一種液態金屬氫源燃料電池的制作方法
【技術領域】
[0001]本實用新型屬于化學電源領域，具體涉及利用液態金屬產生氫氣的燃料電池及其應用。
【背景技術】
[0002]燃料電池是一種電化學發電裝置，以等溫方式直接將化學能轉化為電能。由于不涉及熱機過程，因此不受卡諾循環的限制，能量轉化效率高(衣寶廉，燃料電池一原理.技術?應用，北京:化學工業出版社，2003)。燃料電池的最佳燃料是氫氣，氧為氧化劑，因此這兩類氣體、電解液和電極之間經電化學作用后，會還原為水，殘留物比較清潔，且發電過程安靜，可靠性高。一些情況下，可利用太陽能發電，然后再電解水制氫，為燃氫的燃料電池提供能源，其中經過了三步能源轉化(光能一電能一氫能一電能)，這使得整個燃料電池的工作環保而節能。由于這些因素，燃料電池近年來得到了快速發展。
[0003]無疑，上述氫燃料電池應用的關鍵要素之一是氫。可以說，在現有的各類燃料中，氫氣是一種發電效率較高的清潔能源，重量輕、密度小，用途廣泛，是取代傳統能源的一個極有發展前景的清潔能源，因此全球圍繞氫的獲取開展了大量研究。傳統的制氫方法，如電解水，或高壓高溫制氫，都需消耗大量的電能、煤或天然氣等其它能源，費用太高，且偏離了氫氣作為清潔能源的一個主要優勢。所以，目前一般傾向于利用光電化學電池分解水制氫，太陽光照射到半導體氧化鈦表面時，在氧化鈦上產生的電流會使水分解，產生氫氣，效率已達12%，是一種很有前途的制氫方法。
[0004]另一種受到關注的產氫方式為生物質制氫。很早以來，科學家就在利用細胞的固定化技術來生產清潔能源，如用固定化藍綠藻光合產氫等。此外，也有實驗證明某些具有光合作用的菌類也能產生氫氣。自此，人們從不同角度對利用微生物產生氫氣展開了研究。在微藻類制氫方面，一些藍綠藻和細菌可利用固氮菌制氫。而綠藻制氫，則要用到氫化酶。同步的一次光解水釋放出氫氣和氧氣，這種方法需要嚴格控制氧氣的壓力。在綠藻有氧的光合作用中，如果及時的釋放出氧氣以控制壓力的話，那么綠藻的產氫活動將是短暫的，因為光解出來的氧氣將使得可逆轉的氫化酶很快失去活性。
[0005]總的說來，現有的制氫方法仍然顯得過于復雜，成本高，這在很大程度上制約了燃料電池的利用。而且，氫氣使用時，通常必須依賴一定設施加以儲存并釋放來應用。為建立有效的利用方法，人們圍繞儲氫材料和設備開展了大量研究，如碳納米管、鑭鎳合金化合物等，但總體上這些技術的儲氫量有限，使用壽命短。實際上，即使氫氣的獲得問題可以解決，其應用過程中首先要解決安全貯存和運輸問題。這是因為，氫氣易燃易爆，遇撞擊和明火十分危險，這給燃料電池的使用帶來大的挑戰。
[0006]國際上，麻省理工學院研究人員2013年前后提出過液態金屬電池，其電池中陰極、陽極和儲能元件等全部都采用融化液體如銻、鎂、硫化鈉材料等制作。由于密度不同，因此幾種液態金屬材料彼此之間并不會混合在一起，而會像油水那樣出現分層結構。這個系統需要保持700°C的高溫才能夠運行，經過改進后研究人員使用了鋰與鉛和銻的混合金屬制作電極，使得工作溫度降低至400?500°C，但這種高溫范圍仍限制其應用。此前于2006年，我們曾在專利(劉靜，以液體金屬或其合金為流動冷卻工質的燃料電池散熱裝置，授權號:CN200959349)中首次提出以液體金屬或其合金為流動冷卻工質的燃料電池散熱裝置，但液態金屬只是作為單純的冷卻流體使用，尚無產氫原理和機構被發明。
[0007]隨著近期研究的發現，液態金屬的產氫獨特機制得以揭示，這種材料可結合配對金屬和電解液直接產生氫氣，從而實現全新原理的燃料電池，本實用新型正是在這樣背景下提供的突破性燃料電池電源技術。該技術可用于汽車、航天、個人電子等行業乃至太陽能發電、儲能領域。
【實用新型內容】
[0008]基于對上述綜合因素的考慮，本實用新型首次提出一種快速產氫并直接加以發電利用的液態金屬氫源燃料電池。
[0009]為實現本實用新型目的技術方案為:
[0010]—種液態金屬氫源燃料電池，包括氫氣腔、陽極、陰極和隔膜，
