[发明专利]复合极燃料电池

说明书

(一)技术领域

本发明是一种结合了碱性燃料电池(AFC)和金属半燃料电池(MSFC)特点的新型燃料电池，属于清洁能源领域。碱性燃料电池(AFC)是最早开发并应用的燃料电池，金属半燃料电池(MSFC)是兼具燃料电池和电池特征的能量转换装置，二者均被认为是新世纪首选的洁净高效的发电技术。

(二)背景技术

本发明参考的燃料电池有以下两种：

1、碱性燃料电池，其阳极与阴极间是电解质层，阳极通入氢气(H₂)，阴极通入氧气(O₂)，在一定条件下发生总反应为1/2O₂+H₂→H₂O，并在阳极与阴极间产生电压。碱性燃料电池的优点为工作性能好，尤其低温工作性能好，启动容易，电池系统成本不高；缺点为电极使用的催化剂较贵，最好用纯氢和纯氧。

2、金属半燃料电池，其阳极置于电池壳内，阴极可作为电池壳，之间注入电解质液，在一定条件下发生总反应为X+O₂+H₂O→X(OH)+OH^-，并在阳极与阴极间产生电压。其电池的优点为能量密度高，电池电压高，放电电压平稳，不需要催化剂，工艺技术要求较低，运行安全可靠；缺点是金属阳极要不断被消耗，且阳极产生析氢副反应使上述优点大打折扣。

综上所述，燃料电池实际为一能量转换装置，被看作是继火力发电、水力发电、核电之后的第四种发电方式。它通过电化学反应直接将燃料的化学能转化为电能，转换效率高(75％～100％)，容量大，比能量高(3600wn/k8)，功率范围广(从1瓦到兆瓦级)，不用充电，使用方便，结构简单，无污染，无噪声。

燃料电池广泛应用于发电站、交通运输(如汽车、船舰、飞机、火车)、便携电子设备、航天、机器人等处，它还特别适用于建设分电站，省去集中式电网所需的远程输电设备(如变压器、输电线等)，节省大量铜材等资源，解决因电网输电出现故障或遭到破坏造成大面积停电瘫痪，以及输电过程中约20％的能量损耗。由于我国需大量进口能源如石油等，发展新型燃料电池对于国家能源安全是十分重要的。

(三)发明内容

金属半燃料电池在工作时阳极产生析氢(H)副反应，会使电池的优点大打折扣，而碱性燃料电池的阳极又需要氢作为原料来工作。以金属阳极铝棒为例，其析氢副反应为Al+H2O+OH^-→Al(OH)x+H，该副产物正好为碱性燃料电池的原料。

为了克服碱性燃料电池和金属半燃料电池的缺点，本发明提出一种综合两者优点的全新技术方案，使用复合电极，首先充分利用金属半燃料电池的析氢副反应，氢成为碱性燃料电池阳极的原料，使催化剂得到保护，延长其工作寿命。其次，两种燃料电池都使用碱性水溶液作电解质，本发明使电解质在管道中不断循环，清除溶液中的有害物质，并不断补充OH^-，克服了不良电解质影响电池性能的缺陷，既提高了电池效率，又不需附加冷却系统，延长电池的工作寿命。

附图说明，图1是本发明的电池结构图，图2是本发明的电极(阳极与阴极)的剖面图，图3是阳极辅电极的轴测图，图4是阴极辅电极的轴测图，图5是本发明的一个实施例的原理示意图。

如图1所示，本发明的主体结构类似碱性燃料电池，电极由阳极1和阴极2组成，阳极1和阴极2安装于绝缘框架上，再将绝缘框架整体放置于电解质槽体中。在阳极1表面安装多个阳极辅电极8，在阴极1表面安装多个阴极辅电极9，组成复合电极。阳极1和阴极2中间是电解质3。阳极1一侧是H₂的进出气槽孔，阴极2一侧是O₂的进出气槽孔，槽体两边应密封以使氢和氧不能直接接触。槽体两侧分别有一个电解质的进出口，均连接循环管4，供电解质3流动循环用。

如图2所示，阳极1用铁(Fe)作基板7，并使用照相光刻腐蚀工艺做成穿孔10，穿孔10的粗孔径＜＝30微米，细孔径＜＝15微米，粗孔径为细孔径的2～3倍，粗孔长度为细孔长度的2～3倍。基板7的粗孔径面对进气面，细孔径面对电解质，并在其表面用真空溅散工艺涂复一层厚度为1微米～10微米的镍层11。在阳极1表面安装多个阳极辅电极8，为齿柱形的铝/镁的金属棒，基板7与阳极辅电极8是电接触即等电位连接的。阴极2的结构与阳极1一样，同样用铁(Fe)作基板7并做成双孔结构，可以不镀镍，在阴极2表面安装多个阴极辅电极9，为瓶刷状的碳纤维棒，基板7与阴极辅电极9是电接触即等电位连接的。