本發(fā)明屬于燃料電池技術(shù)領(lǐng)域，主要涉及一種等離子體渦流燃料電池及發(fā)電方法。

背景技術(shù)：

磁流體發(fā)電技術(shù)利用等離子體射流通過強(qiáng)磁場(chǎng)時(shí)正負(fù)電荷反向運(yùn)動(dòng)的物理機(jī)制，驅(qū)動(dòng)正負(fù)電荷分別在正負(fù)電極聚集形成電源。與傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)組技術(shù)比較，優(yōu)勢(shì)在于大幅度減少機(jī)械運(yùn)動(dòng)的能耗，化學(xué)能利用率提高，系統(tǒng)可靠性提高等。缺點(diǎn)在于必須配套超強(qiáng)磁場(chǎng)和勵(lì)磁電源，系統(tǒng)復(fù)雜、耗電量高。

燃料電池技術(shù)利用燃料和氧化劑在電池裝置中進(jìn)行氧化還原反應(yīng)，所釋放的化學(xué)能直接輸出電能和熱能。與磁流體發(fā)電技術(shù)比較，優(yōu)勢(shì)在于省去了勵(lì)磁電源和強(qiáng)磁場(chǎng)，化學(xué)能利用率提高，系統(tǒng)可靠性提高等。缺點(diǎn)在于燃料電池的電極和電解質(zhì)材料可靠性極差，造價(jià)極高，功率密度較低，使用壽命短。

現(xiàn)有技術(shù)中缺少同時(shí)兼顧磁流體發(fā)電技術(shù)和燃料電池技術(shù)優(yōu)點(diǎn)同時(shí)規(guī)避兩者缺點(diǎn)的發(fā)電技術(shù)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種同時(shí)兼顧磁流體發(fā)電技術(shù)和燃料電池技術(shù)優(yōu)點(diǎn)同時(shí)規(guī)避兩者缺點(diǎn)的等離子體渦流燃料電池及發(fā)電方法。

本發(fā)明的技術(shù)方案是：

一種等離子體渦流燃料電池，包括旋流管，旋流管的內(nèi)部設(shè)有旋流室，旋流管的一端連接有與旋流室連通的低溫排氣管，旋流管的另一端連接有與旋流室連通的陽極管，旋流管的側(cè)壁連接有與旋流室連通的射流管，陽極管的另一端連接有高溫排氣管，高溫排氣管的內(nèi)腔中安裝有節(jié)流閥；低溫排氣管的另一端設(shè)有低溫排氣管連接法蘭，低溫排氣管連接法蘭通過螺栓固定連接有陰極棒固定架，陰極棒固定架的中心設(shè)有陰極棒安裝孔，以陰極棒安裝孔為圓心的陰極棒固定架上設(shè)有若干個(gè)固定架排氣孔，陰極棒安裝孔中固定穿裝有陰極棒；陰極棒通過導(dǎo)線連接蓄電池組的負(fù)極，陽極管的管壁通過導(dǎo)線連接蓄電池組的正極；陽極管的內(nèi)徑為D，長(zhǎng)度為L(zhǎng)，5D≤L。

作為優(yōu)選，所述的旋流管與陽極管對(duì)應(yīng)的端面設(shè)有旋流管連接法蘭，陽極管與旋流管對(duì)應(yīng)的端面設(shè)有陽極管連接法蘭，旋流管連接法蘭和陽極管連接法蘭通過螺栓固定連接。

作為優(yōu)選，所述的低溫排氣管、旋流管和射流管為一體成型結(jié)構(gòu)，低溫排氣管、旋流管和射流管的外壁套裝有第一外套管；陽極管和高溫排氣管為一體成型結(jié)構(gòu)，陽極管和高溫排氣管的外壁套裝有第二外套管。

作為優(yōu)選，所述的第二外套管的外壁設(shè)有若干個(gè)散熱翅片。

作為優(yōu)選，所述的低溫排氣管、旋流管和射流管均為耐磨損高溫絕緣陶瓷材料鑄造，陽極管、高溫排氣管和節(jié)流閥均為耐磨損高溫導(dǎo)電陶瓷材料鑄造；第一外套管和第二外套管均為金屬材料制作。