[0011 ] 所述液態金屬氫源燃料電池設置有氫源電解液池，氫源電解液池通過氫氣入口與氫氣腔相通；所述氫源電解液池內放置有產氫金屬和液態金屬，所述產氫金屬為招、鎂、I丐、鐵、鋅、鋰中的一種；所述液態金屬為室溫下為液態的金屬或合金；產氫金屬浸入或分散在液態金屬中；所述氫氣腔還設置有氫源電解液的進口。
[0012]進一步地，所述氫氣腔內設置有隔板，將氫氣腔內空間分隔成U形的通道。
[0013]隔板用于提供氫氣流動空間，其可以是長方體氫氣腔內一端連接氫氣腔頂的隔板，氫氣入口位于氫氣腔上方，氫氣進入氫氣腔內通過開口向上的U形通道擴散到陽極上；也可以在長方體氫氣腔內相間連接氫氣腔頂、底的多個隔板，構成由多個方向相反的U連接而成的曲折通道。
[0014]其中，所述氫源電解液池還設置有氫源電解液的出口 ；所述氫源電解液的進口通過管道和栗連接氫源電解液儲槽。
[0015]本實用新型提出的液態金屬氫源燃料電池，氫源電解液可以靜置于氫源電解液池中，也可以用栗驅動為流動狀態。液態金屬氫源燃料電池啟動時，氫源電解液儲槽中的電解液會在栗作用下進入氫源電解液池，由此促成液態金屬材料與產氫金屬如鋁、鋅等的原電池反應，從而產生氫氣；此氫氣由氫氣入口進入氫氣腔，提供給燃料電池的陽極，之后在陽極隔膜、燃料電池電解液、陰極隔膜、陰極、氧氣腔、陰極板組成的燃料電池中完成經典的電化學反應，輸出電力。此燃料電池系統中，只需停止氫源電解液的供應，則氫氣發生停止，由此終止燃料電池的燃料來源繼而控制相應的電力輸出。
[0016]本實用新型所述的液態金屬氫源燃料電池中其他元件可采用現有技術已有的元件。其中，所述陽極為鉑、碳、石墨、鎳、鈀、中一種或幾種材料構成的電極，陽極與所述燃料電池電解液之間設置有陽極隔膜；
[0017]陽極的電極過程為H2+20H — 2H z0+2e。
[0018]所述陰極為Pt、碳、石墨、Ag、Ag、Au、Ni中一種或幾種材料構成的電極，陰極與所述燃料電池電解液之間設置有陰極隔膜；
[0019]陰極發生的電極過程為l/202+H20+2e—>- 2OH。
[0020]所述陽極隔膜和陰極隔膜均為石棉材質。
[0021 ] 優選地，所述氫源電解液池內放置有產氫金屬和液態金屬，所述產氫金屬為粒徑
1-100 μ m的顆粒，分散在液態金屬中。
[0022]具體地，所述產氫金屬可與液態金屬提前混合后用注射器注射到氫源電解液池中，注射時可添加表面活性劑如十二烷基硫酸鈉。
[0023]所述石棉具有10-1OOOnm的孔隙。隔膜用于分離陽極燃料和陰極氧化物，其中間為燃料電池電解液，若是堿性氫氧燃料電池，可由孔徑為百納米量級的石棉等制成，其功能一方面在于分隔氧化劑(氧)和還原劑(氫)，另一方面則充當OH的傳輸通道。
[0024]其中，所述液態金屬為鎵、鎵銦合金、鎵銦錫合金、鎵銦錫鋅合金中的一種，也或是鉍基合金如鉍銦合金、鉍銦錫合金、鉍銦錫鋅合金中的一種。例如鎵銦二元合金(75%鎵，25%銦)或鎵銦錫三元合金￠8.5%鎵，21.5%銦，10%錫)。所述鉍基合金優選為鉍銦錫鋅四元合金(35%鉍，48.6%銦，15.9%錫，0.4%鋅)。
[0025]其中，所述氫源電解液池內的液態金屬液面的上方為氫源電解液，所述氫源電解液為NaOH溶液、KOH溶液、HCl溶液、.0)3溶液、NaCl溶液中的一種；所述氫源電解液的濃度為 0.02-5mol/Lo
[0026]其中，所述氫源電解液池內放置有產氫金屬和液態金屬，產氫金屬質量占液態金屬質量的I?80%。
[0027]本實用新型的發明人進行了液態金屬與鋁片在NaOH溶液中室溫產生氫氣的實驗，液態金屬為鎵(常溫下為液態)，將室溫下處于液態的金屬流體中添加鋁，則可在室溫附近的氫氧化鈉溶液(摩爾濃度為0.05mol/L)中產生氫氣，且氫氣生成量顯著，過程十分平穩，產氫量可通過添加鋁的多少、尺寸、形狀乃至電解液濃度等加以調控。其關鍵原因在于，由于鎵銦合金對鋁有腐蝕作用，因此可避免鋁表面形成保護膜(惰性的氫氧化物)，由此確保了鋁與氫氧化鈉溶液持續反應繼而生成氫氣。在此過程中，液態金屬鎵基本不發生消耗，其作用在某種程度上相當于催化劑，而作