CN113764706B - 一种具有主动循环系统的二次燃料电池 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种具有主动循环系统的二次燃料电池，所述二次燃料电池能够有效地加热且能够重复使用。本发明的二次燃料电池具有：固体电解质体(2)；负极(3)，形成于固体电解质体(2)的一个面；正极(1)，形成于固体电解质体(2)的另一个面上；负极燃料物质体(5)；加热部(10)，用于将二次燃料电池外壳(4)、固体电解质体(2)和负极燃料物质体(5)加热维持在预定温度以上；压力吸收部(9)，用于吸收二次燃料电池内由产生水蒸气引起的压力变动；气泵(12)，用于促进二次燃料电池内部气体的循环。

Description

一种具有主动循环系统的二次燃料电池

技术领域

本发明涉及一种作为固定用或汽车等移动体用的电源及携带用电源而有用的二次燃料电池，尤其涉及一种具有燃料气体的再生装置的二次燃料电池。

背景技术

随着社会的发展，能源匮乏和环境污染问题越来越严重，人类对传统能源的消耗量日益增大，进一步导致环境污染和温室效应的恶化。开发更加清洁有效的能源利用方式是非常必要的，燃料电池被认为是解决日益严重的全球能源危机和环境污染问题的有效的解决方案。它是一种通过电化学反应，将化学能转化成电能的装置，有高效率，环境友好以及安全可靠性高等优点。而基于氧离子传导的固体氧化物燃料电池(SOFC)是目前研究的热点，它既可以做固定电源，又可以做汽车、电脑、手机等的小型移动电源。

SOFC基本结构单元包括多孔的阴极材料和阳极材料以及致密的电解质。SOFC通常在高温(>600℃)下工作，它的发电效率超过60％，是发电效率最高的燃料电池。

将SOFC与储氢材料结合起来构成可重复使用的二次燃料电池是拓宽SOFC应用的重要方法。目前的二次燃料电池中，使用金属及其氧化物对来储存氢气，但是由于工作温度很高，各种储能的金属及其氧化物材料容易烧结成大颗粒，导致气体流通不畅，电池效率因此下降。

在电池内部增加主动循环系统，利用压强差促进电池内部气体流动，从而提高金属整体的利用率，使得电池的放电性能更好，同时也能提高金属的使用寿命。这是对这种二次燃料电池的一种非常新颖的改进。

虽然专利CN108604689A中也涉及给相似的二次燃料电池外接气泵的设计，但是上述专利中气泵的设计是为了促进二次燃料电池中空气的流动，气泵与外界空气相通，使得空气在电极复合体中强制对流。而本发明气泵的设计是为了促进二次燃料电池内部氢气与水蒸气的流动，从而避免金属中气体流通不畅导致的性能下降，不需要气泵与外界有任何联通。

发明内容

为解决背景技术中存在的技术问题，本发明提出一种具有主动循环系统的二次燃料电池。

本发明提供一种具有主动循环系统的二次燃料电池，其具有：气密性的固体电解质体，传导氧离子；负极，形成于所述固体电解质体的一个面，且在放电时将还原性气体氧化为氧化性气体；正极，形成于所述固体电解质体的另一个面，且在放电时将氧还原为氧离子；负极燃料物质体，与所述氧化性气体反应而生成所述还原性气体，且本身成为氧化物；加热部，用于将所述固体电解质体和所述负极燃料物质体加热维持在预定温度以上；压力吸收部，用于吸收所述二次燃料电池内由产生水蒸气引起的压力变动；以及气泵，用于促进所述二次燃料电池内部气体的循环。

优选地，所述二次燃料电池外壳为筒状，所述固体电解质体为圆片状，所述正极以圆片状形成于圆片状的所述固体电解质体的外表面，所述负极以圆片状形成于圆片状的所述固体电解质体的内表面，所述负极燃料物质体为圆柱状，且配置于所述二次燃料电池外壳的内侧，所述加热部为弧形，且配置于所述筒状的二次燃料电池外壳的外侧，所述气泵配置于所述筒状的二次燃料电池外壳的外侧。

优选地，所述气泵与气道相连，气道包括气道入口与气道出口。气道入口通过连接通道与所述二次燃料电池外壳内部连通，且连接处靠近所述固体电解质体；气道出口通过连接通道与所述二次燃料电池外壳内部连通，且连接处位于所述二次燃料电池外壳上距离所述固体电解质体最远的面。

