本發明屬于燃料電池技術領域，主要涉及一種等離子體渦流燃料電池及發電方法。

背景技術：

磁流體發電技術利用等離子體射流通過強磁場時正負電荷反向運動的物理機制，驅動正負電荷分別在正負電極聚集形成電源。與傳統發電機組技術比較，優勢在于大幅度減少機械運動的能耗，化學能利用率提高，系統可靠性提高等。缺點在于必須配套超強磁場和勵磁電源，系統復雜、耗電量高。

燃料電池技術利用燃料和氧化劑在電池裝置中進行氧化還原反應，所釋放的化學能直接輸出電能和熱能。與磁流體發電技術比較，優勢在于省去了勵磁電源和強磁場，化學能利用率提高，系統可靠性提高等。缺點在于燃料電池的電極和電解質材料可靠性極差，造價極高，功率密度較低，使用壽命短。

現有技術中缺少同時兼顧磁流體發電技術和燃料電池技術優點同時規避兩者缺點的發電技術。

技術實現要素：

為了解決上述技術問題，本發明提供一種同時兼顧磁流體發電技術和燃料電池技術優點同時規避兩者缺點的等離子體渦流燃料電池及發電方法。

本發明的技術方案是：

一種等離子體渦流燃料電池，包括旋流管，旋流管的內部設有旋流室，旋流管的一端連接有與旋流室連通的低溫排氣管，旋流管的另一端連接有與旋流室連通的陽極管，旋流管的側壁連接有與旋流室連通的射流管，陽極管的另一端連接有高溫排氣管，高溫排氣管的內腔中安裝有節流閥；低溫排氣管的另一端設有低溫排氣管連接法蘭，低溫排氣管連接法蘭通過螺栓固定連接有陰極棒固定架，陰極棒固定架的中心設有陰極棒安裝孔，以陰極棒安裝孔為圓心的陰極棒固定架上設有若干個固定架排氣孔，陰極棒安裝孔中固定穿裝有陰極棒；陰極棒通過導線連接蓄電池組的負極，陽極管的管壁通過導線連接蓄電池組的正極；陽極管的內徑為D，長度為L，5D≤L。

作為優選，所述的旋流管與陽極管對應的端面設有旋流管連接法蘭，陽極管與旋流管對應的端面設有陽極管連接法蘭，旋流管連接法蘭和陽極管連接法蘭通過螺栓固定連接。

作為優選，所述的低溫排氣管、旋流管和射流管為一體成型結構，低溫排氣管、旋流管和射流管的外壁套裝有第一外套管；陽極管和高溫排氣管為一體成型結構，陽極管和高溫排氣管的外壁套裝有第二外套管。

作為優選，所述的第二外套管的外壁設有若干個散熱翅片。

作為優選，所述的低溫排氣管、旋流管和射流管均為耐磨損高溫絕緣陶瓷材料鑄造，陽極管、高溫排氣管和節流閥均為耐磨損高溫導電陶瓷材料鑄造；第一外套管和第二外套管均為金屬材料制作。

作為優選，所述的低溫排氣管、旋流管和射流管均為氧化鋁陶瓷管，陽極管、高溫排氣管和節流閥均為二氧化鋯陶瓷管。

一種基于等離子體渦流燃料電池的發電方法，包括以下步驟：

步驟S1：在純氫純氧當量比可燃混合氣或者常規燃料與空氣當量比可燃混合氣體中摻雜一定比例的堿金屬鹽，在爆震燃燒器中產生高溫高壓等離子體燃氣混合氣射流體；

步驟S2：將步驟S1中的高溫高壓等離子體燃氣混合氣射流體從射流管切向進入渦流管中產生高速渦流；等離子體中的質量較重的陽離子在強大離心力作用下被壓縮在渦流徑向外層流中，等離子體中的質量微小的電子分布在渦流徑向內層流中；陽離子和電子的渦流運動產生內外嵌套的兩個等效螺線管磁場，其同性磁極互相對立而且初始強度相等，在陽離子等效螺線管磁場的斥力作用下，電子渦流在徑向方向逐漸被箍縮，在渦流管軸線區域形成細棒狀螺線管磁場并沿渦流管軸線方向被排斥，受低溫廢氣渦流推動向低溫排氣端運動到達陰極；電子經過外電路的導線和負載回到陽極管與陽離子復合成電中性原子，完成動能到電能的轉化循環；高溫廢氣從高溫排氣管排出，低溫廢氣從低溫排氣管排出；

