一种闭环链式化学反应的全固态燃料电池及其工作方法

技术领域

本发明属于电池技术领域，涉及一种闭环链式化学反应的全固态燃料电池及其工作方法。

背景技术

随着科技的进步，各类电气电子设备的应用逐渐扩展到人类生活的方方面面，当前电气电子设备普遍向智能化、网络化、集成化、模块化方向发展，市场上对高品质电源的需求量迅速增加，然而，当前主流的锂离子电池越来越难以满足电气电子设备的需求，主要表现在：

(1)目前，锂离子电池单体能量密度很少达到或超过300Wh/kg，在电池成组后，能量密度会进一步下降，更为不利的是，受正极材料的限制，当前可商业化生产的锂离子电池的能量密度已接近其理论上限，如无法在正极材料体系实现变革，锂离子电池的能量密度将遭遇瓶颈；

(2)锂离子电池的性能受环境温度影响很大，温度过高或过低都会对锂离子电池产生不可逆损伤，并显著提高锂离子电池的安全隐患。

综上所述，当前主流的锂离子电池在能量密度、高低温性能方面越来越难以满足不断增长的设备能耗和对续航时间的需求，更无法满足在高温和低温环境下的用电需求。市场急需一种安全性好、能量密度高、环境适应性强、续航时间长、轻便环保的电源装置。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种闭环链式化学反应的全固态燃料电池及其工作方法，该电池及其工作方法具有安全性好、能量密度高、环境适应性强、续航时间长及轻便环保的特点。

为达到上述目的，本发明所述的闭环链式化学反应的全固态燃料电池包括外壳及发电单元，发电单元包括阳极腔、板式固体氧化物燃料电池、阳极集电网、阳极集电导线、阴极集电网、阴极集电导线、散热管及加热器；

阳极腔为凹槽形腔体，阳极腔的开口处通过板式固体氧化物燃料电池密封，板式固体氧化物燃料电池的阳极正对阳极腔，阳极腔内由内到外依次设置有固态燃料层、第一隔热透气隔断及阳极集电网，其中，阳极集电网与板式固体氧化物燃料电池的阳极相接触，阳极集电导线与阳极集电网相连接，板式固体氧化物燃料电池的阴极紧贴阴极集电网，阴极集电导线与阴极集电网相连接；

阳极腔的侧壁与外壳的内壁之间设置有环形的第二隔热透气隔断，第二隔热透气隔断及阳极腔将外壳的内部分隔为散热腔及阴极腔，散热腔内设置有空气预热风道，其中，外壳的侧壁上开设有进风口，空气预热风道的入口与进风口相连通，空气预热风道的出口位于散热腔内，散热管的中部位于空气预热风道内，散热管的两端均穿过第二隔热透气隔断插入于阴极腔内，加热器位于阴极腔内。

板式固体氧化物燃料电池包括电解质、阴极及阳极，其中，电解质位于阴极与阳极之间，电解质为离子导电材料。

阳极腔由底板及侧壁板构成，固态燃料层与底板与侧壁板之间设置有保温层。

固态燃料层的材质为碱性金属硼氢化物、碱性金属硼氢化物水解催化剂、盐结晶水合物及吸水材料的混合物；

碱性金属硼氢化物中的碱性金属为元素周期表中Group 1或Group 2所代表的金属元素；

碱性金属硼氢化物水解催化剂为钴基催化剂、铑基催化剂、镍基催化剂及酸；

盐结晶水合物与碱性金属硼氢化物及碱性金属硼氢化物水解催化剂不发生化学反应；

吸水材料为淀粉系高吸水性材料和/或纤维素系高吸水性材料；

淀粉系列高吸水性材料为由改性淀粉及其衍生物制备的吸水性材料。

散热管呈弓形结构，散热管由中间管段及两个竖直管段组成，其中，中间管段位于空气预热风道内，中间管段与两个竖直管段相连通，竖直管段穿过第二隔热透气隔断插入于阴极腔内，竖直管段上位于散热腔内的部分的外壁上设置有保温层；

空气预热风道包括相连通的进风段及换热段，其中，进风段与外壳上的进风口相连通，进风段的入口处设置有进气风扇，中间管段位于换热段内，换热段的侧壁上设置有与竖直管段相配合的通孔，其中，竖直管段穿过所述通孔与中间管段相连通。

