等离子燃料电池项目介绍(全)

1、等离子燃料电池介绍2019 年 1 月 14 日星期一项目：磁驱动电弧等离子体燃料电池肖远科电话：-mail:ynxyk目录等离子燃料电池项目概述4等离子燃料电池原理5一、现有燃料电池原理和技术5二、现有燃料电池技术的不足分析7磁驱动电弧等离子体燃料电池设想7一、思路及方法7二、基础研究8三、技术原理12工程化研究14一、面临的问题14提高发电效率14增强发电能力18加强输出平稳度19四、系统设计19反应器的设计19电弧电源的设计20磁源的设计20输出电路的设计21燃料自动供给系统的设计21样机演示预期结果22一、演示样机的预期发电能力22五、演示样机的预期发电效率2

2、2等离子燃料电池项目的可行性24一、等离子燃料电池发电的理论和实验依据？24二、等离子燃料电池的发电效率是否可观？25三、等离子燃料电池的发电能力如何？25四、等离子燃料电池的生产和使用成本是否可观？26等离子燃料电池市场前景及竞争优势27一、等离子燃料电池市场前景27二、等离子燃料电池的竞争优势27相比内燃机的优点27相比普通充电电池的优点28相比现有其他燃料电池的优点29等离子燃料电池核心技术30项目运作计划31一、样机研制计划31三、项目运作规划31等离子燃料电池项目概述节能和环保是当今世界最迫切的需求， 改变现有的能源使用结构和方式是唯一途径。 燃料电池是一种利用燃料的电化学反应输出电

3、能的新型发电系统，使用氢气、甲烷等清洁能源，具有节能、环保等特点。解决了内燃机能源利用效率低，充电电池续航能力差，充电时间长等缺点，将彻底取代内燃式发动机，广泛用作下一代电动汽车、电动自行车、 移动式发电机， 以及彻底取代火力发电站等，刮起一场能源革命，市场价值无法估计。但当前的燃料电池技术由于需要使用贵重金属催化剂和电解质膜，均存在成本太高，燃料单一（只能使用纯氢气做燃料）等阻碍其商用的技术问题。 我们认为：电化学的本质是电子的定向移动，而不是其结构：电极（催化剂） +电解质 +电极（催化剂） 。为了解决现有燃料电池的商用问题，我们提出了“ 采用物理方法辅助实现燃料的电化学反应 ”来替代现有

4、燃料电池的“ 纯电化学反应 ”，因而取消了贵重金属催化剂和电解（膜）的使用，使燃料电池的成本得到有效控制，将燃料种类拓宽到天然气、乙醇、汽油等，将使燃料电池的广泛应用有了新的实现可能。项目已完成了基础实验，实现了发电，证明了等离子燃料电池技术原理的可行性，并于 2007 年申请专利，专利申请号： CN200710050640.3 ，于 2009 年 6 月 10 日已获公开。 现正在制作一个样品演示系统。我们希望通过演示，向投资界展示该技术思路和方案得巨大潜在价值，然后在资金、各专业技术单位和人才的合作下，逐步把它工程化，实用化。同时前期投资者和合作单位，由于拥有合作股份，其股份价值也随着该技

5、术价值提升，而获得巨大升值。这是一个近视于天方夜谭的创想， 它超出了现有的经典电化学理论范畴，因此很难得到权威学术界的肯定和支持。等离子燃料电池原理一、现有燃料电池原理和技术目前燃料电池技术主要有五种：碱性燃料电池 (AFC) 、磷酸型燃料电池 (PAFC) 、熔融碳酸盐燃料电池 (MCFC) 、固体氧化物燃料电池 (SOFC)、质子交换膜燃料电池 (PEMFC) 等，其工作原理如图 1图 1在质子交换膜燃料电池中首先，燃料（ H2）在阳极催化剂的作用下被离解，释放出电子和质子（正离子） ；然后，由于阳极附近的正离子浓度高于阴极附近的正离子浓度，正离子发生浓差扩散运动，穿过质子交换膜向阴极移动

