专利名称：等离子燃料电池的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种燃料电池。
背景技术：
现有的燃料电池已经历五代。它们按电解质不同分为碱性燃料电池(AFC)、磷酸燃料电池(PAFC)、熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)、固体氧化物燃料电池(SOFC)和质子交换膜燃料电池(PEMFC)。它们的共同基本原理如图1所示。有阴、阳二电极板，这些电极板都有多孔材料作主要构件。两电极板之间有电解质。它们的燃料多为氢气。氢气在一定压力作用下通过阳极板的微孔到达电解质，同样，空气(氧气)也在一定压力作用下通过阴极板的微孔到达电解质，再通过催化剂和电解质，在氢和氧生成化学离子的同时，外电路发生电流，然后氢和氧化学离子结合成水。这些燃料电池的共同缺点是(1)成本高，有的电池的电极(催化剂)含大量贵金属铂和其它高新材料，有的工艺复杂；(2)氢的储带困难(或改质设备复杂)；(3)功率密度小；(4)启动性能差等。因而，这些燃料电池至今难于广泛用于汽车上。
发明内容
为了解决现有的燃料电池成本高、启动性能差等问题，本发明提出等离子燃料电池。
本发明的等离子燃料电池，它包括两个等离子枪，两个等离子枪之间是电解质，两等离子枪分别向电解质喷出高温高速的氢、氧等离子体火焰流。因高速等离子体流之故，则它的单体功率成倍大于现有燃料电池。
上述等离子燃料电池中，在两等离子枪之间可以不是电解质，而只是水或空气。
特别是其电解质可以按需采用固体，或者液体，电解质的温度可高也可低。
特别是等离子燃料电池可以是多燃料的，除了氢气以外，还有石油气和非石油气。
特别是作为阳极和阴极的两个等离子枪可以采用不同的形式，枪体和枪头(喷孔头)也可以作成各种不同的结构。
特别是可以在电极和电解质内或两者之间加催化剂。
特别是可将多个燃料电池串联/并联/串联一并联成燃料电池堆。
特别是为了提高单体电池的电压，可以将左、右等离子枪的腔壁的喷孔头作成分割式，被分割的金属块之间用绝缘体分开，每个分割块上安装一个接线柱。阴极和阳极的分割块的数量相等。
提高燃料电池功率的有效途径是得到大量的氢、氧化学离子。以往的燃料电池采取了很多措施来达到此目的，例如将电极作成多孔电极(而且，这些微孔越来越细小，现已达到纳米级(nm)，双电极，组合电极，不惜大量用贵金属(铂、金等)作催化剂，采用各种最新材料作电极和电解质，采用高温工作环境等。但是，在大自然中还有一种物理离子，这就是等离子体。因此，本发明首先用等离子枪产生大流量的氢、氧等离子体流，然后将氢、氧等离子转变为氢、氧化学离子。
等离子燃料电池继承了以往各种燃料电池的优点，也克服了它们的缺点，尤其是它还有自身的独特优点。这种燃料电池的优点是(1)现有燃料电池的系统效率比内燃机高，为40～55％，而本发明的系统效率可高达60％以上；(2)不仅它本身结构简单，体积小，工艺简单，无需大量的贵金属铂，制造成本低，就是加上电动机及其变电—控制系统，其成本也低于内燃机；(3)单体功率大；(4)启动快；(5)燃料多样，可以是氢气，也可以是石油气和非石油气，甚至还可以是煤，在氢气的制取和储带等技术难题未解决以前，可以用甲烷、甲醇或酒精等代用，则可基本解决世界三大危机石油枯竭、环境污染和大气变暖；(6)过载能力强；(7)如果广泛采用，无须庞大的社会投资等。
这样的燃料电池可以替代内燃机作为所有汽车的优秀动力能源，也可用作各种大、中、小型发电站的发电设备。
图1是目前燃料电池的基本结构原理图。
图2是本发明的基本原理图。
图3是本发明的推荐实施结构原理图。
具体实施例方式
图1所示的是现有燃料电池的基本结构图，左多孔电极1与右多孔电极2之间是电解质3，左多孔电极1、右多孔电极2分别作为阳极和阴极连接成输出电路；另外，电极结构也各异，有的电极的制作工艺很复杂。但是，它们的基本原理是共同的。
在图2中，左边等离子枪由左中心电极4，左枪腔壁5组成，左中心电极4和左枪腔壁5之间用绝缘体21分开，左枪腔壁5是等离子枪的另外一个电极，左中心电极4、绝缘体21和左枪腔壁5之间还有内腔6，其上有氢气入口10和喷孔7。右边等离子枪由右中心电极14，右枪腔壁20组成，右中心电极14和右枪腔壁20之间也用绝缘体22分开，右枪腔壁20是等离子枪的另外一个电极，右中心电极14、绝缘体22和右枪腔壁20之间也还有内腔15，其上有氧气入口11和喷孔16。左、右等离子枪之间是电解质液槽13，其中有电解质水溶液23。左边等离子枪称为燃气等离子枪，右边等离子焊枪称为氧气等离子枪。供给两等离子枪的电源称为左、右辅助电源17和18。左中心电极4接左辅助电源17的阴极，左枪腔壁5接其阳极；右中心电极14接右辅助电源18的阳极，右枪腔壁20接其阴极。然后用导线将两个等离子枪的枪腔壁连起来，成为主电路19，则左枪腔壁5为主电路的阳极，右枪腔壁20为主电路的阴极。当左辅助电源17接通且氢气以一定压力从燃气入口10进入左内腔6后，便由左枪喷孔7向电解质槽中的电解质水溶液喷入高温、高速的氢等离子体火焰9。注意，因为不存在氧气，这种火焰不是氢气燃烧的火焰，而是氢气被等离子枪加热后的高温等离子流。同样，当右辅助电源18接通且氧气以一定压力从氧气入口11进入右内腔15后，便由右枪喷孔16向电解质槽中的电解质喷入高温、高速的氧等离子体火焰12。
