一種場催化受控燃料電池的制作方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于新能源技術領域，涉及一種燃料電池，具體涉及一種利用電場來加速電極電化學反應的可控燃料電池。
【背景技術】
[0002]燃料電池技術被人認為是一種極具前景的清潔能源技術，所以燃料電池一直是學術關注的熱點。目前，燃料電池大致可以分為五類:質子交換膜燃料電池、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，從而帶來一些衰減問題，以及設備復雜，不容易維護成本高、效率低等問題。
【發明內容】
[0003]本發明的主要目的是為了克服現有技術的不足，提供了一種用電場來加速電極電化學反應的燃料電池。
[0004]為實現上述目的，本發明采用以下技術方案:
[0005]一種場催化受控燃料電池，結構包括多孔陽極1、電解質2和多孔陰極3構成的三明治結構燃料電池和場催化器4 ;所述的場催化器4由電壓可調的高壓直流電源41、陽極側場電極421和陰極側場電極422構成；所述的陽極側場電極421置于多孔陽極I的外側，在陽極側場電極421和多孔陽極I之間有輸送燃料的通道，所述陰極側場電極422置于多孔陰極3的外側，在陰極側場電極422和多孔陰極3之間有輸送空氣或氧氣的通道，陽極側場電極421與高壓直流電源41的負極相連，陰極側場電極422與高壓直流電源41的正極相連，所述的陽極側場電極421和陰極側場電極422是兩個包覆了絕緣膜的導體板；所述的電解質2鑲嵌在多孔陽極I和多孔陰極3之間以及多孔陽極I和多孔陰極3的網孔中，電解質2與多孔陽極I在多孔陽極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，以使得多孔陽極I和多孔陰極3在鑲嵌了電解質2后形成的上下表面均是平整的平面，所述的多孔陽極I和多孔陰極3是不與電解質2反應的多孔金屬網，所述的電解質2是有離子導電性且沒有電子導電性的電解質。
[0006]本發明中所述的電解質2可以是質子交換膜，或是固體氧化物燃料電池電解質材料，或是浸過酸或堿或鹽溶液的鋰電池隔膜，或是浸過酸或堿或鹽溶液的石棉膜。
[0007]為了提高性能，在本發明所述的多孔陽極I和多孔陰極3的表面還可以鍍有鉑催化劑材料。
[0008]本發明中所述的高壓直流電源41優選輸出電壓為O?30000V的可調直流電源。
[0009]本發明與現有技術相比的明顯優勢是:
[0010]1、本發明由于引入了一個外加電場來催化電極電化學反應，從而可以不使鉑金等貴金屬催化劑，節約成本，且避免了催化劑中毒失活等問題。
[0011]2、本發明的場催化受控燃料電池較傳統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，可達傳統燃料電池的1.2?1.5倍，在使用鍍有催化劑的電極情況下，可達傳統燃料電池的2.2?2.5倍。
[0012]3、本發明的燃料電池可以在常溫下運行，使用方便，且不存在衰減問題。。
[0013]4、本發明的燃料電池，可以通過調節催化器中高壓直流電源的電壓來控制反應的劇烈程度，從而實現電池輸出功率的控制。
【附圖說明】
[0014]圖1為本發明場催化受控燃料電池的一種實施例的工作原理示意圖。
【具體實施方式】
[0015]實施例1
[0016]下面結合【附圖說明】本發明的工作原理、特征及優點。
[0017]參考圖1，圖1示意了場催化受控燃料電池的結構，它由多孔陽極1、電解質2和多孔陰極3構成的三明治結構燃料電池和場催化器4構成。電解質2鑲嵌在多孔陽極I和多孔陰極3之間以及多孔陽極I和多孔陰極3的網孔中。鑲嵌了電解質之后的電極的外表面是平齊的平面，另外，這里電解質2可以使用美國杜邦公司生產的全氟磺酸型電解質膜Naf 1n 117，多孔陽極I和多孔陰極2可以使用鎳網，為了提高輸出功率密度，還可以在鎳網表面鍍上一層鉑催化劑。催化器4由電壓可調的高壓直流電源41 (輸出電壓為O?30000V)以及陽極側場電極421和陰極側場電極422構成。陽極側場電極421和陰極側場電極422分別置于多孔陽極I和多孔陰極3的外側，陽極側場電極421和多孔陽極I的表面之間為燃料通道，陰極側場電極422和多孔陰極3的表面之間為空氣或氧氣通道，陽極側場電極421與高壓直流電源41的負極相連，陰極側場電極422與高壓直流電源41的正極相連。陽極側場電極421和陰極側場電極422可以是兩個包覆了絕緣膜的導體板。
