CN211530099U - 一种燃料电池装置 - Google Patents
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Abstract
一种燃料电池装置,包括电池组、镁条输送装置、氯气输送装置、尾气处理装置和排渣装置,所述电池组包括外壳和上盖,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
本发明属于电池领域,具体涉及一种燃料电池装置。
背景技术
燃料电池是将燃料和氧化剂(空气或氧气)的化学能转化成电的装置。燃料电池结构通常由被离子传导电解质膜隔开的燃料电极(阳极)和氧化剂电极(阴极)组成。氧通过一个电极,而氢通过另一个电极,产生电、水,且有时产生热。在阳极,氢及其电子被隔开,以便当电子作为直流电(DC)定向通过外部电路时氢离子(质子)通过电极。该电流可提供动力给有用的装置。
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燃料电池装置。
本申请的技术方案为:
一种燃料电池装置,包括电池组、镁条输送装置、氯气输送装置、尾气处理装置和排渣装置,所述电池组包括外壳和上盖,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,所述电池组内设有氯气,所述外壳底部设有排渣口,所述排渣口连接排渣装置。
进一步的,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,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,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,所述排渣装置包括星型卸料器,所述星型卸料器进料端连接排渣口,所述星型卸料器出料端连接传送带,所述传送带出料端连接储料罐。
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为本发明电池组结构示意图;
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为本发明排渣装置结构示意图;
图8为本发明电池反应原理示意图。
图中:电池组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,排渣装置7,星型卸料器71,传送带72,储料罐73。
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。
一种燃料电池装置,包括电池组1,所述电池组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,所述电池组1内设有氯气,所述电池组内设有氯气,所述外壳11底部设有排渣口,所述排渣口连接排渣装置7。
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,所述排渣装置包括星型卸料器71,所述星型卸料器71进料端连接排渣口,所述星型卸料器71出料端连接传送带72,所述传送带出料端连接储料罐73。
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,氯化镁熔渣6可由外壳11底部的排渣口经排渣装置7排出,所述星型卸料器71可定时定量排出氯化镁熔渣6并且可隔断外壳11内部的氯气排出,避免氯气泄漏。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,工作时电池组1内温度较高,氯化镁熔渣温度超过摄氏 800 ,氯气进入电池组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,熔渣温度降低,成为微粒固体。
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和电池组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,电池组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,电池组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,进入电池组1,堆积在反应罐内底部。
电池组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。持续向电池组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,杂质气体在电池组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 (6)
1.一种燃料电池装置,包括电池组、镁条输送装置、氯气输送装置、尾气处理装置和排渣装置,所述电池组包括外壳和上盖,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,所述电池组内设有氯气,所述外壳底部设有排渣口,所述排渣口连接排渣装置。
2.根据权利要求1所述一种燃料电池装置,其特征在于,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所述一种燃料电池装置,其特征在于,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所述一种燃料电池装置,其特征在于,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。
5.根据权利要求1所述一种燃料电池装置,其特征在于,所述排渣装置包括星型卸料器,所述星型卸料器进料端连接排渣口,所述星型卸料器出料端连接传送带,所述传送带出料端连接储料罐。
6.根据权利要求1所述一种燃料电池装置,其特征在于,所述外壳和上盖内均设有耐火材料。
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