外壳包括封装盒以及位于封装盒开口位置处的封装盖，进风口位于封装盒的侧壁上，封装盒的侧壁上设置有出风口，封装盒的侧壁上设置有阳极接线端及阴极接线端，其中，阳极接线端与阳极集电导线相连接，阴极接线端与阴极集电导线相连接。

固态燃料层中固态燃料的形状为片状、块状、饼状、颗粒状和粉末状；

第一隔热透气隔断及第二隔热透气隔断均为由绝缘透气材料制成的多孔介质结构板材。

发电单元的数目为两个，其中，第一个发电单元位于外壳的一侧，第二个发电单元位于外壳的另一侧，且两个发电单元中的第二隔热透气隔断及阳极腔之间形成两个发电单元共有的阴极腔，加热器位于两个发电单元中的阴极集电网之间；

阳极集电导线的一端与阳极集电网相连接，阳极集电导线的另一端穿过第一隔热透气隔断、固态燃料层及阳极腔的侧壁插入于散热腔内，第一个发电单元中阴极集电导线的一端与第一个发电单元中的阴极集电网相连接，第一个发电单元中阴极集电导线的另一端穿过第二个发电单元中的第二隔热透气隔断与第二个发电单元中的阳极集电导线相连接，第二个发电单元中的阴极集电导线的一端与第二个发电单元中的阴极集电网相连接，第二个发电单元中阴极集电导线的另一端穿过第一个发电单元中的第二隔热透气隔断与外壳上的阴极接线端相连接，第二个发电单元中的阳极集电导线与外壳上的阳极接线端相连接。

一种闭环链式化学反应的全固态燃料电池的工作方法包括以下步骤：

当全固态燃料电池为非工作状态时，全固态燃料电池对外无电能输出，此时全固态燃料电池内部工作温度与外部环境温度一致，其中，由于散热腔通过空气预热风道及进风口与外部空气连通，散热腔内部充满空气，散热腔内部的空气经第二隔热透气隔断扩散进入阴极腔中，阴极腔内部充满空气；

当全固态燃料电池由非工作状态转换为启动过程状态时，加热器的供电接口与外部供电电路连通，加热器开始工作，进气风扇的供电电路与外部供电电路连通，进气风扇启动运行，加热器对阴极腔内的空气加热，阴极腔内的空气温度逐渐上升，阴极腔内的高温空气进入散热管中并通过散热管对空气预热风道中的空气进行加热，随着空气预热风道中的空气温度逐渐上升，在进气风扇的作用下，空气预热风道中预热后的空气进入散热腔内，散热腔内的空气通过阳极腔的壁面对固态燃料层进行加热，与此同时，阴极腔内的高温空气通过阳极腔对固态燃料层进行加热，当固态燃料层的温度达到设定温度时，固态燃料层中的结晶水合物释放水分子，水分子与固态燃料层中的碱性金属硼氢化物发生水解反应产生氢气，通过控制进气风扇的进气流量来控制阳极腔内固态燃料层的工作温度，使碱性金属硼氢化物发生水解反应，氢气经第一隔热透气隔断扩散至板式固体氧化物燃料电池的阳极，当板式固体氧化物燃料电池的温度达到其工作温度时，加热器停止工作，全固态燃料电池进入工作状态；

当全固态燃料电池处于工作状态条件下，进气风扇的供电线路与板式固体氧化物燃料电池接通，板式固体氧化物燃料电池阳极侧的氢气失去电子变为氢离子，失去的电子通过外部电路到达板式固体氧化物燃料电池的阴极，板式固体氧化物燃料电池阴极侧空气中的氧获得电子变成氧离子，氧离子通过板式固体氧化物燃料电池的电解质层到达板式固体氧化物燃料电池的阳极与氢离子结合生成水，在此过程中，板式固体氧化物燃料电池对外输出电能，其中，板式固体氧化物燃料电池阳极生成的水分子的摩尔数与参与氢氧电化学反应的氢气摩尔数相等，氢氧电化学反应的生成物水分子经第一隔热透气隔断扩散至固态燃料层中，通过控制进气风扇的进气流量来控制阳极腔内固态燃料层的工作温度，使固态燃料层中的碱性金属硼氢化物发生水解反应，其中，参与固态燃料层中碱性金属硼氢化物水解反应的水分子数量与水解反应生成物氢气的数量相等，生成的氢气经第一隔热透气隔断扩散至板式固体氧化物燃料电池的阳极，以参与板式固体氧化物燃料电池发电生成水，使得水和氢气形成链式闭合的物质循环，在氢-水链式闭合物质循环过程中，板式固体氧化物燃料电池对外输出电能，在板式固体氧化物燃料电池2发电过程中，阴极腔内空气中的氧气组分浓度逐渐下降，氮气浓度逐渐上升，阴极腔内的压力下降，散热腔内空气中的氧气在压差及气体浓度差作用下通过第二隔热透气隔断扩散进入阴极腔，阴极腔中的氮气在浓度差作用下由阴极腔扩散进入散热腔，板式固体氧化物燃料电池的电化学反应及固态燃料水解过程为放热反应，当固态燃料层或板式固体氧化物燃料电池的温度超过设定温度时，增大进气风扇的进气流量；

