[发明专利]可充电的钠-水气燃料电池单元

说明书

本发明可充电的钠‑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。

技术领域

本发明“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。

背景技术

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。