作為優(yōu)選，所述的低溫排氣管、旋流管和射流管均為氧化鋁陶瓷管，陽極管、高溫排氣管和節(jié)流閥均為二氧化鋯陶瓷管。

一種基于等離子體渦流燃料電池的發(fā)電方法，包括以下步驟：

步驟S1：在純氫純氧當(dāng)量比可燃混合氣或者常規(guī)燃料與空氣當(dāng)量比可燃混合氣體中摻雜一定比例的堿金屬鹽，在爆震燃燒器中產(chǎn)生高溫高壓等離子體燃?xì)饣旌蠚馍淞黧w；

步驟S2：將步驟S1中的高溫高壓等離子體燃?xì)饣旌蠚馍淞黧w從射流管切向進(jìn)入渦流管中產(chǎn)生高速渦流；等離子體中的質(zhì)量較重的陽離子在強(qiáng)大離心力作用下被壓縮在渦流徑向外層流中，等離子體中的質(zhì)量微小的電子分布在渦流徑向內(nèi)層流中；陽離子和電子的渦流運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生內(nèi)外嵌套的兩個(gè)等效螺線管磁場(chǎng)，其同性磁極互相對(duì)立而且初始強(qiáng)度相等，在陽離子等效螺線管磁場(chǎng)的斥力作用下，電子渦流在徑向方向逐漸被箍縮，在渦流管軸線區(qū)域形成細(xì)棒狀螺線管磁場(chǎng)并沿渦流管軸線方向被排斥，受低溫廢氣渦流推動(dòng)向低溫排氣端運(yùn)動(dòng)到達(dá)陰極；電子經(jīng)過外電路的導(dǎo)線和負(fù)載回到陽極管與陽離子復(fù)合成電中性原子，完成動(dòng)能到電能的轉(zhuǎn)化循環(huán)；高溫廢氣從高溫排氣管排出，低溫廢氣從低溫排氣管排出；

步驟S3：調(diào)節(jié)節(jié)流閥改變高溫廢氣的排出量，配合爆震器功率控制器可以聯(lián)動(dòng)調(diào)節(jié)充電電流、電壓和系統(tǒng)輸出功率。

作為優(yōu)選，所述的堿金屬鹽為堿金屬銫鹽。反應(yīng)過程產(chǎn)生的氫氧化銫，可以循環(huán)利用。

作為優(yōu)選，步驟S1中所述一定比例的堿金屬鹽與可燃混合氣體的摩爾比為8-10%；所述堿金屬鹽為碳酸銫；封閉循環(huán)模式下，堿金屬鹽一次性添加后可以循環(huán)利用，定期維護(hù)時(shí)補(bǔ)充損耗。

本發(fā)明的有益效果是：

本發(fā)明中的等離子體渦流燃料電池主要利用離心力、電磁力分離正負(fù)電荷產(chǎn)生電能，大幅度提高電能轉(zhuǎn)換效率；無需龐大復(fù)雜的高電能消耗的超強(qiáng)磁場(chǎng)，也無需極其昂貴而脆弱的電極和電解質(zhì)材料，利用成熟廉價(jià)的功能陶瓷材料即可制造高效率高可靠高功率密度長(zhǎng)壽命的燃料電池；燃料選擇范圍比普通燃料電池更寬廣，制造成本和運(yùn)維成本更低，廢氣排放污染更少，有利于新能源項(xiàng)目的普及和推廣。

等離子體渦流燃料電池技術(shù)可以模塊化應(yīng)用，預(yù)計(jì)小型電池單元可用于個(gè)人終端電源；中型電池組可用于電動(dòng)汽車、裝甲車、移動(dòng)式電站或中小型船舶的動(dòng)力電源；重型電池堆可用于全電驅(qū)動(dòng)型艦艇、機(jī)車、分布式發(fā)電站等。

附圖說明

圖1是本發(fā)明中的等離子體渦流燃料電池的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是圖1中的陰極棒固定架的結(jié)構(gòu)示意圖的主視圖；

圖3是本發(fā)明中的等離子體渦流燃料電池的工作狀態(tài)示意圖；

圖中：1為低溫排氣管，2為旋流管，3為射流管，4為陽極管，5為高溫排氣管，6為節(jié)流閥，7為陰極棒，8為陰極棒固定架，9為蓄電池組，10為第一外套管，11為第二外套管；101為低溫排氣管連接法蘭，201為旋流室，202為旋流管連接法蘭，401為陽極管連接法蘭，801為固定架螺孔，802為固定架排氣孔，803為陰極棒安裝孔，1101為散熱翅片。