当全固态燃料电池处于停机过程状态时，切断对外输电电流，进气风扇保持运行状态，在此状态下，板式固体氧化物燃料电池的输出功率等于进气风扇的功率，在板式固体氧化物燃料电池的阳极水生成速率下降到最小，相应的，固态燃料层的产氢反应下降到最小，全固态燃料电池内部生成热量最小，在进气风扇持续运行的情况下，全固态燃料电池内部的温度逐渐下降，直至板式固体氧化物燃料电池的工作电流趋近零，板式固体氧化物燃料电池的阳极无水生成，相应的，固态燃料层的产氢反应逐渐停止，进气风扇停止运行，此时全固态燃料电池进入非工作状态。

本发明具有以下有益效果：

本发明所述的闭环链式化学反应的全固态燃料电池及其工作方法在具体操作时，板式固体氧化物燃料电池设置于阳极腔的开口处，阳极腔内的固态燃料通过水解反应制取的氢气经第一隔热透气隔断扩散至板式固体氧化物燃料电池的阳极处，板式固体氧化物燃料电池发电时阳极侧产生的气态水反过来经第一隔热透气隔断扩散至阳极腔内部，以驱动阳极腔内的固态燃料水解产生氢气，且在上述循环中，板式固体氧化物燃料电池发电时在阳极生成的水分子的摩尔数与供应阳极的氢气的摩尔数相等，固态燃料层中的碱性金属硼氢化物水解生成氢气的摩尔数与反应水的摩尔数相等，从而在全固态燃料电池内部实现水解产物氢气和发电产物水的链式闭合循环，能量密度较高，续航时间长及轻便环保，同时整个反应在外壳内进行，环境适应性较强，且安全性较好。

附图说明

图1为本发明总体结构的截面图；

图2为本发明的组装图；

图3a为板式固体氧化物燃料电池2与阳极腔3的组装图；

图3b为阳极腔3的内部结构示意图；

图4为板式固体氧化物燃料电池2、阳极腔3、第二隔热透气隔断10、散热管11、空气预热风道12、进气风扇13的位置关系图；

图5为散热腔5的结构示意图；

图6为散热管11的结构示意图；

图7为外壳17的结构示意图。

其中，1为发电单元、2为板式固体氧化物燃料电池、3为阳极腔、4为阴极腔、5为散热腔、6为固态燃料层、7为阳极集电网、8为阴极集电网、9为第一隔热透气隔断、10为第二隔热透气隔断、11为散热管、12为空气预热风道、13为进气风扇、14为阳极集电导线、15为阴极集电导线、16为加热器、17为外壳、301为底板、302为侧壁板、303为保温层、1101为中间管段、1102为竖直管段、1201为进风段、1202为换热段、1701为封装盒、1702为封装盖、1703为进风口、1704为出风口、1705为阳极接线端、1706为阴极接线端。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

参考图1至图7，本发明的核心是实现全固态燃料电池内部的氢-水闭环链式化学反应，即，在板式固体氧化物燃料电池2的阳极侧，固态燃料层6通过水解反应产生的氢气经第一隔热透气隔断9扩散至板式固体氧化物燃料电池2的阳极，板式固体氧化物燃料电池2发电时阳极侧产生的气态水反过来经第一隔热透气隔断9扩散至阳极腔3内部，驱动阳极腔3内的固态燃料层6水解产生氢气；

在上述循环中，板式固体氧化物燃料电池2发电时在阳极生成的水分子的摩尔数与供应阳极的氢气的摩尔数相等，固态燃料层6中的碱性金属硼氢化物水解生成氢气的摩尔数与反应水的摩尔数相等。如此一来，在全固态燃料电池内部实现水解产物氢气和发电产物水的链式闭合循环。

