部动力，水下最大航程达到万公里以上，全程不需要浮出水面，其作用已经接近核潜艇。由于电池工作噪音小，潜艇的隐蔽性能会大大提高，将成为真正的大洋黑洞。完全使用电池电力的潜艇可称为全电潜艇，受当前电池技术的限制，还很难实现。
在民用方面，汽车工业的飞速发展为人类带来便捷，但是现有的汽车要大量消耗石化燃料，不仅严重污染环境，还对有限的油气资源过渡依赖。尤其是我国石油资源有限，随着汽车保有量的快速上升，石油缺口越来越大，每年进口数亿吨，进口比例接近70%，成为世界第一大石油进口国，已经影响到我国的经济安全。为此我国早就提倡多种措施，包括发展电动汽车等，同样由于电池的问题，电动汽车推广缓慢。
现代社会急需大容量动力电池，已经成为共识。燃料电池是一种把燃料所具有的化学能转化成电能的化学反应装置，由于燃料可以持续供应，用于发展大容量动力电池最有潜力。电池在工作过程中不受卡诺循环限制，因而能量转化效率高且无噪音，无污染，成为理想的能源利用方式。
目前国际上典型的有氢燃料电池(RFC)，固体氧化物燃料电池(SOFC)，直接甲醇燃料电池(DMFC)，磷酸型燃料电池(PAFC)，质子交换膜燃料电池(PEMFC)，熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)，这些电池结构不同，各具优点，最终在正负极的反应都是氢和氧，属于氢氧燃料电池。
氢氧燃料电池虽然存在很多优点，但也存在某些问题。如负极使用的氢，因沸点很低储存不便，采用其它燃料转化，电池结构变得复杂；正极使用的氧常态为不容易导电的共价键，不利于电能的转换，进一步增大电池的复杂性，电能转换效率较低，限制了燃料电池的广泛使用。
发明内容
本发明的技术方案为，提供一种结构简单、造价低、效率高，燃料储存安全方便的熔盐式燃料电池。
本发明的技术方案为：
一种熔盐式燃料电池，包括电池壳体，所述电池壳体包括外壳和上盖，所述外壳和上盖组成一个封闭的电极室，所述上盖设有至少一个电池芯安装孔，所述电池芯安装孔内设有电池芯，所述电池芯包括安装在电池芯安装孔上的陶瓷架，所述陶瓷架上设有镁条导入孔、导热管孔和两个导线孔，所述镁条导入孔与导热管孔相邻设置，所述陶瓷架下端设有隔板，所述隔板为多孔陶瓷材料制成，所述隔板为内部中空的圆柱形，所述隔板外侧包覆多孔石墨电极，所述隔板底部设有排放孔，所述镁条导入孔内设有探入隔板内的镁条，所述导热管孔内设有探入隔板内的导热管，所述导线孔内分别设有电极导线和加热导线，所述电极导线和加热导线均连接多孔石墨电极，所述外壳上设有氯气接入口，所述氯气接入口设置略低于隔板底部，所述电池壳体内设有氯气。
进一步的，还包括镁条输送装置，所述镁条输送装置包括转筒和送丝机，所述转筒包括底座和可在底座上转动的镁条卷，所述底座底部设有绝缘板，所述镁条卷上设有镁条，所述镁条通过送丝机进入镁条导入孔，所述送丝机外侧设有绝缘板，所述镁条穿过镁条导入孔进入隔板。
进一步的，还包括氯气输送装置，所述氯气输送装置包括液氯罐，所述液氯罐通过液氯管道连接氯气接入口，所述液氯罐与氯气接入口之间依次设有控制开关、气化室和压力流量控制阀。
进一步的，还包括尾气处理装置，所述尾气处理装置包括设置在陶瓷架上的尾气排放管，所述隔板上端接近陶瓷架处设有多组尾气收集微孔，所述尾气收集微孔与尾气排放管连接，所述尾气排放管上设有减压阀和碱水淋浴吸附装置，所述碱水淋浴吸附装置上设有尾气排放口。
进一步的，所述外壳和上盖内均设有耐火材料。
本发明的有益效果为：
1能量密度的优势
