一種液態(tài)金屬氫源燃料電池的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實用新型屬于化學(xué)電源領(lǐng)域，具體涉及利用液態(tài)金屬產(chǎn)生氫氣的燃料電池及其應(yīng)用。
【背景技術(shù)】
[0002]燃料電池是一種電化學(xué)發(fā)電裝置，以等溫方式直接將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能。由于不涉及熱機過程，因此不受卡諾循環(huán)的限制，能量轉(zhuǎn)化效率高(衣寶廉，燃料電池一原理.技術(shù)?應(yīng)用，北京:化學(xué)工業(yè)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(jīng)電化學(xué)作用后，會還原為水，殘留物比較清潔，且發(fā)電過程安靜，可靠性高。一些情況下，可利用太陽能發(fā)電，然后再電解水制氫，為燃氫的燃料電池提供能源，其中經(jīng)過了三步能源轉(zhuǎn)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(huán)保而節(jié)能。由于這些因素，燃料電池近年來得到了快速發(fā)展。
[0003]無疑，上述氫燃料電池應(yīng)用的關(guān)鍵要素之一是氫?？梢哉f，在現(xiàn)有的各類燃料中，氫氣是一種發(fā)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(tǒng)能源的一個極有發(fā)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(tǒng)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(yōu)勢。所以，目前一般傾向于利用光電化學(xué)電池分解水制氫，太陽光照射到半導(dǎo)體氧化鈦表面時，在氧化鈦上產(chǎn)生的電流會使水分解，產(chǎn)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(guān)注的產(chǎn)氫方式為生物質(zhì)制氫。很早以來，科學(xué)家就在利用細胞的固定化技術(shù)來生產(chǎn)清潔能源，如用固定化藍綠藻光合產(chǎn)氫等。此外，也有實驗證明某些具有光合作用的菌類也能產(chǎn)生氫氣。自此，人們從不同角度對利用微生物產(chǎn)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(chǎn)氫活動將是短暫的，因為光解出來的氧氣將使得可逆轉(zhuǎn)的氫化酶很快失去活性。
[0005]總的說來，現(xiàn)有的制氫方法仍然顯得過于復(fù)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(shè)施加以儲存并釋放來應(yīng)用。為建立有效的利用方法，人們圍繞儲氫材料和設(shè)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(shù)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(yīng)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(zhàn)。
[0006]國際上，麻省理工學(xué)院研究人員2013年前后提出過液態(tài)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(tài)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(xiàn)分層結(jié)構(gòu)。這個系統(tǒng)需要保持700°C的高溫才能夠運行，經(jīng)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(yīng)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(zhì)的燃料電池散熱裝置，授權(quán)號:CN200959349)中首次提出以液體金屬或其合金為流動冷卻工質(zhì)的燃料電池散熱裝置，但液態(tài)金屬只是作為單純的冷卻流體使用，尚無產(chǎn)氫原理和機構(gòu)被發(fā)明。
[0007]隨著近期研究的發(fā)現(xiàn)，液態(tài)金屬的產(chǎn)氫獨特機制得以揭示，這種材料可結(jié)合配對金屬和電解液直接產(chǎn)生氫氣，從而實現(xiàn)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(shù)。該技術(shù)可用于汽車、航天、個人電子等行業(yè)乃至太陽能發(fā)電、儲能領(lǐng)域。
【實用新型內(nèi)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(chǎn)氫并直接加以發(fā)電利用的液態(tài)金屬氫源燃料電池。
[0009]為實現(xiàn)本實用新型目的技術(shù)方案為:
[0010]—種液態(tài)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(tài)金屬氫源燃料電池設(shè)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(nèi)放置有產(chǎn)氫金屬和液態(tài)金屬，所述產(chǎn)氫金屬為招、鎂、I丐、鐵、鋅、鋰中的一種；所述液態(tài)金屬為室溫下為液態(tài)的金屬或合金；產(chǎn)氫金屬浸入或分散在液態(tài)金屬中；所述氫氣腔還設(shè)置有氫源電解液的進口。
[0012]進一步地，所述氫氣腔內(nèi)設(shè)置有隔板，將氫氣腔內(nèi)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(nèi)一端連接氫氣腔頂?shù)母舭?，氫氣入口位于氫氣腔上方，氫氣進入氫氣腔內(nèi)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(nèi)相間連接氫氣腔頂、底的多個隔板，構(gòu)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(shè)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(tài)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(qū)動為流動狀態(tài)。液態(tài)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(tài)金屬材料與產(chǎn)氫金屬如鋁、鋅等的原電池反應(yīng)，從而產(chǎn)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(jīng)典的電化學(xué)反應(yīng)，輸出電力。此燃料電池系統(tǒng)中，只需停止氫源電解液的供應(yīng)，則氫氣發(fā)生停止，由此終止燃料電池的燃料來源繼而控制相應(yīng)的電力輸出。
[0016]本實用新型所述的液態(tài)金屬氫源燃料電池中其他元件可采用現(xiàn)有技術(shù)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(gòu)成的電極，陽極與所述燃料電池電解液之間設(shè)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(gòu)成的電極，陰極與所述燃料電池電解液之間設(shè)置有陰極隔膜；
[0019]陰極發(fā)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(zhì)。
[0021 ] 優(yōu)選地，所述氫源電解液池內(nèi)放置有產(chǎn)氫金屬和液態(tài)金屬，所述產(chǎn)氫金屬為粒徑
1-100 μ m的顆粒，分散在液態(tài)金屬中。
[0022]具體地，所述產(chǎn)氫金屬可與液態(tài)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(tài)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(yōu)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(nèi)的液態(tài)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(nèi)放置有產(chǎn)氫金屬和液態(tài)金屬，產(chǎn)氫金屬質(zhì)量占液態(tài)金屬質(zhì)量的I?80%。
[0027]本實用新型的發(fā)明人進行了液態(tài)金屬與鋁片在NaOH溶液中室溫產(chǎn)生氫氣的實驗，液態(tài)金屬為鎵(常溫下為液態(tài))，將室溫下處于液態(tài)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(chǎn)生氫氣，且氫氣生成量顯著，過程十分平穩(wěn)，產(chǎn)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(diào)控。其關(guān)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(xù)反應(yīng)繼而生成氫氣。在此過程中，液態(tài)金屬鎵基本不發(fā)生消耗，其作用在某種程度上相當于催化劑，而作