專利名稱：一種等離子堿性燃料電池的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于燃料電池技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種等離子堿性燃料電池。
背景技術(shù)：
燃料電池是一種不需要經(jīng)過燃料燃燒能將燃料中的化學能直接轉(zhuǎn)化為電能的裝置。現(xiàn)有的燃料電池包括堿性燃料電池、等離子燃料電池等。堿性燃料電池一般以氫氣為燃料，可采用非鉬為催化劑，以空氣或純氧氣為氧化齊U，以強堿溶液為電解質(zhì)，以浸透在電解質(zhì)中的石棉膜為堿性燃料電池陽極與陰極間的分隔膜，石棉膜只允許氫氧根離子0H—通過，不允許氧氣分子及氫氣分子通過，這種堿性燃料電池中，氧化劑及氫氣的電解是在催化劑作用下的電化學反應，反應速度慢，故具有能量密度低的缺陷。等離子燃料電池是利用等離子發(fā)生器電離氧化劑(比如空氣或純氧氣)和燃料(t匕如純氫氣、甲醇或乙醇)，使電離后的燃料和氧化劑相互接觸產(chǎn)生電化學反應獲得電流。例如:中國專利號為ZL 200410012971.4，名稱為“等離子燃料電池”公開的等離子燃料電池包括兩個產(chǎn)生高溫、高速等離子體火焰流的等離子槍，在兩等離子槍之間是電解質(zhì)液(或水或空氣的)槽，兩個等離子槍向電解質(zhì)液槽中噴入氫、氧等離子體流，兩等離子槍腔壁分別作為陽極和陰極，可連接成主電路。氫、氧等離子體流在電解質(zhì)液槽中結(jié)合成水或CO2,同時在主電路中產(chǎn)生電流。但該專利存在的缺陷是:兩等離子槍一次不能使所有的氫燃料和氧化劑電離，因而能量效率不高；兩個等離子槍向電解質(zhì)液槽直接噴入氫等離子體流、氧等離子體流后，有未被電離的氫氣和氧氣直接混合，易導致爆炸事故。中國專利申請?zhí)枮?00710050640.3，名稱為“等離子體燃料電池”公開的等離子燃料電池在等離子噴射流發(fā)生單元 之后的等離子體流運行路徑上有一個場力方向與其運行方向垂直的外加離子分離場，在被分離的正負離子運動方向上設(shè)有相應的收集結(jié)構(gòu)。其中電子收集結(jié)構(gòu)與帶有用于將所收集的電子移出該分離場的電子轉(zhuǎn)移電路的電能輸出電路連接，將電子送至正離子收集側(cè)的、與通氧結(jié)構(gòu)連通且由固體氧化物電解質(zhì)隔離結(jié)構(gòu)與正離子相隔離的多孔電極結(jié)構(gòu)，結(jié)合電子被還原成的氧負離子通過固體氧化物電解質(zhì)隔離結(jié)構(gòu)與分離收集的正離子化合(反應式為2Η++02_=Η20)并對外釋放出轉(zhuǎn)化的電能。其實質(zhì)是:燃料采用等離子發(fā)生器電解，氧氣采用與固體氧化物燃料電池相同的電解方式。但該專利存在的缺陷是:由于氧氣采用與固體氧化物燃料電池相同的電解方式，因此與固體氧化物燃料電池一樣需要高溫啟動,安全性差,運行成本高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有堿性燃料電池與等離子燃料電池各自的不足，提供一種能量密度高、能量轉(zhuǎn)化率高、安全性高、制造成本低的等離子堿性燃料電池。