[发明专利]无离子交换膜的交流燃料电池

说明书

本发明涉及燃料电池领域，公开了一种无离子交换膜的交流燃料电池，包括反应腔以及设置于反应腔内的水基电解液、双功能催化电极和中转电极，所述双功能催化电极通过外接管路为其交替供应燃料和氧化剂。本发明不需要使用成本高昂的隔离膜，大幅降低了系统成本；以水作为离子输运载体，电导率最高，同时可以实现多种离子的电传导，避免燃料的选择性；反应可以在常温进行，电堆的安全性高；由于其交流工作特性，可以避免催化材料长期在还原或者氧化氛围工作而失效的问题，还可以避免采用碳氢燃料时的电极积碳问题，同时交流形式输出的电能，可以非常方便的实现变压等电力操作。

技术领域

本发明涉及燃料电池技术领域，尤其是涉及一种无离子交换膜的交流燃料电池。

背景技术

常规燃料电池通常是由阴极、阳极和离子传导隔离膜组成的，这种精妙的结构在保证器件可以实现燃料电池反应的同时也带来一些局限性。隔离膜需要是能够阻止空气和氢气接触的致密薄膜，同时还能够传导离子。常见的隔离膜如质子交换膜，其离子电导率跟水溶液的离子电导率相比低很多，大大限制了反应的速度，同时它也是整个器件的关键部件，成本占比高，寿命又有限，可以说是现有燃料电池的短板。

此外，阴极或者阳极在工作过程中长期暴露在同一种氛围内很容易被氧化或者还原而失效；另外，一些燃料电池(碱性燃料电池)只能使用纯氧气才能工作，使用空气时会出现二氧化碳中毒等问题；而且固体氧化物燃料电池往往要在500℃以上的温度才能正常工作，对于实际应用带来极大的挑战。

综上，目前已知的几种燃料电池由于一些通性的缺陷或者个性的缺陷，很难大规模应用，本发明给出一种全新的燃料电池形式，以克服上述的通性的和个性的缺陷。

发明内容

为了解决或者部分解决上述的现有技术的不足，提供一种无离子交换膜的交流燃料电池，以水基电解液作为离子输运载体，采用双功能催化电极催化燃料和氧化剂产生离子，中转电极对离子进行暂存后发生反应，实现完整的燃料电池反应为外部提供电能。

为解决上述技术问题，本发明提出一种无离子交换膜的交流燃料电池，包括反应腔以及设置于反应腔内的水基电解液、双功能催化电极和中转电极，所述双功能催化电极通过外接管路为其交替供应燃料和氧化剂。

进一步地，包括两个上述的交流燃料电池，其中，两个交流燃料电池的中转电极之间以及双功能催化电极之间分别通过外电路电连接，且向所述两个双功能催化电极同时供应的气氛不同。

进一步地，所述双功能催化电极为搭载商业铂炭催化剂的多孔电极。

进一步地，所述双功能催化电极为搭载含有Ni元素催化剂的多孔电极。

进一步地，所述中转电极为包含碳材料的多孔碳基电极。

进一步地，所述中转电极为搭载具有赝电容行为材料的多孔电极。

进一步地，所述中转电极为搭载Ni(OH)₂或者NiOOH的电极。

进一步地，向所述双功能催化电极供应的燃料为氢气、甲烷、乙烷、甲炔、乙炔、甲醇和乙醇中的任意一种。

进一步地，向所述双功能催化电极供应燃料时间为t₁秒、供应氧化剂的时间为t₂秒，燃料电池的总工作时间为t秒，满足：

进一步地，t₁＜t₂。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1、没有成本高昂的离子输运隔膜，同时避免了常规离子输运隔膜的低电导率和寿命问题；

2、水系溶液可以实现多种离子电导，可以使用多种燃料进行反应，避免燃料选择性，同时可以最大化离子电导率；