具體實(shí)施方式

實(shí)施例一：參見圖1-2，一種等離子體渦流燃料電池，包括旋流管2，旋流管2的內(nèi)部設(shè)有旋流室201，旋流管2的一端連接有與旋流室201連通的低溫排氣管1，旋流管2的另一端連接有與旋流室201連通的陽極管4，旋流管2的側(cè)壁連接有與旋流室201連通的射流管3，陽極管4的另一端連接有高溫排氣管5，高溫排氣管5的內(nèi)腔中安裝有節(jié)流閥6。低溫排氣管1的另一端設(shè)有低溫排氣管連接法蘭101，低溫排氣管連接法蘭101通過螺栓固定連接有陰極棒固定架8，陰極棒固定架8的中心設(shè)有陰極棒安裝孔803，以陰極棒安裝孔803為圓心的陰極棒固定架8上設(shè)有若干個(gè)固定架排氣孔802，陰極棒安裝孔803中固定穿裝有陰極棒7。陰極棒7通過導(dǎo)線連接蓄電池組9的負(fù)極，陽極管4的管壁通過導(dǎo)線連接蓄電池組9的正極。陽極管4的內(nèi)徑為D，長(zhǎng)度為L(zhǎng)，5D≤L。

旋流管2與陽極管4對(duì)應(yīng)的端面設(shè)有旋流管連接法蘭202，陽極管4與旋流管2對(duì)應(yīng)的端面設(shè)有陽極管連接法蘭401，旋流管連接法蘭202和陽極管連接法蘭401通過螺栓固定連接，便于拆卸和組裝。

低溫排氣管1、旋流管2和射流管3為一體成型結(jié)構(gòu)，低溫排氣管1、旋流管2和射流管3的外壁套裝有第一外套管10。陽極管4和高溫排氣管5為一體成型結(jié)構(gòu)，陽極管4和高溫排氣管5的外壁套裝有第二外套管11。

低溫排氣管1、旋流管2和射流管3均為氧化鋁陶瓷管，陽極管4、高溫排氣管5和節(jié)流閥6均為二氧化鋯陶瓷管。第一外套管10和第二外套管11均為金屬材料制作，第一外套管10和第二外套管11起到加固作用。第二外套管11的外壁設(shè)有若干個(gè)散熱翅片1101，便于散熱。

實(shí)施例二：參見圖3，一種基于等離子體渦流燃料電池的發(fā)電方法，包括以下步驟：

步驟S1：在純氫純氧當(dāng)量比可燃混合氣或者常規(guī)燃料與空氣當(dāng)量比可燃混合氣體中摻雜一定比例的堿金屬鹽，在爆震燃燒器中產(chǎn)生高溫高壓等離子體燃?xì)饣旌蠚馍淞黧w；

步驟S2：將步驟S1中的高溫高壓等離子體燃?xì)饣旌蠚馍淞黧w從射流管切向進(jìn)入渦流管中產(chǎn)生高速渦流；等離子體中的質(zhì)量較重的陽離子在強(qiáng)大離心力作用下被壓縮在渦流徑向外層流中，等離子體中的質(zhì)量微小的電子分布在渦流徑向內(nèi)層流中；陽離子和電子的渦流運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生內(nèi)外嵌套的兩個(gè)等效螺線管磁場(chǎng)，其同性磁極互相對(duì)立而且初始強(qiáng)度相等，在陽離子等效螺線管磁場(chǎng)的斥力作用下，電子渦流在徑向方向逐漸被箍縮，在渦流管軸線區(qū)域形成細(xì)棒狀螺線管磁場(chǎng)并沿渦流管軸線方向被排斥，受低溫廢氣渦流推動(dòng)向低溫排氣端運(yùn)動(dòng)到達(dá)陰極；電子經(jīng)過外電路的導(dǎo)線和負(fù)載回到陽極管與陽離子復(fù)合成電中性原子，完成動(dòng)能到電能的轉(zhuǎn)化循環(huán)；高溫廢氣從高溫排氣管排出，低溫廢氣從低溫排氣管排出；

步驟S3：調(diào)節(jié)節(jié)流閥改變高溫廢氣的排出量，配合爆震器功率控制器可以聯(lián)動(dòng)調(diào)節(jié)充電電流、電壓和系統(tǒng)輸出功率。