具体的，本发明所述的闭环链式化学反应的全固态燃料电池包括外壳17及发电单元1，发电单元1包括阳极腔3、板式固体氧化物燃料电池2、阳极集电网7、阳极集电导线14、阴极集电网8、阴极集电导线15、散热管11及加热器16；阳极腔3为凹槽形腔体，阳极腔3的开口处通过板式固体氧化物燃料电池2密封，板式固体氧化物燃料电池2的阳极正对阳极腔3，阳极腔3内由内到外依次设置有固态燃料层6、第一隔热透气隔断9及阳极集电网7，其中，阳极集电网7与板式固体氧化物燃料电池2的阳极相接触，阳极集电导线14与阳极集电网7相连接，板式固体氧化物燃料电池2的阴极紧贴阴极集电网8，阴极集电导线15与阴极集电网8相连接；阳极腔3的侧壁与外壳17的内壁之间设置有环形的第二隔热透气隔断10，第二隔热透气隔断10及阳极腔3将外壳17的内部分隔为散热腔5及阴极腔4，板式固体氧化物燃料电池2位于阳极腔3与阴极腔4的交界处，散热腔5内设置有空气预热风道12，其中，外壳17的侧壁上开设有进风口1703，空气预热风道12的入口与进风口1703相连通，空气预热风道12的出口位于散热腔5内，散热管11的中部位于空气预热风道12内，散热管11的两端均穿过第二隔热透气隔断10插入于阴极腔4内，加热器16位于阴极腔4内。

板式固体氧化物燃料电池2包括电解质、阴极及阳极，其中，电解质位于阴极与阳极之间，电解质为离子导电材料。

阳极腔3由底板301及侧壁板302构成，固态燃料层6与底板301与侧壁板302之间设置有保温层303。

固态燃料层6的材质为碱性金属硼氢化物、碱性金属硼氢化物水解催化剂、盐结晶水合物及吸水材料的混合物；

碱性金属硼氢化物中的碱性金属为元素周期表中Group 1或Group 2所代表的金属元素，如锂、钠、钾、钙和镁等，对应的硼氢化物为LiBH

碱性金属硼氢化物水解催化剂为钴基催化剂、铑基催化剂、镍基催化剂及酸，如Co-B粉体、Ni-Co催化剂、Ru/Ni泡沫催化剂、CoCl

盐结晶水合物与碱性金属硼氢化物及碱性金属硼氢化物水解催化剂不发生化学反应；例如，LiBO

吸水材料为淀粉系高吸水性材料和/或纤维素系高吸水性材料；

淀粉系列高吸水性材料为由改性淀粉及其衍生物制备的吸水性材料，例如，淀粉酯接枝苯乙烯高吸水材料、支链淀粉酶制水凝胶、甲醛改性淀粉接枝丙稀腈共聚物、环氧氯丙烷改性淀粉接枝丙烯腈共聚物、缩水甘油醚交联淀粉接枝丙烯腈共聚物中的一种或其中几种的混合物。

散热管11呈弓形结构，散热管11由中间管段1101及两个竖直管段1102组成，其中，中间管段1101位于空气预热风道12内，中间管段1101与两个竖直管段1102相连通，竖直管段1102穿过第二隔热透气隔断10插入于阴极腔4内，竖直管段1102上位于散热腔5内的部分的外壁上设置有保温层303；空气预热风道12包括相连通的进风段1201及换热段1202，其中，进风段1201与外壳17上的进风口1703相连通，进风段1201的入口处设置有进气风扇13，中间管段1101位于换热段1202内，换热段1202的侧壁上设置有与竖直管段1102相配合的通孔，其中，竖直管段1102穿过所述通孔与中间管段1101相连通。

外壳17包括封装盒1701以及位于封装盒1701开口位置处的封装盖1702，进风口1703位于封装盒1701的侧壁上，封装盒1701的侧壁上设置有出风口1704，封装盒1701的侧壁上设置有阳极接线端1705及阴极接线端1706，其中，阳极接线端1705与阳极集电导线14相连接，阴极接线端1706与阴极集电导线15相连接。

固态燃料层6中固态燃料的形状为片状、块状、饼状、颗粒状和粉末状；第一隔热透气隔断9及第二隔热透气隔断10均为由低导热系数、耐高温的绝缘透气材料制成的多孔介质结构板材。

