專利名稱：等離子燃料電池的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種燃料電池。
背景技術(shù)：
現(xiàn)有的燃料電池已經(jīng)歷五代。它們按電解質(zhì)不同分為堿性燃料電池(AFC)、磷酸燃料電池(PAFC)、熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)、固體氧化物燃料電池(SOFC)和質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)。它們的共同基本原理如圖1所示。有陰、陽二電極板，這些電極板都有多孔材料作主要構(gòu)件。兩電極板之間有電解質(zhì)。它們的燃料多為氫氣。氫氣在一定壓力作用下通過陽極板的微孔到達(dá)電解質(zhì)，同樣，空氣(氧氣)也在一定壓力作用下通過陰極板的微孔到達(dá)電解質(zhì)，再通過催化劑和電解質(zhì)，在氫和氧生成化學(xué)離子的同時(shí)，外電路發(fā)生電流，然后氫和氧化學(xué)離子結(jié)合成水。這些燃料電池的共同缺點(diǎn)是(1)成本高，有的電池的電極(催化劑)含大量貴金屬鉑和其它高新材料，有的工藝復(fù)雜；(2)氫的儲(chǔ)帶困難(或改質(zhì)設(shè)備復(fù)雜)；(3)功率密度?。?4)啟動(dòng)性能差等。因而，這些燃料電池至今難于廣泛用于汽車上。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決現(xiàn)有的燃料電池成本高、啟動(dòng)性能差等問題，本發(fā)明提出等離子燃料電池。
本發(fā)明的等離子燃料電池，它包括兩個(gè)等離子槍，兩個(gè)等離子槍之間是電解質(zhì)，兩等離子槍分別向電解質(zhì)噴出高溫高速的氫、氧等離子體火焰流。因高速等離子體流之故，則它的單體功率成倍大于現(xiàn)有燃料電池。
上述等離子燃料電池中，在兩等離子槍之間可以不是電解質(zhì)，而只是水或空氣。
特別是其電解質(zhì)可以按需采用固體，或者液體，電解質(zhì)的溫度可高也可低。
特別是等離子燃料電池可以是多燃料的，除了氫氣以外，還有石油氣和非石油氣。
特別是作為陽極和陰極的兩個(gè)等離子槍可以采用不同的形式，槍體和槍頭(噴孔頭)也可以作成各種不同的結(jié)構(gòu)。
特別是可以在電極和電解質(zhì)內(nèi)或兩者之間加催化劑。
特別是可將多個(gè)燃料電池串聯(lián)/并聯(lián)/串聯(lián)一并聯(lián)成燃料電池堆。
特別是為了提高單體電池的電壓，可以將左、右等離子槍的腔壁的噴孔頭作成分割式，被分割的金屬塊之間用絕緣體分開，每個(gè)分割塊上安裝一個(gè)接線柱。陰極和陽極的分割塊的數(shù)量相等。
提高燃料電池功率的有效途徑是得到大量的氫、氧化學(xué)離子。以往的燃料電池采取了很多措施來達(dá)到此目的，例如將電極作成多孔電極(而且，這些微孔越來越細(xì)小，現(xiàn)已達(dá)到納米級(jí)(nm)，雙電極，組合電極，不惜大量用貴金屬(鉑、金等)作催化劑，采用各種最新材料作電極和電解質(zhì)，采用高溫工作環(huán)境等。但是，在大自然中還有一種物理離子，這就是等離子體。因此，本發(fā)明首先用等離子槍產(chǎn)生大流量的氫、氧等離子體流，然后將氫、氧等離子轉(zhuǎn)變?yōu)闅?、氧化學(xué)離子。
等離子燃料電池繼承了以往各種燃料電池的優(yōu)點(diǎn)，也克服了它們的缺點(diǎn)，尤其是它還有自身的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)。這種燃料電池的優(yōu)點(diǎn)是(1)現(xiàn)有燃料電池的系統(tǒng)效率比內(nèi)燃機(jī)高，為40～55％，而本發(fā)明的系統(tǒng)效率可高達(dá)60％以上；(2)不僅它本身結(jié)構(gòu)簡單，體積小，工藝簡單，無需大量的貴金屬鉑，制造成本低，就是加上電動(dòng)機(jī)及其變電—控制系統(tǒng)，其成本也低于內(nèi)燃機(jī)；(3)單體功率大；(4)啟動(dòng)快；(5)燃料多樣，可以是氫氣，也可以是石油氣和非石油氣，甚至還可以是煤，在氫氣的制取和儲(chǔ)帶等技術(shù)難題未解決以前，可以用甲烷、甲醇或酒精等代用，則可基本解決世界三大危機(jī)石油枯竭、環(huán)境污染和大氣變暖；(6)過載能力強(qiáng)；(7)如果廣泛采用，無須龐大的社會(huì)投資等。
