CN1525588A - 一种燃料电池中促进化学反应进行的方法 - Google Patents

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Abstract

一种燃料电池中促进化学反应进行的方法是采用气体电离的原理，将燃料氢与氧化剂先进行高压电离形成低温等离子态的燃料与强氧化性的臭氧，等离子态的燃料中的H+通过质子交换膜与臭氧中的负氧离子结合生成水，自由电子通过外围电路形成电流。利用本发明的方法制造的燃料电池，取消了贵重金属催化剂，使得燃料电池的成本大为降低；由于不存在铂催化剂的CO中毒、烧结和腐蚀的原因，使燃料电池的寿命大大延长；由于外加电场提升了质子和自由电子的动能，使得质子在穿透质子交换膜以及参与反应的能量损失得以补充，单体燃料电池的电压比常规方式的单体电压高，有利于减小燃料电池组的体积。

Description

一种燃料电池中促进化学反应进行的方法
技术领域
本发明涉及燃料电池，尤其是一种燃料电池中促进化学反应进行的方法。
技术领域
燃料电池是一种直接将贮存在燃料和氧化剂中的化学能等温、高效(50～70％)、环境友好地转化为电能的发电装置，它具有能量转换效率高、无污染、噪音低、适应不同功率要求等优点，被认为是21世纪全新的高效、节能、环境友好的发电方式之一。其工作原理是在催化剂的作用下，将燃料与氧化剂进行化学反应，并将化学反应的能量直接变成电能输出。按照工作温度区分，燃料电池分为高温型和低温型燃料电池两种，其中低温型燃料电池有工作温度低、操作简单、制造容易、使用范围广等优点。目前的低温燃料电池由于使用贵金属铂作为催化剂，其缺点是：1、价格昂贵；2、容易因一氧化碳中毒而造成催化性能下降，致使燃料电池寿命降低；3、对燃料的要求高，由于提纯燃料的系统复杂，使得燃料的成本也相应偏高。
发明内容
本发明的目的就是提供一种燃料电池中促进化学反应进行的方法，采用该方法设计的燃料电池具有结构简单、造价低、维护方便以及使用寿命长的特点。
本发明的燃料电池中促进化学反应进行的方法是采用气体电离的原理，将燃料氢与氧化剂先进行高压电离形成低温等离子态的燃料与强氧化性的臭氧，等离子态的燃料中的H+通过质子交换膜与臭氧中的负氧离子结合生成水，自由电子通过外围电路形成电流。
采用本发明燃料电池中促进化学反应进行的方法而设计的燃料电池包括外壳、燃料极、空气极、质子交换膜，其特点是在电池的两侧加有两个电离电极，并在电极上加有高压直流电源，以在燃料室与空气室中形成强电场(  )，其电场强度以使燃料分子被电离为合适。
其工作原理是：当燃料(H2)进入燃料室后，受电离电极1与电离电极2之间强电场的影响，燃料分子(H2)的氢键被电场断开成氢原子(H)，氢原子的外围电子又吸收电场能脱离运行轨道，致使氢原子变成氢离子(H+)---即质子和高能自由电子(e-)。在空气极，空气中的氧分子受强电场的作用形成臭氧(O3)，由于臭氧易溶与水并有很强的氧化能力，将与空气极进行氧化反应形成氧化物(以铜丝网做空气极为例)。化学反应方程式如下：
    
在燃料室中，同样受电场力的影响，自由电子向燃料极移动，质子(H+)将穿过质子交换膜向空气室移动，在空气极与空气极的化合物形成还原反应。反应方程式如下：
     自由电子将由燃料极通过负载到空气极形成电流。
总化学反应方程式：
    
