可充电的钠-水气燃料电池单元制造技术

本发明专利技术可充电的钠‑水气燃料电池单元采用包括液态金属钠在内的流体钠作为负极，水气或加氧的水气为氧化剂，以多管道阵列的结构解决了目前的钠燃料电池中的碱液排出不畅的问题，解决了充电时氧气气泡的排放问题。最终结构的钠燃料电池能够实现连续、高功率密度发电，又能在合理的电流下充电。本发明专利技术以钠离子导电隔膜为选择性钠离子透过介质，以无碳气体阴极作氢氧根离子的选择性渗漏介质，通过在上述隔膜与上述阴极之间所预留的间隔作为阳离子与阴离子混合的空间(即混合间)，完成电池的基本构造。通过上述多管道阵列形成的排碱管阵列交换混合间中的电化学反应产物，使电池的反应得以连续而高效地进行，进而获得连续、高功率密度的特点。

【技术实现步骤摘要】
可充电的钠-水气燃料电池单元
本专利技术“可充电的钠-水气燃料电池单元”(以下简称“钠水可充电池”)涉及到燃料电池领域，具体地，涉及到使用金属钠的可充电燃料电池领域。
技术介绍
化石能源和原子能是人类能量的主要来源，总会面临枯竭的问题。与化石能源相比，太阳能的优点是取之不尽，用之不竭。太阳能包括了风能、光能、潮汐能。为了能量的远距离传输，一般都是把上述的能量转换成电能，这样发出的电常称为风电、光电。光电和风电受自然条件的约制而波动，例如天阴下雨、晴天无风等情况下造成的太阳能、风能发电的波动，尤其是晚上需要大量用电的情况下光能发电几乎为零。这就涉及到电能的存储技术，具体地，涉及到大容量、高功率的电池技术。另一方面，电动汽车也涉及到上述的电池技术。除了大容量高功率外，电动汽车对电池的要求还包含高功率密度的要求。上述两种使用场景中，还对电池的成本、对环境友好、拆解回收等都有所要求，以保护人类生存的环境，实现可持续发展。目前大量使用的锂电池采用“摇椅”方式工作。在阳极，需要用石墨将锂以离子的形式存储起来，避免锂枝晶带来的短路、死锂等问题，但是却造成锂的有效含量大大减低；在阴极，氧以变价化合物盐的形式存储起来，使参与到电化学反应能够有效利用的氧含量很低。上述石墨、变价化合物在电池的充放电过程中没有质量的变化，也不存储电能，是电池的辅助材料。在电池整体的全部材料中，辅助材料是直接参与电化学反应元素的至少十倍。只有降低起辅助作用材料的重量比例，才能够提高电池的能量密度。能够大规模减少辅助材料的例子似乎是“钒液流电池”。电化学能量存储在水溶液中的变价钒离子中，除了外壳、容器等结构材料以外，电池本体只有质子交换膜不参与电化学反应，于是除了作为溶液的水以外的辅助材料的重量比例降到了最低。然而，钒流体电池的能量密度并不高，原因在于钒离子溶液中的绝大部分是水，而水是不参与电化学反应的。另外，钒离子剧毒、地球上的钒资源很少，比锂还少得多。再一个实用的例子是氢燃料电池。氢作为阳极材料存储在高压储罐中，与氧在燃料电池中发生电化学反应，电池的主要辅助材料只有带铂催化剂的质子交换膜，其余材料只有外壳和电池的结构材料。氢与氧分别流入燃料电池的阳极和阴极，反应的结果为液态水，很容易向燃料电池外流出排掉。这可类比于“钒液流电池”的情形。不同的是，反应产物为水，没有必要存储起来，从道理上来说，氢燃料电池能量密度应该非常高。然而实际情况并非如此。氢气需要压缩才能存储。目前在最好的技术情况下，存储5公斤氢需要26升的高压罐，高压罐内部压力达到600个大气压，罐子自身的重量达到100公斤。考虑到储氢罐的重量后，储氢系统中氢的重量比只有5％，这一因素大大降低了氢燃料电池总体的能量密度。此外，高压罐的易爆炸性、加上氢气在接头、阀门等关键部位漏气的可能性、氢气本身的易燃易爆特性等，使得氢燃料电池的使用场合受限。如果在地下车库有一辆车慢性漏气，整个车库、整栋楼房都非常危险。再则，氢燃料电池的电压低(只有0.6-0.8伏)，更使其容量成倍下降。再一缺点是，现有的氢燃料电池都无法充电。若把氢燃料电池中的氢换成碱金属可以避免阳极材料的存储需要高压罐的问题，使用空气中的氧可以避免氧气的存储问题，即通常的钠(或锂)-空气电池的模式。然而，碱金属氧化物的熔点太高，达到800度以上，不能在合理的温度下形成液流排出电池之外。美国专利US3703415号展示了一款钠-水电池，采用固体电解质薄膜，其开路电压为2.65伏，由于采用陶瓷作钠离子导电隔膜，室温下电阻太大，电流密度只有几毫安，若换用聚合物与钠盐的混合物作钠离子导电隔膜，又因为薄膜中的钠盐容易溶解于水中，造成机械强度下降、薄膜破裂而引起钠与水直接接触反应，不安全。中国专利CN108365238A公布了一款液态金属燃料电池，电池结构为液态金属-固态导电隔膜-气体阴极-加湿的氧气或空气。由于固态电解质钠离子导电隔膜与气体阴极直接粘合，液态金属与湿氧电化学反应所生成的产物，即废弃料，无法流畅排放，使电池无法正常工作。