6、，而电子不能穿过质子交换膜，只能聚集在阳极表面；最后，到达阴极附近的正离子与来自阴极并经过催化剂作用的氧原子相遇， 有形成比燃料分子化学键结合能更高的新化学键的趋势- 这个趋势就是电化学电动势；在这个趋势的作用下，被吸附在阳极表面的电子通过外电路移动到达阴极，使正离子和氧原子获得电子，生成新的产物，完成电化学反应。电子通过外电路移动形成了电流，对外输出电能。在固体氧化物燃料电池中首先，燃料（H 2）在阳极被离解， 释放出电子和质子 （正离子）；然后，由于处于高温的固体氧化物电解质（YSZ ）中存在大量自由负氧离O-，在阳极与YSZ 的接触面上，由于正离子和O-有形成比燃料分子化学键结合能更高的

7、新化学键的趋势（电化学电动势），因此正离子与O-直接发生离子反应生成新的产物，消耗掉了正离子和 O-。在浓度差作用下，使阴极附近的 O-向阳极表面不断移动，在阴极差生产一个正电势。在这个电势的作用下，被吸附在阳极表面的电子通过外电路移动到达阴极， 并把阴极表面的氧分子还原成 O-，进入 YSZ 并向阳极不断移动，使整个反应得以继续和循环。同样电子通过外电路移动形成了电流，对外输出电能。以上过程可以由以下流程图2 说明：外电电子电子路失去电发 生 反得到电正离子解正离子应，生成负氧离子电子，子，被质产物氧化剂燃料被离还原成解成负氧离（O2）或者电子子和发 生 反电（O-）正离子正离子应，生成负氧

8、离子解负氧离子产物质图 2在这个过程中，电子在外电路中形成电流，对负载做功，对外输出电能。其实质为图 3：燃料离解正负离子分成成离子态不同路线运动图 3氧化剂反应生成被还原新产 物根据以上分析，燃料电池的工作过程可以分为3 个阶段：第一阶段 ，燃料分子被离解（或叫激活）成离子态（燃料正离子和电子），为化学反应创造条件；第二阶段 ，燃料正离子和电子被分开，通过不同的路径与氧原子相遇，为电化学反应创造条件。比如，正离子通过质子交换膜到达阴极，而电子不能通过质子交换膜传递，只能通过阳极和外电回路达到阴极；第三阶段 ，氧气分子和燃料正离子相遇，形成电势，并通过外电路获得来自阳极的电子，完成化学反应，生

9、成新的产物。阳极电子源源不断通过外电路回到阴极形成电流，以电能的形式释放出燃料的化学能。二、现有燃料电池技术的不足分析1、燃料离解阶段，使用贵重金属做催化剂，这是造成燃料电池成本高和燃料单一问题的重要原因，比如碱性燃料电池(AFC) 、磷酸型燃料电池 (PAFC) 、质子交换膜燃料电池(PEMFC) 等；2、正负离子分离阶段，采用的电解质为新型材料，价格昂贵，比如质子交换膜燃料电池 (PEMFC) ；或者采用液体电解质，出现腐蚀等问题，比如磷酸型燃料电池 (PAFC) ；并且电解质的电导太小，传输损耗大，比如固体氧化物燃料电池（SOFC）磁驱动电弧等离子体燃料电池设想一、思路及方法1、用电弧放

10、电等离子体的方法替代催化剂离解方法，使燃料电离；这样可以取消贵重金属催化剂， 而且由于不存在考虑催化剂 CO 中毒的问题，可以将燃料种类拓展到含碳燃料， 例如甲烷（ CH4），酒精（C2H5OH）；利用磁场力使正负离子（电子）分离，替代电解质的作用，使电子和离子经过不同的路径到达阴极；这样可以取消电解质（膜） ，有效降低成本；二、基础研究实验1为了研究磁场对电弧的作用，我利用21 寸彩色电视机的偏转线圈，通入直流电流，构成恒稳磁场，自制了一个电弧放电结构，利用改造后的等离子切割机做了磁驱动电弧的实验，如图2UpBVUdL 电视机偏转线圈a 偏转线圈朔料支架 b 固定用PVC管c 自制玻纤板固定