[0018]工作時，高壓直流電源41對陽極側場電極421和陰極側場電極422進行充電，從而在兩個場電極之間形成強電場，在強電場的作用下，多孔陽極I表面感應出正電荷，由于多孔陽極I表面是多孔金屬網和電解質鑲嵌成的平面，感應出的電荷主要集中在多孔金屬網的表面，而電解質表面感應電荷較少，這樣在陽極側場電極421和多孔陽極I之間形成逐漸增強的梯度電場，越靠近陽極電場越強。以氫氧燃料電池為例，當氫氣通過燃料通道時，在梯度電場的作用下，燃料分子會吸附在多孔陽極I上，由于多孔陽極I的上表面有極強的感應電場，所以在這種強電場的作用下燃料分子極易解離、氧化同時把電子傳導給多孔導體電極，燃料分子自身則生成陽離子進入電解質2中，從而完成陽極的電極反應。類似的，多孔陰極3的下表面和陰極側場電極422之間也會感應出越靠近多孔陰極3越強的梯度電場，在這種電場的作用下，當氧氣通過氧氣通道時，氧分子也會吸附在多孔陰極3上，在多孔陰極3下表面強電場作用下解離、還原，同時從多孔陰極3的表面獲取電子而生成陰離子，生成的陰離子進入電解質2內部。在多孔陰極3處生成的陽離子和在多孔陽極I處生成的陰離子在濃度梯度的作用下向電解質內迀移，兩者相遇時結合成水分子。反應生成的水分子可以通過加熱或者使用虹吸原理排出電池。
[0019]本實施例在多孔陽極和多孔陰極不使用催化劑的情況下，輸出功率密度可達到傳統燃料電池的1.2?1.5倍，在使用鉑催化劑的情況下，可達到傳統燃料電池的2.2?2.5倍。
[0020]以上內容是結合具體的實施方式對本發明所作的進一步詳細說明，不能認定本發明的具體實施只局限于這些說明。對于本發明所屬技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明構思的前提下，還可以做出若干簡單推演或替換，都應當視為屬于本發明的保護范圍。
【主權項】
1.一種場催化受控燃料電池，結構包括多孔陽極(1)、電解質⑵和多孔陰極⑶構成的三明治結構燃料電池，其特征在于，結構還有場催化器(4);所述的場催化器(4)由電壓可調的高壓直流電源(41)、陽極側場電極(421)和陰極側場電極(422)構成；所述的陽極側場電極(421)置于多孔陽極⑴的外側，在陽極側場電極(421)和多孔陽極⑴之間有輸送燃料的通道，所述陰極側場電極(422)置于多孔陰極(3)的外側，在陰極側場電極(422)和多孔陰極(3)之間有輸送空氣或氧氣的通道，陽極側場電極(421)與高壓直流電源(41)的負極相連，陰極側場電極(422)與高壓直流電源(41)的正極相連；所述的陽極側場電極(421)和陰極側場電極(422)是包覆了絕緣膜的導體板；所述的電解質(2)鑲嵌在多孔陽極⑴和多孔陰極⑶之間以及多孔陽極⑴和多孔陰極⑶的網孔中，電解質⑵與多孔陽極(I)在多孔陽極(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，以使得多孔陽極(I)和多孔陰極(3)在鑲嵌了電解質(2)后形成的上下表面均是平整的平面，所述的多孔陽極(I)和多孔陰極(3)是不與電解質(2)反應的多孔金屬網，所述的電解質(2)是具有離子導電性的電解質。2.根據權利要求1所述的一種場催化受控燃料電池，其特征在于，所述的電解質(2)是質子交換膜，或是固體氧化物燃料電池電解質，或是浸過酸或堿或鹽溶液的鋰電池隔膜，或是浸過酸或堿或鹽溶液的石棉膜。3.根據權利要求1所述的一種場催化受控燃料電池，其特征在于，所述的多孔陽極(I)和多孔陰極(3)的表面鍍有鉑催化劑材料。4.根據權利要求1?3任一所述的一種場催化受控燃料電池，其特征在于，所述的高壓直流電源(41)是輸出電壓為O?30000V的可調直流電源。
【專利摘要】本發明一種場催化受控燃料電池屬于新能源技術領域，具體涉及一種利用電場來加速電極電化學反應的可控燃料電池。結構包括多孔陽極(1)、電解質(2)和多孔陰極(3)構成的三明治結構燃料電池和場催化器(4)；所述的場催化器(4)由電壓可調的高壓直流電源(41)和陽極側場電極(421)和陰極側場電極(422)構成。本發明由于引入了一個外加電場來催化電極電化學反應，從而可以不使鉑金等貴金屬催化劑，節約成本，且避免了催化劑中毒失活等問題，同時，本發明還具有輸出功率密度高、可以在常溫下運行、輸出功率容易控制等優點。
【IPC分類】H01M8/04, H01M8/02
【公開號】CN104882619
【申請號】CN201510217490
【發明人】王廣軍, 龍國徽, 吳香英, 紀媛, 龐明俊, 汪東雪, 徐付占
【申請人】吉林大學
【公開日】2015年9月2日
【申請日】2015年4月30日