发电单元1的数目为两个，其中，第一个发电单元1位于外壳17的一侧，第二个发电单元1位于外壳17的另一侧，且两个发电单元1中的第二隔热透气隔断10及阳极腔3之间形成两个发电单元1共有的阴极腔4，加热器16位于两个发电单元1中的阴极集电网8之间；

阳极集电导线14的一端与阳极集电网7相连接，阳极集电导线14的另一端穿过第一隔热透气隔断9、固态燃料层6及阳极腔3的侧壁插入于散热腔5内，第一个发电单元1中阴极集电导线15的一端与第一个发电单元1中的阴极集电网8相连接，第一个发电单元1中阴极集电导线15的另一端穿过第二个发电单元1中的第二隔热透气隔断10与第二个发电单元1中的阳极集电导线14相连接，第二个发电单元1中的阴极集电导线15的一端与第二个发电单元1中的阴极集电网8相连接，第二个发电单元1中阴极集电导线15的另一端穿过第一个发电单元1中的第二隔热透气隔断10与外壳17上的阴极接线端1706相连接，第二个发电单元1中的阳极集电导线14与外壳17上的阳极接线端1705相连接。

本发明所述闭环链式化学反应的全固态燃料电池的工作方法包括以下步骤：

当全固态燃料电池为非工作状态时，全固态燃料电池对外无电能输出，此时全固态燃料电池内部工作温度与外部环境温度一致，其中，由于散热腔5通过空气预热风道12及进风口1703与外部空气连通，散热腔5内部充满空气，散热腔5内部的空气经第二隔热透气隔断10扩散进入阴极腔4中，阴极腔4内部充满空气；

当全固态燃料电池由非工作状态转换为启动过程状态时，加热器16的供电接口与外部供电电路连通，加热器16开始工作，进气风扇13的供电电路与外部供电电路连通，进气风扇13启动运行，加热器16对阴极腔4内的空气加热，阴极腔4内的空气温度逐渐上升，阴极腔4内的高温空气进入散热管11中并通过散热管11对空气预热风道12中的空气进行加热，随着空气预热风道12中的空气温度逐渐上升，在进气风扇13的作用下，空气预热风道12中预热后的空气进入散热腔5内，散热腔5内的空气通过阳极腔3的壁面对固态燃料层6进行加热，与此同时，阴极腔4内的高温空气通过阳极腔3对固态燃料层6进行加热，当固态燃料层6的温度达到设定温度时，固态燃料层6中的结晶水合物释放水分子，水分子与固态燃料层6中的碱性金属硼氢化物发生水解反应产生氢气，通过控制进气风扇13的进气流量来控制阳极腔3内固态燃料层6的工作温度，使碱性金属硼氢化物发生水解反应，即，MBH

当全固态燃料电池处于工作状态条件下，进气风扇13的供电线路与板式固体氧化物燃料电池2接通，板式固体氧化物燃料电池2阳极侧的氢气失去电子变为氢离子，失去的电子通过外部电路到达板式固体氧化物燃料电池2的阴极，板式固体氧化物燃料电池2阴极侧空气中的氧获得电子变成氧离子，氧离子通过板式固体氧化物燃料电池2的电解质层到达板式固体氧化物燃料电池2的阳极与氢离子结合生成水，在此过程中，板式固体氧化物燃料电池2对外输出电能，其中，板式固体氧化物燃料电池2阳极生成的水分子的摩尔数与参与氢氧电化学反应的氢气摩尔数相等，氢氧电化学反应的生成物水分子经第一隔热透气隔断9扩散至固态燃料层6中，通过控制进气风扇13的进气流量来控制阳极腔3内固态燃料层6的工作温度，使固态燃料层6中的碱性金属硼氢化物发生水解反应，即MBH

当全固态燃料电池处于停机过程状态时，切断对外输电电流，进气风扇13保持运行状态，在此状态下，板式固体氧化物燃料电池2的输出功率等于进气风扇13的功率，在板式固体氧化物燃料电池2的阳极水生成速率下降到最小，相应的，固态燃料层6的产氢反应下降到最小，全固态燃料电池内部生成热量最小，在进气风扇13持续运行的情况下，全固态燃料电池内部的温度逐渐下降，直至板式固体氧化物燃料电池2的工作电流趋近零，板式固体氧化物燃料电池2的阳极无水生成，相应的，固态燃料层6的产氢反应逐渐停止，进气风扇13停止运行，此时全固态燃料电池进入非工作状态。