优选地，所述还原性气体为氢气。

优选地，所述负极燃料物质体由铁颗粒以及催化剂构成，该催化剂从由包含铂、氧化铈、氧化锆材料构成的组中选出的一种或两种以上的材料构成。

优选地，所述铁颗粒为铁粉末。

优选地，所述负极在充电时将所述氧化性气体还原为所述还原性气体，所述正极在充电时将氧离子氧化为氧，所述负极燃料物质体的氧化物与所述还原性气体进行可逆反应而生成所述氧化性气体，并且本身成为负极燃料物质体。

优选地，所述固体电解质体为从氧化钇稳定氧化锆、铈-钆氧化物、镓酸镧、铈酸钡、LSGM构成的组中选出的一种或两种以上的物质。

优选地，所述压力吸收部由波纹管和/或气体吸收剂构成，通过连接通道与所述二次燃料电池外壳内部连通，用于将所述二次燃料电池外壳内部压力保持在预定范围内。

优选地，与所述气泵相连的所述气道出口与所述负极燃料物质体接触，并且具有防止所述负极燃料物质体中所述铁颗粒倒流入气道的网罩，网罩可选用陶瓷纤维、被覆有陶瓷的金属网。

根据本发明，能够提供一种可有效进行加热且能够重复使用的二次燃料电池。

另外，根据本发明，能够将动作时的气体的封闭空间的压力保持在预定范围内。

而且，根据本发明，能够在二次燃料电池运行时有效促进气体流动，提高二次燃料电池的使用寿命。

附图说明

图1是表示本发明的实施方式所涉及的燃料电池的整体结构的图。

图2是表示本发明的实施方式所涉及的燃料电池的动作说明图。、

图3是表示本发明的实施方式所涉及的放电特性的曲线图。

1正极、2固体电解质体、3负极、4二次燃料电池外壳、5负极燃料物质体、6正极集电体、7负极集电体、8连接通道、9压力吸收部、10加热部、11气道、12气泵、13网罩。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细的说明。

图1中示出本发明的实施方式所涉及的二次燃料电池的整体结构。

由图1可知，本实施方式所涉及的二次燃料电池上部依次为圆片状的正极1、固体电解质体2及负极3，下方为筒状的二次燃料电池外壳4，其内部为圆柱状的负极燃料物质体5，外部为气泵12、压力吸收部9以及弧形的加热部10。

正极1、固体电解质体2及负极3分别粘附，负极3与负极燃料物质体5之间以互不接触的方式设置有预定间隙。

固体电解质体2及二次燃料电池外壳4在其内侧形成密闭空间，而且，为了将密闭空间的内压保持在预定范围，设置有通过连接通道8而与密闭空间相连接的压力吸收部9。

另外，正极1连接有正极集电体6，负极3连接有负极集电体7，且作为端子被引出。

正极1例如由LSM、LSC等形成，除了具有对于氧的还原反应和氧离子的氧化反应的催化功能之外，还具有电子传导性、透气性、氧化气氛下的稳定性。

固体电解质体5为从氧化钇稳定氧化锆、铈-钆氧化物、镓酸镧、铈酸钡、LSGM构成的组中选出的一种或两种以上的物质。

这些物质气密且水密，不会使水透过。另外，这些物质在常温下几乎不会传导氧离子，因此，固体电解质体5在二次燃料电池工作时优选超过300℃的，优选加热保持在650℃～1000℃。

而且，负极3例如由氧化钇稳定氧化锆和镍的复合材料形成，除了具有对于氢的氧化反应和水的还原反应的催化功能之外，还具有电子传导性、透气性、存在水蒸气的情况下还原气氛中的稳定性。

并且，负极燃料物质体5由铁颗粒以及催化剂构成，该催化剂从由包含铂、氧化铈、氧化锆材料构成的组中选出的一种或两种以上的材料构成。

另外，二次燃料电池外壳4例如由高温稳定的不锈钢制成，具有良好的导热性和气密性，且在高温下不与氢气、水和氧气反应。

加热部10例如由电阻发热体、电弧加热、感应加热、介质加热、微波加热等构成，能够进行650℃～1000℃左右的加热，可以外接电源运行。

并且，加热部10在初始运行启动时将二次燃料电池外壳4加热保持在预定温度。并且，二次燃料电池成为稳定运行状态时，加热部10也可通过对燃料电池进行加温或冷却等来保持稳定运行温度。另外，加热部10中也可附加有能够从外部对设定温度等温度控制条件进行设定和变更的外部控制装置。

