一種場(chǎng)催化受控燃料電池的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于新能源技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種燃料電池，具體涉及一種利用電場(chǎng)來(lái)加速電極電化學(xué)反應(yīng)的可控燃料電池。
【背景技術(shù)】
[0002]燃料電池技術(shù)被人認(rèn)為是一種極具前景的清潔能源技術(shù)，所以燃料電池一直是學(xué)術(shù)關(guān)注的熱點(diǎn)。目前，燃料電池大致可以分為五類:質(zhì)子交換膜燃料電池、堿性燃料電池、磷酸燃料電池、熔融碳酸鹽燃料電池和固體氧化物燃料電池。目前，這五類電池都存在自身的一些缺陷，質(zhì)子膜燃料電池性能最好，但是需要使用昂貴的Pt催化劑和質(zhì)子交換膜材料，堿性燃料電池只能使用純氧作為氧化劑，其他的幾種燃料電池都需要高溫條件下工作，從而帶來(lái)一些衰減問(wèn)題，以及設(shè)備復(fù)雜，不容易維護(hù)成本高、效率低等問(wèn)題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的主要目的是為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種用電場(chǎng)來(lái)加速電極電化學(xué)反應(yīng)的燃料電池。
[0004]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案:
[0005]一種場(chǎng)催化受控燃料電池，結(jié)構(gòu)包括多孔陽(yáng)極1、電解質(zhì)2和多孔陰極3構(gòu)成的三明治結(jié)構(gòu)燃料電池和場(chǎng)催化器4 ;所述的場(chǎng)催化器4由電壓可調(diào)的高壓直流電源41、陽(yáng)極側(cè)場(chǎng)電極421和陰極側(cè)場(chǎng)電極422構(gòu)成；所述的陽(yáng)極側(cè)場(chǎng)電極421置于多孔陽(yáng)極I的外側(cè)，在陽(yáng)極側(cè)場(chǎng)電極421和多孔陽(yáng)極I之間有輸送燃料的通道，所述陰極側(cè)場(chǎng)電極422置于多孔陰極3的外側(cè)，在陰極側(cè)場(chǎng)電極422和多孔陰極3之間有輸送空氣或氧氣的通道，陽(yáng)極側(cè)場(chǎng)電極421與高壓直流電源41的負(fù)極相連，陰極側(cè)場(chǎng)電極422與高壓直流電源41的正極相連，所述的陽(yáng)極側(cè)場(chǎng)電極421和陰極側(cè)場(chǎng)電極422是兩個(gè)包覆了絕緣膜的導(dǎo)體板；所述的電解質(zhì)2鑲嵌在多孔陽(yáng)極I和多孔陰極3之間以及多孔陽(yáng)極I和多孔陰極3的網(wǎng)孔中，電解質(zhì)2與多孔陽(yáng)極I在多孔陽(yáng)極I的上表面處平齊，與多孔陰極3在多孔陰極3的下表面處齊平，以使得多孔陽(yáng)極I和多孔陰極3在鑲嵌了電解質(zhì)2后形成的上下表面均是平整的平面，所述的多孔陽(yáng)極I和多孔陰極3是不與電解質(zhì)2反應(yīng)的多孔金屬網(wǎng)，所述的電解質(zhì)2是有離子導(dǎo)電性且沒(méi)有電子導(dǎo)電性的電解質(zhì)。
[0006]本發(fā)明中所述的電解質(zhì)2可以是質(zhì)子交換膜，或是固體氧化物燃料電池電解質(zhì)材料，或是浸過(guò)酸或堿或鹽溶液的鋰電池隔膜，或是浸過(guò)酸或堿或鹽溶液的石棉膜。
[0007]為了提高性能，在本發(fā)明所述的多孔陽(yáng)極I和多孔陰極3的表面還可以鍍有鉑催化劑材料。
[0008]本發(fā)明中所述的高壓直流電源41優(yōu)選輸出電壓為O?30000V的可調(diào)直流電源。
[0009]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的明顯優(yōu)勢(shì)是:
[0010]1、本發(fā)明由于引入了一個(gè)外加電場(chǎng)來(lái)催化電極電化學(xué)反應(yīng)，從而可以不使鉑金等貴金屬催化劑，節(jié)約成本，且避免了催化劑中毒失活等問(wèn)題。
[0011]2、本發(fā)明的場(chǎng)催化受控燃料電池較傳統(tǒng)燃料電池有更高的輸出功率密度，在不使用催化劑的情況下，可達(dá)傳統(tǒng)燃料電池的1.2?1.5倍，在使用鍍有催化劑的電極情況下，可達(dá)傳統(tǒng)燃料電池的2.2?2.5倍。
[0012]3、本發(fā)明的燃料電池可以在常溫下運(yùn)行，使用方便，且不存在衰減問(wèn)題。。