本發(fā)明的三種主要物理機(jī)制：

第一步，等離子體渦流燃料電池技術(shù)利用等離子體射流切向進(jìn)入渦流管中產(chǎn)生高速渦流，迫使質(zhì)量較重的陽離子在強(qiáng)大離心力作用下被壓縮在渦流徑向外層流中。質(zhì)量微小的電子所受離心力幾乎可以忽略，只能分布在渦流徑向內(nèi)層流中。這是正負(fù)電荷分離的第一種主要物理機(jī)制。

第二步，陽離子和電子的渦流運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生內(nèi)外嵌套的兩個(gè)等效螺線管磁場(chǎng)，其同性磁極互相對(duì)立而且初始強(qiáng)度相等，在陽離子等效螺線管磁場(chǎng)的斥力作用下，電子渦流在徑向方向逐漸被箍縮，在渦流管軸線區(qū)域形成細(xì)棒狀螺線管磁場(chǎng)并沿渦流管軸線方向被排斥，受低溫廢氣渦流推動(dòng)向低溫排氣端運(yùn)動(dòng)到達(dá)陰極。這是正負(fù)電荷分離的第二種物理機(jī)制。

第三步，渦流管的能量分離效應(yīng)使驅(qū)動(dòng)等離子體的電中性燃燒廢氣產(chǎn)生高溫和低溫分流，渦流內(nèi)層廢氣的熱能逐漸向渦流外層傳遞，最終把部分能量傳遞給陽離子渦流。因此陽離子渦流內(nèi)能增大，可以使在電池正電極上還原的原子多次反復(fù)電離，有利于保持較高的陽離子濃度。低溫廢氣的制冷作用使得電子渦流內(nèi)能進(jìn)一步減小，降低電子與陽離子在渦流管內(nèi)部短路復(fù)合的幾率。這是正負(fù)電荷分離的第三種物理機(jī)制。同時(shí)，熱能的定向傳遞也有利于降低廢氣排放的能量損耗，提高燃料電池效率。

方案設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)舉例：

氫氧燃料電池的反應(yīng)方程式為：2H₂+O₂=2H₂O

利用2摩爾純氫氣與1摩爾純氧氣產(chǎn)生爆震反應(yīng)，反應(yīng)產(chǎn)物為2摩爾高溫高壓水蒸氣射流，噴射流速約為1500米/秒,在內(nèi)半徑為2.25厘米的渦流管中產(chǎn)生10615.7轉(zhuǎn)/秒的圓周運(yùn)動(dòng)，在最大半徑處能夠產(chǎn)生1×10⁸米/秒²離心加速度，銫離子所受到的離心力約為2.22×10^-17牛頓，而電子所受到的離心力約為9.1× 10^-23牛頓，離心力強(qiáng)度相差5個(gè)數(shù)量級(jí)，電子所受到的離心力可以忽略；

若以（8-10%）的摩爾比摻雜堿金屬銫鹽（如碳酸銫）可以產(chǎn)生適當(dāng)濃度的高溫高速等離子體，其典型德拜球半徑約為7×10 ^-5米，銫離子與電子之間的庫倫力約為4.7×10^-20牛頓，與銫離子所受到的離心力相差3個(gè)數(shù)量級(jí)，德拜球?qū)⒈浑x心力撕裂，正負(fù)電荷可以完全分離；

水分子量為18，所受到的離心力僅僅是銫離子所受離心力的約1/7,不會(huì)混入銫離子渦流，只能作為廢氣排出；

根據(jù)流體力學(xué)仿真5倍長(zhǎng)徑比的渦流管即可實(shí)現(xiàn)正負(fù)電荷的充分分離，內(nèi)徑4.5厘米的渦流管長(zhǎng)度大約為22.5厘米，總長(zhǎng)度大約25厘米；配套50赫茲脈沖爆震器，輸出功率大約為1千瓦，電能轉(zhuǎn)化效率為66%左右。

反應(yīng)過程會(huì)產(chǎn)生氫氧化銫，封閉循環(huán)模式下，堿金屬銫鹽一次性添加后可以循環(huán)利用，定期維護(hù)時(shí)補(bǔ)充損耗。

以上實(shí)施例僅僅是對(duì)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式進(jìn)行描述，在不脫離本發(fā)明設(shè)計(jì)精神的前提下，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案作出的各種變形和改進(jìn)，均落入本發(fā)明權(quán)利要求確定的保護(hù)范圍內(nèi)。