并且，二次燃料电池中设置有连接通道8，以便与密闭空间连通，连接通道8与压力吸收部9连接。压力吸收部9例如由金属制波纹管和隔膜构成，并吸收由在密闭空间内产生的水蒸气引起的压力的变动，将密闭空间内的压力保持在预定范围内。

另外，气泵12与气道11相连，同时气泵12可以外接电源运行，气道11有气道入口与气道出口。气道入口通过连接通道与所述二次燃料电池外壳内部连通，且连接处靠近所述固体电解质体2；气道出口通过连接通道与所述二次燃料电池外壳内部连通，且连接处位于所述二次燃料电池外壳上距离所述固体电解质体2最远的面。

并且，与气泵12相连的所述气道出口与所述负极燃料物质体5接触，并且具有防止所述负极燃料物质体5中所述铁颗粒倒流入气道的网罩13，网罩13例如由陶瓷纤维、被覆有陶瓷的金属网制成。

作为正极集电体6的材料没有特别限定，但优选具有氧化气氛中的稳定性的物质，例如有钛、不锈钢、银或以此作为主体的合金等。

作为负极集电体7的材料没有特别限定，但优选具有氧化和还原气氛中的稳定性的物质，例如可举出银、铂、金、铜、钛不锈钢和以此作为主体的合金。

接着，对二次燃料电池的动作进行说明。

图2是表示本发明的实施方式所涉及的二次燃料电池的动作说明图。

二次燃料电池具备正极1、固体电解质体2、负极3以及负极燃料物质体5，正极1、固体电解质体2及负极3分别粘附并相连接。

若正极1、固体电解质体2、负极3以及负极燃料物质体5通过图2中未图示的加热部10被加热到650℃～1000℃，则外部的氧(O₂)被正极1吸收，从正极1到负极3作为氧离子(O^2-)在固体电解质体2内移动，在负极3中对密闭空间内的氢(H₂)进行氧化而生成水(H₂O)。

氢(H₂)的电荷2e^-通过该反应从负极3通过配线流入正极1，从而电流从正极1流向负极3。

另外，生成的水(H₂O)作为水蒸气与负极燃料物质体5反应，使负极燃料物质体5氧化(成为Fe_xO)再次成为氢(H₂)。

而且，在负极燃料物质体5中产生的氢(H₂)在负极3中再次与氧离子(O^2-)反应而成为水(H₂O)，因此只要负极燃料物质体5没有完全被氧化，二次燃料电池就可进行放电。

而且，在充电过程中会发生与放电时相反的反应。在二次燃料电池的负极3中水(H₂O)接受电荷而被分解为氧离子(O^2-)和氢(H₂)，氧离子(O^2-)从负极3通过固体电解质体2向正极1移动，并且在正极1失去电子变成氧(O₂)。氢(H₂)还原负极燃料物质体5(Fe_xO)，使之返回到氧化前的负极燃料物质体5和水(H₂O)。并且，已产生的水(H₂O)进一步在负极3中接受电荷重复上述反应，直至被氧化的负极燃料物质体5(Fe_xO)完全被还原。

另外，加热部10对二次燃料电池外壳4、负极燃料物质体5、负极3、固体电解质体2及正极1进行加热。此外，加热部10在上升至预定温度之后，持续保持适合二次燃料电池驱动的温度。

并且，连接通道8和压力吸收部9可以调整二次燃料电池外壳4内部气压，因此二次燃料电池外壳4内部的气压不会因基于加热部10的加热和在负极3中产生的水蒸气而异常升高，而是稳定在一定范围。

另外，二次燃料电池维持运行需要气体在负极燃料物质体5中不断扩散与反应，负极燃料物质体5会因为二次燃料电池的持续运行而出现烧结情况，进而导致气体在其中扩散受阻，导致二次燃料电池性能下降。气泵可以很好地解决这个问题。

放电过程中，靠近固体电解质体2的一侧水(H₂O)含量高，远离固体电解质体2的一侧氢(H₂)含量高，气泵将靠近固体电解质体2一侧的高水(H₂O)含量气体抽出，通入远离固体电解质体2氢(H₂)含量高的一侧，既使二次燃料电池外壳4内部气体分布更加均匀，也利用压强差促进了气体在负极燃料物质体5中的扩散，有利于提高二次燃料电池运行的效率。