熔盐电池的燃料的理论能量密度超过2千瓦时/公斤，因燃料属于全活性材料，转化为电能的效率应该在80%以上，甚至超过90%；液氯可以加压直接储存到钢罐内或舰艇的专用舱内，镁条可以像电缆一样成盘直接存放，不需专门防护，重量效率高；电池整个系统的能量密度可以达到1千瓦时/公斤，优于目前的各种AIP技术。
2.功率优势
氯和镁都是电化学性活跃的元素，容易形成电化学性好的离子键；采用高温进一步提高氯和镁电化学反应速度，加速正负离子的形成；电池芯采用厚度较小的隔板，降低电解液的电阻，正负离子穿越隔板的阻力减小；电极柱的表面积很大，增大气相的氯气与电解液接触几率。
以上保证电池较小的重量体积可以产生较大的电流，功率密度完全优于其他电池。目前多种武器使用的热电池，具有很高的功率输出，工作原理与熔盐电池接近，进一步说明熔盐电池存在功率优势，不同之处是热电池供电时间短，熔盐电池可以长时间持续供电。
3.安全的优势
电池使用的燃料氯和镁，及反应完成的氯化镁，都容易储存。本发明还设有相应的氯气废气处理装置，在潜艇上使用，即使出现泄漏，可以直接排放到海水中被吸收溶解，不会产生危害，不留痕迹，相对比柴油还安全，更优于核反应堆。
4.价格的优势
氯和镁都是普通原材料，市场价格相对低廉；因电化学活跃，可以直接反应，电池结构简单，不需要昂贵的催化剂，综合成本低，相比其他电池制造成本最具有优势。
5.噪音的优势
电池的全程工作产生的噪音极小，几乎不产生机械振动，噪音容易控制，加上现在成熟的电力推进系统，制造的潜艇噪音更小，被发现的几率大大降低，提高潜艇的生存率。
附图说明
图1为本发明结构示意图；
图2为本发明电池壳体结构示意图；
图3为本发明电池芯结构示意图；
图4为本发明镁条输送装置结构示意图；
图5为本发明氯气输送装置结构示意图；
图6为本发明尾气处理装置结构示意图；
图7为本发明电池反应原理示意图。
图中：电池壳体1，外壳11，上盖12，电池芯安装孔13，电池芯14，陶瓷架141，镁条导入孔142，导热管孔143，两个导线孔144，隔板151，排放孔152，多孔石墨电极16，镁条17，导热管18，电极导线191，加热导线19，镁条输送装置2，转筒21，送丝机22，镁条卷211，底座212，绝缘板213，镁条连接装置23，氯气输送装置3，氯气接入口31，液氯罐32，液氯管道33，控制开关34，气化室35，压力流量控制阀36，尾气处理装置4，尾气排放管41，尾气收集微孔42，减压阀43，碱水淋浴吸附装置44，尾气排放口45，耐火材料5，氯化镁熔渣6，废渣最高位置61。
具体实施方式
下面结合附图说明和具体实施方式对本发明进行进一步说明。
一种熔盐式燃料电池，包括电池壳体1，所述电池壳体1包括外壳11和上盖12，所述外壳11和上盖12组成一个封闭的电极室，所述上盖12设有至少一个电池芯安装孔13，所述电池芯安装孔13内设有电池芯14，所述电池芯14包括安装在电池芯安装孔上的陶瓷架141，所述陶瓷架141上设有镁条导入孔142、导热管孔143和两个导线孔144，所述镁条导入孔142与导热管孔143相邻设置，所述陶瓷架141下端设有隔板151，所述隔板151为多孔陶瓷材料制成，所述隔板151为内部中空的圆柱形，所述隔板151外侧包覆多孔石墨电极16，所述隔板151底部设有排放孔152，所述镁条导入孔142内设有探入隔板151内的镁条17，所述导热管孔143内设有探入隔板151内的导热管18，所述导线孔144内分别设有电极导线191和加热导线19，所述电极导线191和加热导线19均连接多孔石墨电极16，所述外壳11上设有氯气接入口31，所述氯气接入口31设置略低于隔板151底部，所述电池壳体1内设有氯气。