本發(fā)明采用的技術(shù)方案是:本發(fā)明包括相互獨立的陽極反應腔與陰極反應腔，陰極反應腔位于陽極反應腔左側(cè)，兩個所述反應腔中均裝有電解液；陽極反應腔前后兩側(cè)的外部固定設(shè)置一對極性相對布置的磁鐵；陽極反應腔右側(cè)依次設(shè)有等離子發(fā)生器、氫氣擴散腔和儲氫罐，等離子發(fā)生器的左端伸在陽極反應腔內(nèi)的電解液面上部、右端連接氫氣擴散腔，氫氣擴散腔通過管道連接儲氫罐；陽極反應腔與陰極反應腔之間連接且連通U型管，U型管與兩個所述反應腔內(nèi)電解質(zhì)液面相垂直且U型管與兩個所述反應腔的連接處低于電解液的高度；陽極反應腔內(nèi)的頂部設(shè)有收集電子的陽極，陰極反應腔內(nèi)的電解液內(nèi)浸沒有陰極組件，陽極、陰極組件分別為燃料電池的負極、正極。本發(fā)明中的U型管可采用連通直管代替，且在連通直管內(nèi)固定設(shè)有石棉膜。進一步地，本發(fā)明中的氫氣擴散腔和儲氫罐的連接管道上設(shè)有控制閥，氫氣擴散腔內(nèi)部設(shè)置氫氣壓氣機，氫氣回流管一端連接于氫氣壓氣機與控制閥之間，氫氣回流管另一端高于陽極反應腔內(nèi)的電解液面且連接陽極反應腔。本發(fā)明的有益效果是:
1、本發(fā)明采用等離子發(fā)生器電離氫氣，并且在封閉的陰極反應腔上采用氫氣回流結(jié)構(gòu)，將未電離且?guī)в杏酂岬臍錃廨斔椭翚錃獾入x子發(fā)生器輸入端，使氫氣循環(huán)地通過等離子發(fā)生器，提高了氫氣的電離效率和利用率以及整個系統(tǒng)的能量利用率，具有高能量密度和高能量效率的優(yōu)點。2、在氫氣回流管中設(shè)置脫水裝置，脫水裝置用于吸收回流氫氣中的水蒸氣，以避免水蒸氣進入等離子發(fā)生器而降低氫氣的電離效率和增加電離水蒸氣所需的能量及產(chǎn)生氧氣而帶來爆炸危險。3、本發(fā)明將陽極反應腔與陰極反應腔用與電解質(zhì)液面相垂直的U型管連接，無需常用的石棉膜，可提高電解液運輸氫氧根離子的能力，從而提高整個燃料電池的效率；通過U型管中電解質(zhì)液在重力作用下的液封作用以避免氧化劑進入陽極反應腔以及避免氫氣進入陰極反應腔，從而避免氫氣和氧氣混合，防止發(fā)生爆炸事故。根據(jù)需要，可采用常用連通直管和石棉膜以代替U型管，雖然電解液運輸氫氧根離子的能力有所降低，但可減小整體體積。4、本發(fā)明中的電解液采用高導電率的強堿溶液，避免使用價格高昂的質(zhì)子交換膜，可在常溫下運行，有效地降低制造成本。
以下結(jié)合附圖和具體實施方式
對本發(fā)明作進一步詳細說明:


圖1是本發(fā)明等離子堿性燃料電池的第一個實施例的結(jié)構(gòu) 圖2是本發(fā)明等離子堿性燃料電池的第二個實施例的結(jié)構(gòu) 圖3是圖1和圖2中陽極反應腔16的放大右視圖及磁鐵19的布置結(jié)構(gòu) 圖中:1_空氣壓縮機；2_ 二氧化碳脫除裝置；3_陰極反應腔；4_陰極組件；5_用電負載；6_陽極；7_脫水裝置；8_等離子發(fā)生器；9_氫氣回流管；10_氫氣擴散腔；11_氫氣壓縮機；12-儲氫罐；13-控制閥；14-等離子發(fā)生器功率控制裝置；15-等離子發(fā)生器專用電源；16-陽極反應腔；17-U形管；18_陰極反應腔通風口 ；19_磁鐵；20_石棉膜；21_連通直管。
具體實施例方式如圖1所示，本發(fā)明提供的一種等離子堿性燃料電池包括陽極反應腔16與陰極反應腔3，陽極反應腔16與陰極反應腔3是相互獨立的兩個反應腔，陰極反應腔3位于陽極反應腔16的左側(cè)。陽極反應腔16與陰極反應腔4均由非導電材料制成。在陽極反應腔16與陰極反應腔3中均裝有高導電率的強堿溶液作為電解液。在陽極反應腔16與陰極反應腔3之間連接U型管17，U型管17分別與兩個反應腔相通，U型管17內(nèi)也裝有相同的電解液。U型管17與上述兩個反應腔內(nèi)電解質(zhì)液面相垂直，U型管17與兩個反應腔的連接處要低于兩個反應腔內(nèi)電解液的高度。