一种液态金属氢源燃料电池的制作方法
【技术领域】
[0001]本实用新型属于化学电源领域，具体涉及利用液态金属产生氢气的燃料电池及其应用。
【背景技术】
[0002]燃料电池是一种电化学发电装置，以等温方式直接将化学能转化为电能。由于不涉及热机过程，因此不受卡诺循环的限制，能量转化效率高(衣宝廉，燃料电池一原理.技术?应用，北京:化学工业出版社，2003)。燃料电池的最佳燃料是氢气，氧为氧化剂，因此这两类气体、电解液和电极之间经电化学作用后，会还原为水，残留物比较清洁，且发电过程安静，可靠性高。一些情况下，可利用太阳能发电，然后再电解水制氢，为燃氢的燃料电池提供能源，其中经过了三步能源转化(光能一电能一氢能一电能)，这使得整个燃料电池的工作环保而节能。由于这些因素，燃料电池近年来得到了快速发展。
[0003]无疑，上述氢燃料电池应用的关键要素之一是氢。可以说，在现有的各类燃料中，氢气是一种发电效率较高的清洁能源，重量轻、密度小，用途广泛，是取代传统能源的一个极有发展前景的清洁能源，因此全球围绕氢的获取开展了大量研究。传统的制氢方法，如电解水，或高压高温制氢，都需消耗大量的电能、煤或天然气等其它能源，费用太高，且偏离了氢气作为清洁能源的一个主要优势。所以，目前一般倾向于利用光电化学电池分解水制氢，太阳光照射到半导体氧化钛表面时，在氧化钛上产生的电流会使水分解，产生氢气，效率已达12%，是一种很有前途的制氢方法。
[0004]另一种受到关注的产氢方式为生物质制氢。很早以来，科学家就在利用细胞的固定化技术来生产清洁能源，如用固定化蓝绿藻光合产氢等。此外，也有实验证明某些具有光合作用的菌类也能产生氢气。自此，人们从不同角度对利用微生物产生氢气展开了研究。在微藻类制氢方面，一些蓝绿藻和细菌可利用固氮菌制氢。而绿藻制氢，则要用到氢化酶。同步的一次光解水释放出氢气和氧气，这种方法需要严格控制氧气的压力。在绿藻有氧的光合作用中，如果及时的释放出氧气以控制压力的话，那么绿藻的产氢活动将是短暂的，因为光解出来的氧气将使得可逆转的氢化酶很快失去活性。
[0005]总的说来，现有的制氢方法仍然显得过于复杂，成本高，这在很大程度上制约了燃料电池的利用。而且，氢气使用时，通常必须依赖一定设施加以储存并释放来应用。为建立有效的利用方法，人们围绕储氢材料和设备开展了大量研究，如碳纳米管、镧镍合金化合物等，但总体上这些技术的储氢量有限，使用寿命短。实际上，即使氢气的获得问题可以解决，其应用过程中首先要解决安全贮存和运输问题。这是因为，氢气易燃易爆，遇撞击和明火十分危险，这给燃料电池的使用带来大的挑战。
[0006]国际上，麻省理工学院研究人员2013年前后提出过液态金属电池，其电池中阴极、阳极和储能元件等全部都采用融化液体如锑、镁、硫化钠材料等制作。由于密度不同，因此几种液态金属材料彼此之间并不会混合在一起，而会像油水那样出现分层结构。这个系统需要保持700°C的高温才能够运行，经过改进后研究人员使用了锂与铅和锑的混合金属制作电极，使得工作温度降低至400?500°C，但这种高温范围仍限制其应用。此前于2006年，我们曾在专利(刘静，以液体金属或其合金为流动冷却工质的燃料电池散热装置，授权号:CN200959349)中首次提出以液体金属或其合金为流动冷却工质的燃料电池散热装置，但液态金属只是作为单纯的冷却流体使用，尚无产氢原理和机构被发明。
[0007]随着近期研究的发现，液态金属的产氢独特机制得以揭示，这种材料可结合配对金属和电解液直接产生氢气，从而实现全新原理的燃料电池，本实用新型正是在这样背景下提供的突破性燃料电池电源技术。该技术可用于汽车、航天、个人电子等行业乃至太阳能发电、储能领域。
【实用新型内容】
[0008]基于对上述综合因素的考虑，本实用新型首次提出一种快速产氢并直接加以发电利用的液态金属氢源燃料电池。
[0009]为实现本实用新型目的技术方案为:
[0010]—种液态金属氢源燃料电池，包括氢气腔、阳极、阴极和隔膜，