虽然专利技术者声称，废弃料能够通过气体阴极中的微米间隙排出，而湿氧则从气体阴极中纳米间隙进入。然而，气体和液体的混合物要在同一介质中实现相对逆向流动，在实际中是不可能的。现说明如下：气体阴极为了获得最大的催化表面，其中的固体颗粒和颗粒之间的间隙都非常小，尺度一般在纳米至微米之间。所形成的排放废弃液的微通路既是弯曲的，直径大小也极不均匀。换言之，用以排放废弃液的、呈曲折形状的微通道中，不同位置的尺度也在纳米到微米之间。按照专利技术者的说法，废弃液通过较大的孔洞流出电池，而湿氧通过较小的孔洞进入电池，所以废弃液必定堵塞在微通道中半径较小之处，造成湿氧的通路不畅顺。再者，无论提高湿氧压力还是降低湿氧压力，废弃液所受压强与湿氧压强之差接近于零。如此，无法保证湿氧往电池里流入的同时废弃液还能向电池外流出。综上，该专利技术因废弃液无法排放，作为氧化剂的湿氧也无法进入电池内部，因而不具有实用性。再者，这种结构的金属燃料电池也属于一次性电池，无法充电。虽然燃料电池有较高的储能密度，但是，传统的燃料电池不能充电，使其添加燃料的过程繁琐且危险，限制了燃料电池在电动汽车上的应用。本专利技术选择钠作为储能介质制造可充电的燃料电池。以流体钠作为电池的燃料，取钠元素的以下几个优点：a.安全性好。钠的沸点接近1000度，所以钠燃烧时只是在表面燃，不容易形成鸣爆性气体因而不会爆炸。对比氢或者汽油(汽油的沸点为80度左右)，一旦燃烧就与空气混合，随即引起爆炸。b.钠比较容易保管在充有惰性气体或氮气或硅油的铁罐中，即使铁罐中有残余的氧，也只是在钠表面引起氧化，氧气耗尽以后氧化的过程即停止。c.电池的充电不必是连续的过程，使得充电的过程简单而安全，所用的电力可以是晚间用电低谷时段、光电风电的发电时段所发出的电力，也可以是常规市电、工业用电、水电、煤电、原子能电力。
技术实现思路
本专利技术主要解决目前的钠燃料电池中的碱液排出不畅的问题，也要解决钠燃料电池只能发电，无法充电的问题。本专利技术钠水可充电池的结构如下。本专利技术钠水可充电池由燃料单元、钠离子导电隔膜、气体阴极、氧化剂单元、排碱管阵列、碱液汇集间构成。电池的负电极从燃料单元引出，电池的正电极从气体阴极引出。其中，燃料单元包括了燃料舱、填充于燃料舱中的流体钠，氧化剂单元包括了氧化剂舱和填充于氧化剂舱中的气体氧化剂。本专利技术所称“钠离子导电隔膜”，是用离子型导电材料制造的隔膜，其特点是钠离子在其中的迁移率远大于(10倍以上)电子和其它离子(例如氢离子、氢氧根离子)的迁移率。典型的钠离子导电隔膜为Beta氧化铝陶瓷薄片。本专利技术所称的“流体钠”，为钠或钠的混合物的以下三种形态或该三种形态的混合物：1.单质钠置于高于熔点(97度)以上的环境所形成的液体；2.钠与其他材料，例如钾、汞、锡等，组成的合金材料或金属间化合物，将其置于共融点温度以上使之熔融而形成的液体；3.含有钠的可流动复合材料(例如钠微球，钠合金微球，含钠微球的液体石蜡，镀铝的钠微球，及其类似材料)。流体钠本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种可充电的钠-水气燃料电池单元的结构，由燃料单元、钠离子导电隔膜、气体阴极、氧化剂单元、排碱管阵列、碱液汇集间所构成；电池的负电极从燃料单元引出，电池的正电极从气体阴极引出；其中，燃料单元包括了燃料舱、填充于燃料舱中的流体钠，氧化剂单元包括了氧化剂舱和填充于氧化剂舱中的气体氧化剂；其特征在于：/n(1)在所述气体阴极与所述钠离子导电隔膜之间留有间隙作为混合间，所述混合间的内部空间被碱液所填充；/n(2)所述排碱管阵列由多根排碱管组成，所述排碱管为穿越所述气体阴极和所述氧化剂单元的填充了所述碱液的管道。/n

【技术特征摘要】
1.一种可充电的钠-水气燃料电池单元的结构，由燃料单元、钠离子导电隔膜、气体阴极、氧化剂单元、排碱管阵列、碱液汇集间所构成；电池的负电极从燃料单元引出，电池的正电极从气体阴极引出；其中，燃料单元包括了燃料舱、填充于燃料舱中的流体钠，氧化剂单元包括了氧化剂舱和填充于氧化剂舱中的气体氧化剂；其特征在于：
(1)在所述气体阴极与所述钠离子导电隔膜之间留有间隙作为混合间，所述混合间的内部空间被碱液所填充；
(2)所述排碱管阵列由多根排碱管组成，所述排碱管为穿越所述气体阴极和所述氧化剂单元的填充了所述碱液的管道。


2.根据权利要求书1所述的可充电的钠-水气燃料电池单元，其特征在于，在所述气体阴极与所述钠离子导电隔膜之间设置了间隔子。


3.根据权利要求书1所述的可充电...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄子强，黄逸青，
申请(专利权)人：黄子强，黄逸青，
类型：发明
国别省市：四川;51