[发明专利]等离子体燃料电池

说明书

技术领域

本发明涉及一种燃料电池，具体讲是一种使燃料气体经等离子变换后参与电化学反应过程完成将化学能转换为电能并对外负载输出的燃料电池。

背景技术

燃料电池的本质，是一种以适当方式将燃料化合物中的化学能通过电化学反应直接转化为电能，即：使具有较高化学能态结合键的燃料化合物在转变为相对较低化学能态结合键(如H₂O、CO₂等)化合物的过程中，使释放的化学势能直接转换为能对外负载输出做功的电能的装置，而不是以传统的光、热方式释放(许世森，程健：《燃料电池发电系统》，中国电力出版社，2006.1第一版)。相比于内燃机等以燃烧热转化化学能的传统方式，因其具有能量转化效率高，污染低，负载能力强等优点，特别是在当前为解决能源紧张，环境污染严重等经济、社会问题的背景下，其更具有重要的现实意义，因而越来越多地得到世界各国的重视，并进行了较为广泛深入的研发。

目前已有研究和报道的燃料电池技术包括有碱性燃料电池(AFC)、磷酸型燃料电池(PAFC)、熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)、固体氧化物燃料电池(SOFC)、质子交换膜燃料电池(PEMFC)等，其基本的工作原理和过程如图1所示。首先是使燃料(H₂)在阳极侧被离解，释放出电子(e)和正离子(H⁺)；然后使电子通过外电路到达阴极，把氧化剂(O₂)还原成氧负离子(O^2-)；同时使H⁺穿过质子交换膜与O^2-在氧化剂一侧进行化合反应(质子交换膜燃料电池)，或是使O^2-穿过电解质与H+在燃料一侧发生化合反应(固体氧化物燃料电池)。在此过程中通过电子在外电路中形成电流，对负载做功，对外输出电能，完成将化学能转换为能直接对外输出的电能。其技术上的一个共同点，就是都是通过具有电性选择特点的材料使离解成负电性的电子(e)和正电性的H⁺进行分离。

上述的各种燃料电池，一方面在使燃料离子化时都需使用如铂、钯等贵重金属做催化剂，另一方面因其单体电池单元的输出功率较小(输出电压仅1.2V左右)，为使其能达到具有实用输出功率的合适电压和/或电流，需将多个电池单元相互串联和/或并联，这就需要大量使用连接电池单元体的双极板。由于该双极板因同时处于氧化环境和还原环境这一极为苛刻的工作环境中，因而对其化学稳定、几何尺寸的厚度工艺条件(为保证系统的体积不至于太大)等多方面的要求都非常高。此外，有些燃料电池在正、负离子分离阶段采用的电解质多为价格昂贵的新型材料，如质子交换膜(质子交换膜燃料电池)，或是易出现腐蚀等问题的液体电解质(磷酸型燃料电池)。并且，如熔融碳酸盐燃料电池、固体氧化物燃料电池等不少燃料电池在反应阶段中，反应产物与燃料余气相互混合，难于、也没有对余气回收重新利用，浪费大。这些都是导致目前的燃料电池存在有高成本(特别是目前的双极板成本可占整个燃料电池系统成本的60％)、燃料单一和使用不方便等诸多问题，也是其无法得到大规模应用和商用的主要原因。