采用本发明燃料电池中促进化学反应进行的方法而设计的燃料电池还可包括外壳、燃料极、空气极、质子交换膜，其特点是燃料室与气体电离管相连，空气室与臭氧发生管相接，在电池的两侧加有两个电场电极，并在电极上加有直流电源。
其工作原理是：燃料在进入燃料室前先通过气体电离管被电离成低温等离子态，进入燃料室后受电场力的作用，氢离子(H+)将穿过质子交换膜到达空气极，自由电子通过负载回路到达空气极。空气在进入空气室前先通过臭氧发生管，空气中的氧气形成臭氧。臭氧中的原子氧在夺取空气极上的自由电子后形成负氧离子并与氢离子(H+)结合形成水(H2O)。在电池的两侧加有两个电场电极，并在电极上加有直流电以在燃料室与空气室中形成直流电场
Figure A0315111400043
用于促进化学反应的速度以及减少质子在穿过质子交换膜时的能量损失。化学反应方程式如下：
    
总反应方程式：
    
利用本发明的方法制造的燃料电池具有以下特点：
1、取消了贵重金属催化剂，使得燃料电池的成本大为降低；
2、由于不存在铂催化剂的CO中毒、烧结和腐蚀的原因，使燃料电池的寿命大大延长；
3、由于外加电场提升了质子和自由电子的动能，使得质子在穿透质子交换膜以及参与反应的能量损失得以补充，单体燃料电池的电压比常规方式的单体电压高。有利于减小燃料电池组的体积。
4、对燃料的纯度要求不高，省略了燃料电池在实用化过程中的辅助工程，燃料的成本随之降低。
附图说明
图1为本发明方法制造的燃料电池原理示意图；
图2为本发明方法制造的另一种燃料电池原理示意图。
具体实施方式
一种燃料电池中促进化学反应进行的方法是采用气体电离的原理，将燃料氢与氧化剂先进行高压电离形成低温等离子态的燃料与强氧化性的臭氧，等离子态的燃料中的H+通过质子交换膜与臭氧中的负氧离子结合生成水，自由电子通过外围电路形成电流。
实施例1
一种采用本发明燃料电池中促进化学反应进行的方法而设计的燃料电池包括外壳1、空气极2、质子交换膜3、燃料极4，其特点是在电池的两侧加有两个电离电极6、7，并在电离电极6、7上加有高压直流电源E，以在燃料室与空气室中形成强电场 其电场强度以使燃料分子被电离而又未击穿为合适，电离电极6、7上均设绝缘层5，空气极2以铜丝网做成。
实施例2
一种采用本发明燃料电池中促进化学反应进行的方法而设计的燃料电池还可包括外壳1、燃料极2、质子交换膜3、空气极4，其特点是燃料室与气体电离管8相连，空气室与臭氧发生管8相接，在电池的两侧加有两个电场电极10、11，并在电场电极10、11上加有直流电源E以在电场电极间形成加速电场，用于促进化学反应的速度以及减少质子在穿过质子交换膜时的能量损失。电离电极10、11上均设绝缘层5，空气极2采用多孔质导电陶瓷。

Claims (3)

1、一种燃料电池中促进化学反应进行的方法，其特点是：将燃料氢与氧气先进行高压电离形成低温等离子态的燃料与强氧化性的臭氧，等离子态的燃料中的H+通过质子交换膜与臭氧中的负氧离子结合生成水，自由电子通过外围电路形成电流。
2、一种采用权利要求1方法而设计的燃料电池包括外壳(1)、空气极(2)、质子交换膜(3)、燃料极(4)，其特征在于：在电池的两侧加有两个电离电极(6)、(7)，电离电极(6)、(7)上加有高压直流电源(E)，电离电极(6)、(7)上均设绝缘层(5)。
3、一种采用权利要求1方法而设计的燃料电池包括外壳(1)、燃料极(2)、质子交换膜(3)、空气极(4)，其特征在于：燃料室与气体电离管(8)相连，空气室与臭氧发生管(8)相接，在电池的两侧加有两个电场电极(10)、(11)，电场电极(10)、(11)上加有直流电源(E)以在电场电极间形成加速电场，电离电极(10)、(11)上均设绝缘层(5)。
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