[0013]4、本發(fā)明的燃料電池，可以通過(guò)調(diào)節(jié)催化器中高壓直流電源的電壓來(lái)控制反應(yīng)的劇烈程度，從而實(shí)現(xiàn)電池輸出功率的控制。
【附圖說(shuō)明】
[0014]圖1為本發(fā)明場(chǎng)催化受控燃料電池的一種實(shí)施例的工作原理示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0015]實(shí)施例1
[0016]下面結(jié)合【附圖說(shuō)明】本發(fā)明的工作原理、特征及優(yōu)點(diǎn)。
[0017]參考圖1，圖1示意了場(chǎng)催化受控燃料電池的結(jié)構(gòu)，它由多孔陽(yáng)極1、電解質(zhì)2和多孔陰極3構(gòu)成的三明治結(jié)構(gòu)燃料電池和場(chǎng)催化器4構(gòu)成。電解質(zhì)2鑲嵌在多孔陽(yáng)極I和多孔陰極3之間以及多孔陽(yáng)極I和多孔陰極3的網(wǎng)孔中。鑲嵌了電解質(zhì)之后的電極的外表面是平齊的平面，另外，這里電解質(zhì)2可以使用美國(guó)杜邦公司生產(chǎn)的全氟磺酸型電解質(zhì)膜Naf 1n 117，多孔陽(yáng)極I和多孔陰極2可以使用鎳網(wǎng)，為了提高輸出功率密度，還可以在鎳網(wǎng)表面鍍上一層鉑催化劑。催化器4由電壓可調(diào)的高壓直流電源41 (輸出電壓為O?30000V)以及陽(yáng)極側(cè)場(chǎng)電極421和陰極側(cè)場(chǎng)電極422構(gòu)成。陽(yáng)極側(cè)場(chǎng)電極421和陰極側(cè)場(chǎng)電極422分別置于多孔陽(yáng)極I和多孔陰極3的外側(cè)，陽(yáng)極側(cè)場(chǎng)電極421和多孔陽(yáng)極I的表面之間為燃料通道，陰極側(cè)場(chǎng)電極422和多孔陰極3的表面之間為空氣或氧氣通道，陽(yáng)極側(cè)場(chǎng)電極421與高壓直流電源41的負(fù)極相連，陰極側(cè)場(chǎng)電極422與高壓直流電源41的正極相連。陽(yáng)極側(cè)場(chǎng)電極421和陰極側(cè)場(chǎng)電極422可以是兩個(gè)包覆了絕緣膜的導(dǎo)體板。
[0018]工作時(shí)，高壓直流電源41對(duì)陽(yáng)極側(cè)場(chǎng)電極421和陰極側(cè)場(chǎng)電極422進(jìn)行充電，從而在兩個(gè)場(chǎng)電極之間形成強(qiáng)電場(chǎng)，在強(qiáng)電場(chǎng)的作用下，多孔陽(yáng)極I表面感應(yīng)出正電荷，由于多孔陽(yáng)極I表面是多孔金屬網(wǎng)和電解質(zhì)鑲嵌成的平面，感應(yīng)出的電荷主要集中在多孔金屬網(wǎng)的表面，而電解質(zhì)表面感應(yīng)電荷較少，這樣在陽(yáng)極側(cè)場(chǎng)電極421和多孔陽(yáng)極I之間形成逐漸增強(qiáng)的梯度電場(chǎng)，越靠近陽(yáng)極電場(chǎng)越強(qiáng)。以氫氧燃料電池為例，當(dāng)氫氣通過(guò)燃料通道時(shí)，在梯度電場(chǎng)的作用下，燃料分子會(huì)吸附在多孔陽(yáng)極I上，由于多孔陽(yáng)極I的上表面有極強(qiáng)的感應(yīng)電場(chǎng)，所以在這種強(qiáng)電場(chǎng)的作用下燃料分子極易解離、氧化同時(shí)把電子傳導(dǎo)給多孔導(dǎo)體電極，燃料分子自身則生成陽(yáng)離子進(jìn)入電解質(zhì)2中，從而完成陽(yáng)極的電極反應(yīng)。類似的，多孔陰極3的下表面和陰極側(cè)場(chǎng)電極422之間也會(huì)感應(yīng)出越靠近多孔陰極3越強(qiáng)的梯度電場(chǎng)，在這種電場(chǎng)的作用下，當(dāng)氧氣通過(guò)氧氣通道時(shí)，氧分子也會(huì)吸附在多孔陰極3上，在多孔陰極3下表面強(qiáng)電場(chǎng)作用下解離、還原，同時(shí)從多孔陰極3的表面獲取電子而生成陰離子，生成的陰離子進(jìn)入電解質(zhì)2內(nèi)部。在多孔陰極3處生成的陽(yáng)離子和在多孔陽(yáng)極I處生成的陰離子在濃度梯度的作用下向電解質(zhì)內(nèi)迀移，兩者相遇時(shí)結(jié)合成水分子。反應(yīng)生成的水分子可以通過(guò)加熱或者使用虹吸原理排出電池。
[0019]本實(shí)施例在多孔陽(yáng)極和多孔陰極不使用催化劑的情況下，輸出功率密度可達(dá)到傳統(tǒng)燃料電池的1.2?1.5倍，在使用鉑催化劑的情況下，可達(dá)到傳統(tǒng)燃料電池的2.2?2.5倍。