进一步的，还包括镁条输送装置2，所述镁条输送装置2包括转筒21和送丝机22，所述转筒21包括底座212和可在底座212上转动的镁条卷211，所述底座212底部设有绝缘板213，所述镁条卷211在转筒21上经过转动取直获得镁条17，所述镁条17通过送丝机22进入镁条导入孔142，所述送丝机22外侧设有绝缘板213，所述镁条17穿过镁条导入孔142进入隔板151。
进一步的，还包括氯气输送装置3，所述氯气输送装置包括液氯罐32，所述液氯罐通过液氯管道33连接氯气接入口31，所述液氯罐32与氯气接入口31之间依次设有控制开关34、气化室35和压力流量控制阀36。
进一步的，还包括尾气处理装置4，所述尾气处理装置4包括设置在陶瓷架141上的尾气排放管41，所述隔板151上端接近陶瓷架141处设有多组尾气收集微孔42，所述尾气收集微孔42与尾气排放管41连接，所述尾气排放管41上设有减压阀43和碱水淋浴吸附装置44，所述碱水淋浴吸附装置44上设有尾气排放口45。
进一步的，所述外壳11和上盖12内均设有耐火材料5。
电池芯14工作时排出氯化镁熔渣6，氯化镁熔渣6在外壳11内由底到上逐渐堆积，废渣最高位置61不能超过隔板151最低位置，达到该位置需要电池停止工作，进行清渣。外壳11采用较大罐体，储存较多熔渣，可减少清渣次数。氯化镁熔渣6密度较大，在外壳11内方便大量储存，常温下氯化镁为固态，可以直接清理。在电池反应罐的中上部位有氯气接入口31，氯气接入口31在电池芯14的最低位置附近，通过氯气接入口31向外壳11注入氯气，工作时电池壳体1内温度较高，氯化镁熔渣温度超过摄氏 800 ，氯气进入电池壳体1为常温，因温度低先下沉，被堆积在底部的氯化镁熔渣6加热，氯气温度升高后再上升，同时对氯化镁熔渣6进行冷却，使其固化稳定。
镁条17从镁条导入孔142，连续进入隔板151当隔板151内升至一定温度（约650°）后镁条17熔化。 隔板151上布满微孔连通电池芯14和电池壳体1，微孔内填充满电解液，电解液由导电性好的氯化钾、氯化钠、氯化钙等盐类混合组成，常温下为电解液固态不导电，温度升高后，电解液熔化成离子熔液能够导电，电池壳体1对电解液产生氧化，电池芯14对电解液产生还原，共同产生电化学作用。
多孔石墨电极16内有电极导线191和加热导线19，两种导线都连接多孔石墨电极16，电池工作时，可以作为正极导电；电池不工作，电池壳体1为常温时，电解液为固体不导电，需利用加热导线19接通外部电源，多孔石墨电极因电阻较大，变为加热器，使电池芯整体快速升温，电解液熔化，启动电池工作。
为控制电池芯14温度，导热管18利用空气或者导热熔盐在导热管内流动传递热量，对电池芯进行温度控制，使之维持在工作温度范围内。
电池芯14内有少量氯化镁熔渣6，电池芯温度升至摄氏 8 50 °左右，氯化镁熔渣6熔化，因密度高于液态金属镁，沉积在电池芯14底层，液态金属镁浮在电池芯14中上层。镁条17进入电池芯前为常温，进入电池芯后需要吸收热量慢慢熔化，为半熔状态与液态金属镁接触，镁条17和液态金属镁组成导电体，可以收集导出液态金属镁中的电子。电池芯14底部有一个或者多个直径较小的排放孔152，受液体表面张力影响，氯化镁熔液通过排放孔152有阻力，镁条的连续进入，氯化镁熔液的逐渐增多，增大电池芯14内的压强，氯化镁熔液在电池芯14底层被迫从排放孔152流出，进入电池壳体1，堆积在反应罐内底部。