[0011 ] 所述液态金属氢源燃料电池设置有氢源电解液池，氢源电解液池通过氢气入口与氢气腔相通；所述氢源电解液池内放置有产氢金属和液态金属，所述产氢金属为招、镁、I丐、铁、锌、锂中的一种；所述液态金属为室温下为液态的金属或合金；产氢金属浸入或分散在液态金属中；所述氢气腔还设置有氢源电解液的进口。
[0012]进一步地，所述氢气腔内设置有隔板，将氢气腔内空间分隔成U形的通道。
[0013]隔板用于提供氢气流动空间，其可以是长方体氢气腔内一端连接氢气腔顶的隔板，氢气入口位于氢气腔上方，氢气进入氢气腔内通过开口向上的U形通道扩散到阳极上；也可以在长方体氢气腔内相间连接氢气腔顶、底的多个隔板，构成由多个方向相反的U连接而成的曲折通道。
[0014]其中，所述氢源电解液池还设置有氢源电解液的出口 ；所述氢源电解液的进口通过管道和栗连接氢源电解液储槽。
[0015]本实用新型提出的液态金属氢源燃料电池，氢源电解液可以静置于氢源电解液池中，也可以用栗驱动为流动状态。液态金属氢源燃料电池启动时，氢源电解液储槽中的电解液会在栗作用下进入氢源电解液池，由此促成液态金属材料与产氢金属如铝、锌等的原电池反应，从而产生氢气；此氢气由氢气入口进入氢气腔，提供给燃料电池的阳极，之后在阳极隔膜、燃料电池电解液、阴极隔膜、阴极、氧气腔、阴极板组成的燃料电池中完成经典的电化学反应，输出电力。此燃料电池系统中，只需停止氢源电解液的供应，则氢气发生停止，由此终止燃料电池的燃料来源继而控制相应的电力输出。
[0016]本实用新型所述的液态金属氢源燃料电池中其他元件可采用现有技术已有的元件。其中，所述阳极为铂、碳、石墨、镍、钯、中一种或几种材料构成的电极，阳极与所述燃料电池电解液之间设置有阳极隔膜；
[0017]阳极的电极过程为H2+20H — 2H z0+2e。
[0018]所述阴极为Pt、碳、石墨、Ag、Ag、Au、Ni中一种或几种材料构成的电极，阴极与所述燃料电池电解液之间设置有阴极隔膜；
[0019]阴极发生的电极过程为l/202+H20+2e—>- 2OH。
[0020]所述阳极隔膜和阴极隔膜均为石棉材质。
[0021 ] 优选地，所述氢源电解液池内放置有产氢金属和液态金属，所述产氢金属为粒径
1-100 μ m的颗粒，分散在液态金属中。
[0022]具体地，所述产氢金属可与液态金属提前混合后用注射器注射到氢源电解液池中，注射时可添加表面活性剂如十二烷基硫酸钠。
[0023]所述石棉具有10-1OOOnm的孔隙。隔膜用于分离阳极燃料和阴极氧化物，其中间为燃料电池电解液，若是碱性氢氧燃料电池，可由孔径为百纳米量级的石棉等制成，其功能一方面在于分隔氧化剂(氧)和还原剂(氢)，另一方面则充当OH的传输通道。
[0024]其中，所述液态金属为镓、镓铟合金、镓铟锡合金、镓铟锡锌合金中的一种，也或是铋基合金如铋铟合金、铋铟锡合金、铋铟锡锌合金中的一种。例如镓铟二元合金(75%镓，25%铟)或镓铟锡三元合金￠8.5%镓，21.5%铟，10%锡)。所述铋基合金优选为铋铟锡锌四元合金(35%铋，48.6%铟，15.9%锡，0.4%锌)。
[0025]其中，所述氢源电解液池内的液态金属液面的上方为氢源电解液，所述氢源电解液为NaOH溶液、KOH溶液、HCl溶液、.0)3溶液、NaCl溶液中的一种；所述氢源电解液的浓度为 0.02-5mol/Lo
[0026]其中，所述氢源电解液池内放置有产氢金属和液态金属，产氢金属质量占液态金属质量的I?80%。
[0027]本实用新型的发明人进行了液态金属与铝片在NaOH溶液中室温产生氢气的实验，液态金属为镓(常温下为液态)，将室温下处于液态的金属流体中添加铝，则可在室温附近的氢氧化钠溶液(摩尔浓度为0.05mol/L)中产生氢气，且氢气生成量显著，过程十分平稳，产氢量可通过添加铝的多少、尺寸、形状乃至电解液浓度等加以调控。其关键原因在于，由于镓铟合金对铝有腐蚀作用，因此可避免铝表面形成保护膜(惰性的氢氧化物)，由此确保了铝与氢氧化钠溶液持续反应继而生成氢气。在此过程中，液态金属镓基本不发生消耗，其作用在某种程度上相当于催化剂，而作