步驟S3：調節節流閥改變高溫廢氣的排出量，配合爆震器功率控制器可以聯動調節充電電流、電壓和系統輸出功率。

作為優選，所述的堿金屬鹽為堿金屬銫鹽。反應過程產生的氫氧化銫，可以循環利用。

作為優選，步驟S1中所述一定比例的堿金屬鹽與可燃混合氣體的摩爾比為8-10%；所述堿金屬鹽為碳酸銫；封閉循環模式下，堿金屬鹽一次性添加后可以循環利用，定期維護時補充損耗。

本發明的有益效果是：

本發明中的等離子體渦流燃料電池主要利用離心力、電磁力分離正負電荷產生電能，大幅度提高電能轉換效率；無需龐大復雜的高電能消耗的超強磁場，也無需極其昂貴而脆弱的電極和電解質材料，利用成熟廉價的功能陶瓷材料即可制造高效率高可靠高功率密度長壽命的燃料電池；燃料選擇范圍比普通燃料電池更寬廣，制造成本和運維成本更低，廢氣排放污染更少，有利于新能源項目的普及和推廣。

等離子體渦流燃料電池技術可以模塊化應用，預計小型電池單元可用于個人終端電源；中型電池組可用于電動汽車、裝甲車、移動式電站或中小型船舶的動力電源；重型電池堆可用于全電驅動型艦艇、機車、分布式發電站等。

附圖說明

圖1是本發明中的等離子體渦流燃料電池的結構示意圖；

圖2是圖1中的陰極棒固定架的結構示意圖的主視圖；

圖3是本發明中的等離子體渦流燃料電池的工作狀態示意圖；

圖中：1為低溫排氣管，2為旋流管，3為射流管，4為陽極管，5為高溫排氣管，6為節流閥，7為陰極棒，8為陰極棒固定架，9為蓄電池組，10為第一外套管，11為第二外套管；101為低溫排氣管連接法蘭，201為旋流室，202為旋流管連接法蘭，401為陽極管連接法蘭，801為固定架螺孔，802為固定架排氣孔，803為陰極棒安裝孔，1101為散熱翅片。

具體實施方式

實施例一：參見圖1-2，一種等離子體渦流燃料電池，包括旋流管2，旋流管2的內部設有旋流室201，旋流管2的一端連接有與旋流室201連通的低溫排氣管1，旋流管2的另一端連接有與旋流室201連通的陽極管4，旋流管2的側壁連接有與旋流室201連通的射流管3，陽極管4的另一端連接有高溫排氣管5，高溫排氣管5的內腔中安裝有節流閥6。低溫排氣管1的另一端設有低溫排氣管連接法蘭101，低溫排氣管連接法蘭101通過螺栓固定連接有陰極棒固定架8，陰極棒固定架8的中心設有陰極棒安裝孔803，以陰極棒安裝孔803為圓心的陰極棒固定架8上設有若干個固定架排氣孔802，陰極棒安裝孔803中固定穿裝有陰極棒7。陰極棒7通過導線連接蓄電池組9的負極，陽極管4的管壁通過導線連接蓄電池組9的正極。陽極管4的內徑為D，長度為L，5D≤L。

旋流管2與陽極管4對應的端面設有旋流管連接法蘭202，陽極管4與旋流管2對應的端面設有陽極管連接法蘭401，旋流管連接法蘭202和陽極管連接法蘭401通過螺栓固定連接，便于拆卸和組裝。

低溫排氣管1、旋流管2和射流管3為一體成型結構，低溫排氣管1、旋流管2和射流管3的外壁套裝有第一外套管10。陽極管4和高溫排氣管5為一體成型結構，陽極管4和高溫排氣管5的外壁套裝有第二外套管11。

低溫排氣管1、旋流管2和射流管3均為氧化鋁陶瓷管，陽極管4、高溫排氣管5和節流閥6均為二氧化鋯陶瓷管。第一外套管10和第二外套管11均為金屬材料制作，第一外套管10和第二外套管11起到加固作用。第二外套管11的外壁設有若干個散熱翅片1101，便于散熱。