实际上，因为火焰温度很高，当它们从喷孔喷出并与水接触时，必然使水发生沸腾，水蒸汽必裹带在喷孔中已生成的化学离子从电解质液中游离出水面，其结果使发电效率降低。为了不发生这种情况，将图2中的结构进一步改进如图3所示。在两火焰喷孔7和16各加一个管套24和25，火焰的温度可通过管套壁冷却下降。这样，一可以使氢、氧两离子流在电解质液中会合前将温度降低到接近水温，使两种化学离子不因水的强烈蒸发而流失，二是使火焰流中还未变为化学离子的剩余等离子体继续按远程捕捉原理变为化学离子，同时增加电解质液槽中阴、阳两极间的电阻。
在所述电解质液槽13中，根据具体情况可以用水或空气替代电解质水溶液23。
本发明中，可以将多个等离子燃料电池串联或并联或串联—并联，形成等离子燃料电池堆。
下面以氢气为燃料，以纯氧作氧化剂，以苛性钾(KOH)水溶液作电解质为例说明本发明燃料电池的工作过程。
如果将主电路19接通，当高温氧等离子体火焰流12从阴极喷孔16喷出时，因喷孔壁的温度较低，与喷孔壁接触的氧等离子体的温度降低，失稳的氧等离子体的离子(质子)会撞击阴极喷孔壁，氧离子(质子)就会吸收右枪腔壁20的自由电子，此作用通过主电路19的导线传到阳极5，使与阳极7闯击的失稳氢等离子体的电子从阳极到阴极运动。值得特别指出，氧原子核有8个质子，有两个电子层，第一层有2个电子，第二层有6个电子，氧原子核还有获得2个电子的趋势，我们不妨称上述作用为远程作用，这样，在主电路中就产生电位，根据电化学热力学计算，其启动电动势为E0＝1.41V，这样，在主电路中就产生了电流。同时，氧离子(质子)的这种远程作用可使两边等离子体火焰流中的等离子体分别变为化学的氢、氧离子(H+、O2-)，并随同火焰流从喷孔喷出。这两高速化学离子流在电解质液中相碰时，会结合成水；即使有一部分离子会散入电解质液中，也会通过电解质的电化学平衡在流动的电解质液中也结合成水。
前已指出，与现有的燃料电池一样，等离子燃料电池的电解质可是液体，也可是固体。总之，视需要而定。
因为等离子燃料电池的功率很大，而其电压可能只有1V左右，因此，其电流强度一定很大。建议将左、右等离子枪的腔壁的喷孔头作成分割式，被分割的金属块之间用绝缘体分开，每个分割块上安装一个接线柱，左、右等离子枪的腔壁的喷孔头的分割块的数量相等，分割块两两对应作为阴极和阳极。这样，就可将一个主电路分割成多个电路，如果将这多个电路串联起来，这不仅成倍减小主电路中的电流强度，还能成倍提高单个电池的电压。
权利要求
1.一种等离子燃料电池，其特征在于包括两个产生高温、高速等离子体火焰流的等离子枪，在两等离子枪之间是电解质；两等离子枪分别向电解质喷入氢等离子体流、氧等离子体流，两等离子枪腔壁分别作为阳极和阴极，连接成输出电路。
2.根据权利要求1所述的等离子燃料电池，其特征在于在所述两等离子枪之间不是电解质，而是水或空气。
3.根据权利要求1所述的等离子燃料电池，其特征在于所述电解质可以是固体，也可以是液体。
4.根据权利要求1所述的等离子燃料电池，其特征在于在等离子枪内和电解质内加有催化剂。
5.根据权利要求1或2所述的等离子燃料电池，其特征在于等离子燃料电池可以是多燃料的，除了氢气以外，还可以是石油气或非石油气。
6.根据权利要求1或2所述的等离子燃料电池，其特征在于将多个等离子燃料电池串联或并联或串联—并联，形成等离子燃料电池堆。
7.根据权利要求1或2所述的等离子燃料电池，其特征在于左、右等离子枪的腔壁的喷孔头为分割式，被分割的金属块之间用绝缘体分开，每个分割块上安装一个接线柱，左、右等离子枪的腔壁的喷孔头的分割块的数量相等，分割块两两对应作为阴极和阳极。
全文摘要
一种等离子燃料电池，它包括两个产生高温、高速等离子体火焰流和的等离子枪，在两等离子枪之间是电解质或水或空气。两个等离子枪向电解质喷入氢等离子体流、氧等离子体流，两等离子枪腔壁分别作为阳极和阴极，连接成主电路。两等离子体流在流动过程中分别变为化学离子，结合成水或CO
文档编号H01M8/00GK1677733SQ20041001297
公开日2005年10月5日 申请日期2004年4月3日 优先权日2004年4月3日
发明者王守义 申请人:王守义