充电过程中，靠近固体电解质体2的一侧氢(H₂)含量高，远离固体电解质体2的一侧水(H₂O)含量高，气泵将靠近固体电解质体2一侧的高氢(H₂)含量气体抽出，通入远离固体电解质体2水(H₂O)含量高的一侧，既使二次燃料电池外壳4内部气体分布更加均匀，也利用压强差促进了气体在负极燃料物质体5中的扩散，有利于提高二次燃料电池运行的效率。

在图3中示出本发明的实施方式所涉及的放电特性的曲线图。在图3中，分别测试了本实施方式涉及的二次燃料电池以及没有使用主动循环系统，其余组件相同的二次燃料电池。图3中虚线为未采用主动循环系统的二次燃料电池放电曲线，实线为本实施方式涉及的二次燃料电池的放电曲线。

从图3中可以看出，和未采用主动循环系统的二次燃料电池相比，本实施方式涉及的二次燃料电池在放电过程中，能够维持高电压更长时间，具有更好的放电平台。这是因为放电达到一定程度时，由于电池内部气体传输阻力变大，导致电压下降，而本实施方式涉及的二次燃料电池使用主动循环系统促进气体在电池内部的传输，所以有更好的放电平台。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种具有主动循环系统的二次燃料电池，其包括：气密性的固体电解质体，传导氧离子；负极，形成于所述固体电解质体的一个面，且在放电时将还原性气体氧化为氧化性气体；正极，形成于所述固体电解质体的另一个面，且在放电时将氧还原为氧离子；负极燃料物质体，与所述氧化性气体反应而生成所述还原性气体，且本身成为氧化物；加热部，用于将所述固体电解质体和所述负极燃料物质体加热维持在预定温度以上；压力吸收部，用于吸收所述二次燃料电池内由产生水蒸气引起的压力变动；以及气泵，用于促进所述二次燃料电池内部气体的循环；

所述二次燃料电池外壳为筒状，所述固体电解质体为圆片状，设置于筒状外壳的上端；所述气泵与气道相连，气道入口与所述二次燃料电池外壳内部连通，且连接处靠近所述固体电解质体；气道出口与所述二次燃料电池外壳内部连通，且连接处位于所述二次燃料电池外壳上距离所述固体电解质体最远的面；所述气泵配置于所述筒状的二次燃料电池外壳的外侧；

与所述气泵相连的所述气道出口与所述负极燃料物质体接触，并且具有防止所述负极燃料物质体中铁颗粒倒流入气道的网罩。

2.根据权利要求1所述的二次燃料电池，其特征在于，所述正极以圆片状设置在所述固体电解质体的外表面，所述负极以圆片状设置在所述固体电解质体的内表面，所述负极燃料物质体为圆柱状，且配置于所述二次燃料电池外壳的内侧，所述加热部为弧形，且配置于所述筒状的二次燃料电池外壳的外侧。

3.根据权利要求1或2中任一项所述的二次燃料电池，其特征在于，所述还原性气体为氢气。

4.根据权利要求1或2所述的二次燃料电池，其特征在于，所述负极燃料物质体由铁颗粒以及催化剂构成，该催化剂从由包含铂、氧化铈、氧化锆材料构成的组中选出的一种或两种以上的材料构成。

5.根据权利要求1或2所述的二次燃料电池，其特征在于，所述负极在充电时将所述氧化性气体还原为所述还原性气体，所述正极在充电时将氧离子氧化为氧，所述负极燃料物质体的氧化物与所述还原性气体进行可逆反应而生成所述氧化性气体，并且本身成为负极燃料物质体。

6.根据权利要求1或2所述的二次燃料电池，其特征在于，所述固体电解质体为从氧化钇稳定氧化锆、铈-钆氧化物、镓酸镧、铈酸钡、LSGM构成的组中选出的一种或两种以上的物质。

7.根据权利要求1或2所述的二次燃料电池，其特征在于，所述压力吸收部由波纹管和/或气体吸收剂构成，通过连接通道与所述二次燃料电池外壳内部连通，用于将所述二次燃料电池外壳内部压力保持在预定范围内。

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