這樣的燃料電池可以替代內(nèi)燃機(jī)作為所有汽車的優(yōu)秀動(dòng)力能源，也可用作各種大、中、小型發(fā)電站的發(fā)電設(shè)備。


圖1是目前燃料電池的基本結(jié)構(gòu)原理圖。
圖2是本發(fā)明的基本原理圖。
圖3是本發(fā)明的推薦實(shí)施結(jié)構(gòu)原理圖。
具體實(shí)施例方式
圖1所示的是現(xiàn)有燃料電池的基本結(jié)構(gòu)圖，左多孔電極1與右多孔電極2之間是電解質(zhì)3，左多孔電極1、右多孔電極2分別作為陽極和陰極連接成輸出電路；另外，電極結(jié)構(gòu)也各異，有的電極的制作工藝很復(fù)雜。但是，它們的基本原理是共同的。
在圖2中，左邊等離子槍由左中心電極4，左槍腔壁5組成，左中心電極4和左槍腔壁5之間用絕緣體21分開，左槍腔壁5是等離子槍的另外一個(gè)電極，左中心電極4、絕緣體21和左槍腔壁5之間還有內(nèi)腔6，其上有氫氣入口10和噴孔7。右邊等離子槍由右中心電極14，右槍腔壁20組成，右中心電極14和右槍腔壁20之間也用絕緣體22分開，右槍腔壁20是等離子槍的另外一個(gè)電極，右中心電極14、絕緣體22和右槍腔壁20之間也還有內(nèi)腔15，其上有氧氣入口11和噴孔16。左、右等離子槍之間是電解質(zhì)液槽13，其中有電解質(zhì)水溶液23。左邊等離子槍稱為燃?xì)獾入x子槍，右邊等離子焊槍稱為氧氣等離子槍。供給兩等離子槍的電源稱為左、右輔助電源17和18。左中心電極4接左輔助電源17的陰極，左槍腔壁5接其陽極；右中心電極14接右輔助電源18的陽極，右槍腔壁20接其陰極。然后用導(dǎo)線將兩個(gè)等離子槍的槍腔壁連起來，成為主電路19，則左槍腔壁5為主電路的陽極，右槍腔壁20為主電路的陰極。當(dāng)左輔助電源17接通且氫氣以一定壓力從燃?xì)馊肟?0進(jìn)入左內(nèi)腔6后，便由左槍噴孔7向電解質(zhì)槽中的電解質(zhì)水溶液噴入高溫、高速的氫等離子體火焰9。注意，因?yàn)椴淮嬖谘鯕?，這種火焰不是氫氣燃燒的火焰，而是氫氣被等離子槍加熱后的高溫等離子流。同樣，當(dāng)右輔助電源18接通且氧氣以一定壓力從氧氣入口11進(jìn)入右內(nèi)腔15后，便由右槍噴孔16向電解質(zhì)槽中的電解質(zhì)噴入高溫、高速的氧等離子體火焰12。
實(shí)際上，因?yàn)榛鹧鏈囟群芨?，?dāng)它們從噴孔噴出并與水接觸時(shí)，必然使水發(fā)生沸騰，水蒸汽必裹帶在噴孔中已生成的化學(xué)離子從電解質(zhì)液中游離出水面，其結(jié)果使發(fā)電效率降低。為了不發(fā)生這種情況，將圖2中的結(jié)構(gòu)進(jìn)一步改進(jìn)如圖3所示。在兩火焰噴孔7和16各加一個(gè)管套24和25，火焰的溫度可通過管套壁冷卻下降。這樣，一可以使氫、氧兩離子流在電解質(zhì)液中會(huì)合前將溫度降低到接近水溫，使兩種化學(xué)離子不因水的強(qiáng)烈蒸發(fā)而流失，二是使火焰流中還未變?yōu)榛瘜W(xué)離子的剩余等離子體繼續(xù)按遠(yuǎn)程捕捉原理變?yōu)榛瘜W(xué)離子，同時(shí)增加電解質(zhì)液槽中陰、陽兩極間的電阻。
在所述電解質(zhì)液槽13中，根據(jù)具體情況可以用水或空氣替代電解質(zhì)水溶液23。
本發(fā)明中，可以將多個(gè)等離子燃料電池串聯(lián)或并聯(lián)或串聯(lián)—并聯(lián)，形成等離子燃料電池堆。
下面以氫氣為燃料，以純氧作氧化劑，以苛性鉀(KOH)水溶液作電解質(zhì)為例說明本發(fā)明燃料電池的工作過程。