[0020]以上內(nèi)容是結(jié)合具體的實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明所作的進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明，不能認(rèn)定本發(fā)明的具體實(shí)施只局限于這些說(shuō)明。對(duì)于本發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干簡(jiǎn)單推演或替換，都應(yīng)當(dāng)視為屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種場(chǎng)催化受控燃料電池，結(jié)構(gòu)包括多孔陽(yáng)極(1)、電解質(zhì)⑵和多孔陰極⑶構(gòu)成的三明治結(jié)構(gòu)燃料電池，其特征在于，結(jié)構(gòu)還有場(chǎng)催化器(4);所述的場(chǎng)催化器(4)由電壓可調(diào)的高壓直流電源(41)、陽(yáng)極側(cè)場(chǎng)電極(421)和陰極側(cè)場(chǎng)電極(422)構(gòu)成；所述的陽(yáng)極側(cè)場(chǎng)電極(421)置于多孔陽(yáng)極⑴的外側(cè)，在陽(yáng)極側(cè)場(chǎng)電極(421)和多孔陽(yáng)極⑴之間有輸送燃料的通道，所述陰極側(cè)場(chǎng)電極(422)置于多孔陰極(3)的外側(cè)，在陰極側(cè)場(chǎng)電極(422)和多孔陰極(3)之間有輸送空氣或氧氣的通道，陽(yáng)極側(cè)場(chǎng)電極(421)與高壓直流電源(41)的負(fù)極相連，陰極側(cè)場(chǎng)電極(422)與高壓直流電源(41)的正極相連；所述的陽(yáng)極側(cè)場(chǎng)電極(421)和陰極側(cè)場(chǎng)電極(422)是包覆了絕緣膜的導(dǎo)體板；所述的電解質(zhì)(2)鑲嵌在多孔陽(yáng)極⑴和多孔陰極⑶之間以及多孔陽(yáng)極⑴和多孔陰極⑶的網(wǎng)孔中，電解質(zhì)⑵與多孔陽(yáng)極(I)在多孔陽(yáng)極(I)的上表面處平齊，與多孔陰極(3)在多孔陰極(3)的下表面處齊平，以使得多孔陽(yáng)極(I)和多孔陰極(3)在鑲嵌了電解質(zhì)(2)后形成的上下表面均是平整的平面，所述的多孔陽(yáng)極(I)和多孔陰極(3)是不與電解質(zhì)(2)反應(yīng)的多孔金屬網(wǎng)，所述的電解質(zhì)(2)是具有離子導(dǎo)電性的電解質(zhì)。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種場(chǎng)催化受控燃料電池，其特征在于，所述的電解質(zhì)(2)是質(zhì)子交換膜，或是固體氧化物燃料電池電解質(zhì)，或是浸過(guò)酸或堿或鹽溶液的鋰電池隔膜，或是浸過(guò)酸或堿或鹽溶液的石棉膜。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種場(chǎng)催化受控燃料電池，其特征在于，所述的多孔陽(yáng)極(I)和多孔陰極(3)的表面鍍有鉑催化劑材料。4.根據(jù)權(quán)利要求1?3任一所述的一種場(chǎng)催化受控燃料電池，其特征在于，所述的高壓直流電源(41)是輸出電壓為O?30000V的可調(diào)直流電源。
【專利摘要】本發(fā)明一種場(chǎng)催化受控燃料電池屬于新能源技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種利用電場(chǎng)來(lái)加速電極電化學(xué)反應(yīng)的可控燃料電池。結(jié)構(gòu)包括多孔陽(yáng)極(1)、電解質(zhì)(2)和多孔陰極(3)構(gòu)成的三明治結(jié)構(gòu)燃料電池和場(chǎng)催化器(4)；所述的場(chǎng)催化器(4)由電壓可調(diào)的高壓直流電源(41)和陽(yáng)極側(cè)場(chǎng)電極(421)和陰極側(cè)場(chǎng)電極(422)構(gòu)成。本發(fā)明由于引入了一個(gè)外加電場(chǎng)來(lái)催化電極電化學(xué)反應(yīng)，從而可以不使鉑金等貴金屬催化劑，節(jié)約成本，且避免了催化劑中毒失活等問(wèn)題，同時(shí)，本發(fā)明還具有輸出功率密度高、可以在常溫下運(yùn)行、輸出功率容易控制等優(yōu)點(diǎn)。
【IPC分類】H01M8/04, H01M8/02
【公開(kāi)號(hào)】CN104882619
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510217490
【發(fā)明人】王廣軍, 龍國(guó)徽, 吳香英, 紀(jì)媛, 龐明俊, 汪東雪, 徐付占
【申請(qǐng)人】吉林大學(xué)
【公開(kāi)日】2015年9月2日
【申請(qǐng)日】2015年4月30日