實施例二：參見圖3，一種基于等離子體渦流燃料電池的發電方法，包括以下步驟：

步驟S1：在純氫純氧當量比可燃混合氣或者常規燃料與空氣當量比可燃混合氣體中摻雜一定比例的堿金屬鹽，在爆震燃燒器中產生高溫高壓等離子體燃氣混合氣射流體；

步驟S2：將步驟S1中的高溫高壓等離子體燃氣混合氣射流體從射流管切向進入渦流管中產生高速渦流；等離子體中的質量較重的陽離子在強大離心力作用下被壓縮在渦流徑向外層流中，等離子體中的質量微小的電子分布在渦流徑向內層流中；陽離子和電子的渦流運動產生內外嵌套的兩個等效螺線管磁場，其同性磁極互相對立而且初始強度相等，在陽離子等效螺線管磁場的斥力作用下，電子渦流在徑向方向逐漸被箍縮，在渦流管軸線區域形成細棒狀螺線管磁場并沿渦流管軸線方向被排斥，受低溫廢氣渦流推動向低溫排氣端運動到達陰極；電子經過外電路的導線和負載回到陽極管與陽離子復合成電中性原子，完成動能到電能的轉化循環；高溫廢氣從高溫排氣管排出，低溫廢氣從低溫排氣管排出；

步驟S3：調節節流閥改變高溫廢氣的排出量，配合爆震器功率控制器可以聯動調節充電電流、電壓和系統輸出功率。

本發明的三種主要物理機制：

第一步，等離子體渦流燃料電池技術利用等離子體射流切向進入渦流管中產生高速渦流，迫使質量較重的陽離子在強大離心力作用下被壓縮在渦流徑向外層流中。質量微小的電子所受離心力幾乎可以忽略，只能分布在渦流徑向內層流中。這是正負電荷分離的第一種主要物理機制。

第二步，陽離子和電子的渦流運動產生內外嵌套的兩個等效螺線管磁場，其同性磁極互相對立而且初始強度相等，在陽離子等效螺線管磁場的斥力作用下，電子渦流在徑向方向逐漸被箍縮，在渦流管軸線區域形成細棒狀螺線管磁場并沿渦流管軸線方向被排斥，受低溫廢氣渦流推動向低溫排氣端運動到達陰極。這是正負電荷分離的第二種物理機制。

第三步，渦流管的能量分離效應使驅動等離子體的電中性燃燒廢氣產生高溫和低溫分流，渦流內層廢氣的熱能逐漸向渦流外層傳遞，最終把部分能量傳遞給陽離子渦流。因此陽離子渦流內能增大，可以使在電池正電極上還原的原子多次反復電離，有利于保持較高的陽離子濃度。低溫廢氣的制冷作用使得電子渦流內能進一步減小，降低電子與陽離子在渦流管內部短路復合的幾率。這是正負電荷分離的第三種物理機制。同時，熱能的定向傳遞也有利于降低廢氣排放的能量損耗，提高燃料電池效率。

方案設計數據舉例：

氫氧燃料電池的反應方程式為：2H₂+O₂=2H₂O

利用2摩爾純氫氣與1摩爾純氧氣產生爆震反應，反應產物為2摩爾高溫高壓水蒸氣射流，噴射流速約為1500米/秒,在內半徑為2.25厘米的渦流管中產生10615.7轉/秒的圓周運動，在最大半徑處能夠產生1×10⁸米/秒²離心加速度，銫離子所受到的離心力約為2.22×10^-17牛頓，而電子所受到的離心力約為9.1× 10^-23牛頓，離心力強度相差5個數量級，電子所受到的離心力可以忽略；

若以（8-10%）的摩爾比摻雜堿金屬銫鹽（如碳酸銫）可以產生適當濃度的高溫高速等離子體，其典型德拜球半徑約為7×10 ^-5米，銫離子與電子之間的庫倫力約為4.7×10^-20牛頓，與銫離子所受到的離心力相差3個數量級，德拜球將被離心力撕裂，正負電荷可以完全分離；

水分子量為18，所受到的離心力僅僅是銫離子所受離心力的約1/7,不會混入銫離子渦流，只能作為廢氣排出；

根據流體力學仿真5倍長徑比的渦流管即可實現正負電荷的充分分離，內徑4.5厘米的渦流管長度大約為22.5厘米，總長度大約25厘米；配套50赫茲脈沖爆震器，輸出功率大約為1千瓦，電能轉化效率為66%左右。

反應過程會產生氫氧化銫，封閉循環模式下，堿金屬銫鹽一次性添加后可以循環利用，定期維護時補充損耗。

以上實施例僅僅是對本發明的優選實施方式進行描述，在不脫離本發明設計精神的前提下，本領域普通技術人員對本發明的技術方案作出的各種變形和改進，均落入本發明權利要求確定的保護范圍內。