使用U型管17可提高電解液運輸氫氧根離子OH的能力。參見圖2所示，為了減小圖1所示的等離子堿性燃料電池的體積，可用連通直管21代替U型管17，采用連通直管21代替U型管17時，在連通直管21內(nèi)固定安裝石棉膜20。如圖1、2所示，陽極反應腔16為一密封結(jié)構(gòu)，在陽極反應腔16內(nèi)的頂部設(shè)有收集電子的陽極6。在陽極反應腔16的右側(cè)，依次設(shè)有等離子發(fā)生器8、氫氣擴散腔10和儲氫罐12，其中，等離子發(fā)生器8左端的等離子噴口伸在陽極反應腔16內(nèi)的電解液面的上部，等離子體發(fā)生器8工作時向陽極反應腔16內(nèi)噴入氫氣等離子體；等離子發(fā)生器8的右端連接氫氣擴散腔10，氫氣擴散腔10通過管道連接儲氫罐12。在氫氣擴散腔10和儲氫罐12之間的管道上安裝控制閥13，控制閥13開啟時儲氫罐12內(nèi)的氫氣進入到擴散腔10中。如圖3所不,在陽極反應腔16前后兩側(cè)的外部固定設(shè)置一對磁鐵19, 一對磁鐵19的N、S極性相對布置,這樣,在陽極反應腔16的內(nèi)腔整個范圍內(nèi)有一對磁鐵19產(chǎn)生的磁場，該磁場使等離子體發(fā)生器8噴出的電子飛向陽極6以及使氫離子飛向電解質(zhì)液面。如圖1、2所示，在氫氣擴散腔10內(nèi)部設(shè)置氫氣壓氣機11，氫氣回流管9 一端連接在氫氣壓氣機11與控制閥13之間，氫氣回流管9另一端連接陽極反應腔16，與陽極反應腔16相連的氫氣回流管9另一端高于陽極反應腔16內(nèi)的電解液面。氫氣回流管9采用絕緣絕熱材料制成，可提高本發(fā)明的熱效率和避免電子在氫氣回流管9上積聚而降低氫氣電離電子的有效利用率。經(jīng)氫氣回流管9回流的氫氣和儲氫罐12輸入的氫氣匯合在一起，匯合氫氣由氫氣壓氣機11壓向等離子發(fā)生器8。氫氣壓氣機11可提高未電離的氫氣與來自儲氫罐12氫氣的混合效率，提高未電離的氫氣的回流效率，提高離子發(fā)生器8的進氣效率，降低氫氣在電解液中的溶解量，進而進一步提高氫氣的利用效率。在氫氣回流管9中設(shè)置脫水裝置7，脫水裝置7用于吸收回流氫氣中的水蒸氣，以避免水蒸氣進入等離子發(fā)生器8而降低氫氣的電離效率和增加電離水蒸氣所需的能量及產(chǎn)生氧氣而帶來爆炸危險。等離子發(fā)生器8還通過等離子發(fā)生器功率控制裝置14連接等離子發(fā)生器專用電源15。等離子發(fā)生器功率控制裝置14用于調(diào)節(jié)等離子發(fā)生器8的功率以及一次通過氫氣的電離率。陰極反應腔3頂部開有與大氣相同的陰極反應腔通風口 18，陰極組件4浸沒在陰極反應腔3內(nèi)的電解液內(nèi)，陰極組件4連接有氣管的一端，氣管另一端伸出陰極反應腔3夕卜，并且連接位于陰極反應腔3外部的二氧化碳脫除裝置2，二氧化碳脫除裝置2連接空氣壓縮機I。二氧化碳脫除裝置2可脫除空氣中的二氧化碳，從而避免電解液出現(xiàn)二氧化碳中毒現(xiàn)象。陰極組件4與陽極6分別為本發(fā)明的正極與負極，其間可通過導線連接用電負載5，為用電負載5提供電能。
本發(fā)明工作時，同時啟動空氣壓縮機I與氫氣壓縮機11，開啟控制閥13，并通過等離子發(fā)生器功率控制裝置14使等離子發(fā)生器8進入工作狀態(tài)，此時，在陽極反應腔16的另一側(cè)，通過儲氫罐12和氫氣擴散腔10向等離子發(fā)生器8內(nèi)輸入純氫氣，以該純氫氣作為燃
料，等離子發(fā)生器8使氫氣電離，即:
權(quán)利要求