如果將主電路19接通，當(dāng)高溫氧等離子體火焰流12從陰極噴孔16噴出時(shí)，因噴孔壁的溫度較低，與噴孔壁接觸的氧等離子體的溫度降低，失穩(wěn)的氧等離子體的離子(質(zhì)子)會(huì)撞擊陰極噴孔壁，氧離子(質(zhì)子)就會(huì)吸收右槍腔壁20的自由電子，此作用通過主電路19的導(dǎo)線傳到陽極5，使與陽極7闖擊的失穩(wěn)氫等離子體的電子從陽極到陰極運(yùn)動(dòng)。值得特別指出，氧原子核有8個(gè)質(zhì)子，有兩個(gè)電子層，第一層有2個(gè)電子，第二層有6個(gè)電子，氧原子核還有獲得2個(gè)電子的趨勢(shì)，我們不妨稱上述作用為遠(yuǎn)程作用，這樣，在主電路中就產(chǎn)生電位，根據(jù)電化學(xué)熱力學(xué)計(jì)算，其啟動(dòng)電動(dòng)勢(shì)為E0＝1.41V，這樣，在主電路中就產(chǎn)生了電流。同時(shí)，氧離子(質(zhì)子)的這種遠(yuǎn)程作用可使兩邊等離子體火焰流中的等離子體分別變?yōu)榛瘜W(xué)的氫、氧離子(H+、O2-)，并隨同火焰流從噴孔噴出。這兩高速化學(xué)離子流在電解質(zhì)液中相碰時(shí)，會(huì)結(jié)合成水；即使有一部分離子會(huì)散入電解質(zhì)液中，也會(huì)通過電解質(zhì)的電化學(xué)平衡在流動(dòng)的電解質(zhì)液中也結(jié)合成水。
前已指出，與現(xiàn)有的燃料電池一樣，等離子燃料電池的電解質(zhì)可是液體，也可是固體。總之，視需要而定。
因?yàn)榈入x子燃料電池的功率很大，而其電壓可能只有1V左右，因此，其電流強(qiáng)度一定很大。建議將左、右等離子槍的腔壁的噴孔頭作成分割式，被分割的金屬塊之間用絕緣體分開，每個(gè)分割塊上安裝一個(gè)接線柱，左、右等離子槍的腔壁的噴孔頭的分割塊的數(shù)量相等，分割塊兩兩對(duì)應(yīng)作為陰極和陽極。這樣，就可將一個(gè)主電路分割成多個(gè)電路，如果將這多個(gè)電路串聯(lián)起來，這不僅成倍減小主電路中的電流強(qiáng)度，還能成倍提高單個(gè)電池的電壓。
權(quán)利要求
1.一種等離子燃料電池，其特征在于包括兩個(gè)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)；兩等離子槍分別向電解質(zhì)噴入氫等離子體流、氧等離子體流，兩等離子槍腔壁分別作為陽極和陰極，連接成輸出電路。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的等離子燃料電池，其特征在于在所述兩等離子槍之間不是電解質(zhì)，而是水或空氣。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的等離子燃料電池，其特征在于所述電解質(zhì)可以是固體，也可以是液體。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的等離子燃料電池，其特征在于在等離子槍內(nèi)和電解質(zhì)內(nèi)加有催化劑。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的等離子燃料電池，其特征在于等離子燃料電池可以是多燃料的，除了氫氣以外，還可以是石油氣或非石油氣。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的等離子燃料電池，其特征在于將多個(gè)等離子燃料電池串聯(lián)或并聯(lián)或串聯(lián)—并聯(lián)，形成等離子燃料電池堆。
7.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的等離子燃料電池，其特征在于左、右等離子槍的腔壁的噴孔頭為分割式，被分割的金屬塊之間用絕緣體分開，每個(gè)分割塊上安裝一個(gè)接線柱，左、右等離子槍的腔壁的噴孔頭的分割塊的數(shù)量相等，分割塊兩兩對(duì)應(yīng)作為陰極和陽極。
全文摘要
一種等離子燃料電池，它包括兩個(gè)產(chǎn)生高溫、高速等離子體火焰流和的等離子槍，在兩等離子槍之間是電解質(zhì)或水或空氣。兩個(gè)等離子槍向電解質(zhì)噴入氫等離子體流、氧等離子體流，兩等離子槍腔壁分別作為陽極和陰極，連接成主電路。兩等離子體流在流動(dòng)過程中分別變?yōu)榛瘜W(xué)離子，結(jié)合成水或CO
文檔編號(hào)H01M8/00GK1677733SQ20041001297
公開日2005年10月5日 申請(qǐng)日期2004年4月3日 優(yōu)先權(quán)日2004年4月3日
發(fā)明者王守義 申請(qǐng)人:王守義