电池壳体1充满氯气，电池芯14充满液态金属镁，在摄氏 850 度左右温度下，氯和镁都容易形成电化学性强烈的离子，中间被电解液隔离，氯与电解液接触的一侧显示正电动势，镁与电解液接触的一侧显示负电动势，电极导线191连接作为正电极的多孔石墨电极16，由于镁条的导电性好，镁条作为负电极，连接镁条的导线通过镁条连接装置23连接，所述镁条连接装置，包括上下两组滚轮，所述两组滚轮均内凹，镁条17可从两滚轮之间通过，所述滚轮均为金属导电材料制成，所述滚轮内设有金属轴承，也可通过铜或石墨制造滑块，使滑块与镁条17活动连接，导线与滑块连接，采用滑动方式传导电流，正电极和负电极之间可以产生约4伏的电压。导线与负载接通后，每个镁原子释放 2 个电子，通过液态金属镁和导线，最终通过多孔石墨电极16被氯原子吸收，在导线中形成电流。氯原子因吸收电子成为负离子cl-，进入电解液；镁原子因失去电子成为正离子Mg2+，最终与电解液中的cl-反应为氯化镁离子熔液，在电池芯14内聚集，不断沉积在电池芯14底层，通过排放孔152排出。持续向电池壳体1提供氯，向电池芯14提供镁，在导线上就会产生持续电流，成为电源。
使用的氯气的纯度通常达不到 100 % ，含有杂质气体，随着氯气的消耗，杂质气体在电池壳体1内会逐渐积累，降低氯的含量，影响电池的电化学反应效果，需要定时排出。含有氯气和杂质气体可以通过尾气收集微孔42排除，氯气经过多孔石墨电极16和多孔陶瓷时，会吸收电子成为氯离子进入电解液，到达尾气收集微孔42的杂质气体的氯含量大大降低，成为尾气，尾气通过尾气排放管41导出，再经过碱水淋浴吸附装置44，剩余氯进一步被吸收，含量极微，通过尾气排放口45排放，同时增加镁条和液氯的纯度，可以有效降低尾气的排放量。
Claims (5)
1.一种熔盐式燃料电池，包括电池壳体、尾气处理装置，所述电池壳体包括外壳和上盖，所述外壳和上盖组成一个封闭的电极室，所述上盖设有至少一个电池芯安装孔，所述电池芯安装孔内设有电池芯，所述电池芯包括安装在电池芯安装孔上的陶瓷架，所述陶瓷架上设有镁条导入孔、导热管孔和两个导线孔，所述镁条导入孔与导热管孔相邻设置，所述陶瓷架下端设有隔板，所述隔板为内部中空的圆柱形并且由多孔陶瓷材料制成，所述隔板外侧包覆多孔石墨电极，所述隔板底部设有排放孔，所述镁条导入孔内设有探入隔板内的镁条，所述导热管孔内设有探入隔板内的导热管，所述导线孔内分别设有电极导线和加热导线，所述电极导线和加热导线均连接多孔石墨电极，所述外壳上设有氯气接入口，所述氯气接入口设置略低于隔板底部，所述电池壳体内设有氯气；所述尾气处理装置包括设置在陶瓷架上的尾气排放管，所述隔板上端接近陶瓷架处设有多组尾气收集微孔，所述尾气收集微孔与尾气排放管连接。
2.根据权利要求1所述一种熔盐式燃料电池，其特征在于，还包括镁条输送装置，所述镁条输送装置包括转筒和送丝机，所述转筒包括底座和可在底座上转动的镁条卷，所述底座底部设有绝缘板，所述镁条卷上设有镁条，所述镁条通过送丝机进入镁条导入孔，所述送丝机外侧设有绝缘板，所述镁条穿过镁条导入孔进入隔板。
3.根据权利要求1所述一种熔盐式燃料电池，其特征在于，还包括氯气输送装置，所述氯气输送装置包括液氯罐，所述液氯罐通过液氯管道连接氯气接入口，所述液氯罐与氯气接入口之间依次设有控制开关、气化室和压力流量控制阀。
4.根据权利要求1所述一种熔盐式燃料电池，其特征在于，所述尾气排放管上设有减压阀和碱水淋浴吸附装置，所述碱水淋浴吸附装置上设有尾气排放口。
5.根据权利要求1所述一种熔盐式燃料电池，其特征在于，所述外壳和上盖内均设有耐火材料。
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