1.種等離子堿性燃料電池，其特征是:包括相互獨立的陽極反應腔(16)與陰極反應腔(3)，陰極反應腔(3)位于陽極反應腔(16)左側(cè)，兩個所述反應腔中均裝有電解液；陽極反應腔(16)前后兩側(cè)的外部固定設(shè)置一對極性相對布置的磁鐵(19);陽極反應腔(16)右側(cè)依次設(shè)有等離子發(fā)生器(8)、氫氣擴散腔(10)和儲氫罐(12)，等離子發(fā)生器(8)的左端伸在陽極反應腔(16)內(nèi)的電解液面上部、右端連接氫氣擴散腔(10)，氫氣擴散腔(10)通過管道連接儲氫罐(12);陽極反應腔(16)與陰極反應腔(3)之間連接且連通U型管(17)，U型管(17)與兩個所述反應腔內(nèi)電解質(zhì)液面相垂直且U型管(17)與兩個所述反應腔的連接處低于電解液的高度；陽極反應腔(16)內(nèi)的頂部設(shè)有收集電子的陽極(6)，陰極反應腔(3)內(nèi)的電解液內(nèi)浸沒有陰極組件(4)，陽極(6)、陰極組件(4)分別為負極、正極。
2.據(jù)權(quán)利要求1所述等離子堿性燃料電池，其特征是:氫氣擴散腔(10)和儲氫罐(12)的連接管道上設(shè)有控制閥(13)，氫氣擴散腔(10)內(nèi)部設(shè)置氫氣壓氣機(11)，氫氣回流管(9) 一端連接于氫氣壓氣機(11)與控制閥(13)之間，氫氣回流管(9)另一端高于陽極反應腔(16)內(nèi)的電解液面且連接陽極反應腔(16)。
3.據(jù)權(quán)利要求1所述等離子堿性燃料電池，其特征是:陰極組件(4)連接位于陰極反應腔(3 )外部的空氣壓縮機(I)。
4.據(jù)權(quán)利要求1所述等離子堿性燃料電池，其特征是:等離子發(fā)生器(8)通過等離子發(fā)生器功率控制裝置(14)連接等離子發(fā)生器專用電源(15)。
5.據(jù)權(quán)利要求1所述的等離子堿性燃料電池，其特征是:陰極反應腔(3)頂部開有與大氣相同的陰極反應腔通風口( 18 )。
6.據(jù)權(quán)利要求2所述等離子堿性燃料電池，其特征是:氫氣回流管(9)中設(shè)有脫水裝置(7)。
7.據(jù)權(quán)利要求3所述等離子堿性燃料電池，其特征是:陰極組件(4)和空氣壓縮機(I)之間連接二氧化碳脫除裝置(2 )。
8.據(jù)權(quán)利要求1 7任一所述等離子堿性燃料電池，其特征是:所述U型管(17)采用連通直管(21)代替，且在連通直管(21)內(nèi)固定設(shè)有石棉膜(20 )。
全文摘要
本發(fā)明公開一種等離子堿性燃料電池，包括相互獨立的陽極反應腔與陰極反應腔，陰極反應腔位于陽極反應腔左側(cè)，兩個反應腔中均裝有電解液；陽極反應腔前后兩側(cè)的外部固定設(shè)置一對極性相對布置的磁鐵；陽極反應腔右側(cè)依次設(shè)有等離子發(fā)生器、氫氣擴散腔和儲氫罐；陽極反應腔與陰極反應腔之間連接且連通U型管，U型管可采用連通直管代替且在連通直管內(nèi)固定設(shè)有石棉膜；氫氣擴散腔內(nèi)部設(shè)置氫氣壓氣機，氫氣回流管一端連接于氫氣壓氣機與控制閥之間，氫氣回流管另一端高于陽極反應腔內(nèi)的電解液面且連接陽極反應腔；將未電離且?guī)в杏酂岬臍錃廨斔椭翚錃獾入x子發(fā)生器輸入端，使氫氣循環(huán)地通過等離子發(fā)生器，提高氫氣的電離效率以及能量利用率。
文檔編號H01M8/06GK103094592SQ20131002653
公開日2013年5月8日 申請日期2013年1月21日 優(yōu)先權(quán)日2013年1月21日
發(fā)明者陳士安, 湯哲鶴, 趙廉健, 彭佳鑫, 馬銀, 孫德浩, 王蓓 申請人:江蘇大學