[发明专利]一种等离子碱性燃料电池

说明书

技术领域

本发明属于燃料电池技术领域，尤其涉及一种等离子碱性燃料电池。

背景技术

燃料电池是一种不需要经过燃料燃烧能将燃料中的化学能直接转化为电能的装置。现有的燃料电池包括碱性燃料电池、等离子燃料电池等。

碱性燃料电池一般以氢气为燃料，可采用非铂为催化剂，以空气或纯氧气为氧化剂，以强碱溶液为电解质，以浸透在电解质中的石棉膜为碱性燃料电池阳极与阴极间的分隔膜，石棉膜只允许氢氧根离子OH^-通过，不允许氧气分子及氢气分子通过，这种碱性燃料电池中，氧化剂及氢气的电解是在催化剂作用下的电化学反应，反应速度慢，故具有能量密度低的缺陷。

等离子燃料电池是利用等离子发生器电离氧化剂（比如空气或纯氧气）和燃料（比如纯氢气、甲醇或乙醇），使电离后的燃料和氧化剂相互接触产生电化学反应获得电流。例如：中国专利号为ZL 200410012971.4，名称为“等离子燃料电池”公开的等离子燃料电池包括两个产生高温、高速等离子体火焰流的等离子枪，在两等离子枪之间是电解质液（或水或空气的）槽，两个等离子枪向电解质液槽中喷入氢、氧等离子体流，两等离子枪腔壁分别作为阳极和阴极，可连接成主电路。氢、氧等离子体流在电解质液槽中结合成水或CO₂，同时在主电路中产生电流。但该专利存在的缺陷是：两等离子枪一次不能使所有的氢燃料和氧化剂电离，因而能量效率不高；两个等离子枪向电解质液槽直接喷入氢等离子体流、氧等离子体流后，有未被电离的氢气和氧气直接混合，易导致爆炸事故。

中国专利申请号为200710050640.3，名称为“等离子体燃料电池”公开的等离子燃料电池在等离子喷射流发生单元之后的等离子体流运行路径上有一个场力方向与其运行方向垂直的外加离子分离场，在被分离的正负离子运动方向上设有相应的收集结构。其中电子收集结构与带有用于将所收集的电子移出该分离场的电子转移电路的电能输出电路连接，将电子送至正离子收集侧的、与通氧结构连通且由固体氧化物电解质隔离结构与正离子相隔离的多孔电极结构，结合电子被还原成的氧负离子通过固体氧化物电解质隔离结构与分离收集的正离子化合（反应式为2H⁺+O^2-=H₂O）并对外释放出转化的电能。其实质是：燃料采用等离子发生器电解，氧气采用与固体氧化物燃料电池相同的电解方式。但该专利存在的缺陷是：由于氧气采用与固体氧化物燃料电池相同的电解方式，因此与固体氧化物燃料电池一样需要高温启动，安全性差，运行成本高。

发明内容

本发明的目的是针对现有碱性燃料电池与等离子燃料电池各自的不足，提供一种能量密度高、能量转化率高、安全性高、制造成本低的等离子碱性燃料电池。

本发明采用的技术方案是：本发明包括相互独立的阳极反应腔与阴极反应腔，阴极反应腔位于阳极反应腔左侧，两个所述反应腔中均装有电解液；阳极反应腔前后两侧的外部固定设置一对极性相对布置的磁铁；阳极反应腔右侧依次设有等离子发生器、氢气扩散腔和储氢罐，等离子发生器的左端伸在阳极反应腔内的电解液面上部、右端连接氢气扩散腔，氢气扩散腔通过管道连接储氢罐；阳极反应腔与阴极反应腔之间连接且连通U型管，U型管与两个所述反应腔内电解质液面相垂直且U型管与两个所述反应腔的连接处低于电解液的高度；阳极反应腔内的顶部设有收集电子的阳极，阴极反应腔内的电解液内浸没有阴极组件，阳极、阴极组件分别为燃料电池的负极、正极。

本发明中的U型管可采用连通直管代替，且在连通直管内固定设有石棉膜。

进一步地，本发明中的氢气扩散腔和储氢罐的连接管道上设有控制阀，氢气扩散腔内部设置氢气压气机，氢气回流管一端连接于氢气压气机与控制阀之间，氢气回流管另一端高于阳极反应腔内的电解液面且连接阳极反应腔。

本发明的有益效果是：

1、本发明采用等离子发生器电离氢气，并且在封闭的阴极反应腔上采用氢气回流结构，将未电离且带有余热的氢气输送至氢气等离子发生器输入端，使氢气循环地通过等离子发生器，提高了氢气的电离效率和利用率以及整个系统的能量利用率，具有高能量密度和高能量效率的优点。

2、在氢气回流管中设置脱水装置，脱水装置用于吸收回流氢气中的水蒸气，以避免水蒸气进入等离子发生器而降低氢气的电离效率和增加电离水蒸气所需的能量及产生氧气而带来爆炸危险。