11、架d 电弧电极e 采集电极其中， d、e之间的距离为 15mmUp 等离子切割机UVf 偏转线圈喇叭型磁芯d 直流电源电压表图 4图中采集电极为两个 50mm*20mm 的薄铜片，偏转线圈的电流为 DC 0.8A ，在等离子切割机（锐龙） LGK-40 的电流调节电位器滑动端传入一个 150K 的电阻，将电弧电流调到约 3A 。结果发现电弧有被拉伸的现象，电极也没有在自由放电时烧灼的严重，这说明 磁场对电弧有作用。电压表的读数为5V ，并且为上正下负，这说明 靠近正放电电极的采集电极采集到的是正离子， 靠近负放电电极的采集电极采集到的是负离子。 但是用电流表短接两个采集电极， 没有读数，这说明

12、 采集电极采集到的离子数量不足。试验中还发现，用于固定的 PVC 管的截面在实验之前是平面，试验后变成了斜面， 像是被某种流体冲刷而成； 采集电极表面出现像是被某中流体冲刷过后的光亮，而且从右至左由亮变淡，如图3UpBVUd图 5由以上现象可推测，磁场驱动下的电弧，其中的离子运动轨迹如图4UpBVUd图 6分析认为，由于上面实验中磁场不够强，采集电极距离电弧太远，采集电极上已有电荷形成的自电场影响了后续电荷的运动轨迹， 阻碍了其对后续电荷的采集。为此，改进实验装置进一步实验，如图5B酒精BB图 7AV图中，等离子切割机采用锐龙 LGK-40 ，经过改造，电弧电流约 3A 。陶瓷垫层起绝缘和支撑

13、采集电极的作用。 酒精经过医用输液器和一根直径约 5 毫米的铜管提供，放电电极由两根截面积为 2.5mm2 的铜芯线经过造型构成，形成约 3mm 的放电间隙，形成电弧放电。 磁场由两个 25W的音箱喇叭上的永久磁铁南北极相对相距约 10cm 构成，具体磁感应强度未测。采集电极由直径 15mm 的软铁管开小口形成， 这个结构可以减少采集电极上的电荷形成的自电场对后续电荷运动轨迹的影响，提高其对电荷的采集效果。采集电极距离放电电极约 2mm，两个采集电极之间相距约 3mm。实验 2，在没有通入酒精， 没有磁场，保持以上其他参数的的情况下，电压表、电流表读数均为零。电弧呈白光，表现很温和，但放电电极

14、迅速被烧红，并出现融化现象。实验 3，在没有通入酒精， 但加入有磁场， 保持以上其他参数的情况下，获得了输出开路电压 5V ，输出短路电流 30A 的结果。 试验中发现，电弧变宽，剧烈移动，呈蓝色，放电电极没有被烧红，也没有出现融化现象。当输出短路时，采集电极上出现明显耀眼的发光区域，在两个采集电极之间的间隙的右侧外部，能看到蓝色“火苗” 。这说明，磁场对电弧有明显的拉伸作用，把电弧中的带电粒子“卷出”放电区域，并把正负离子分开，分别“装入”上下采集电极，形成电压。同时发现，电弧电流为 3A 时，输出电流竟能达到 30A 。这说明，输出电流并不来自输出电路对电弧电流的分流作用， 而是电弧对气体

15、有明显的电离效果， 被电离气体中新产生了大量活跃的离子， 这些离子在电磁场的共同作用下， 形成有规律的分布和定向移动， 从而形成新的回路电流。实验 4，在实验 3 的参数条件下通入酒精， 刚开始出现酒精燃烧的情况，降低酒精的流入量，降低到一定程度后，没有出现酒精燃烧情况。并且获得了输出开路电压 5.6V，输出短路电流 30A 的结果。其他实验现象与实验 2 基本相同。与实验 2 相比较，实验环境都一样，差别就是实验3 有酒精输入，结果实验 3 的输出电压比实验 2 高出了 0.6V，这是输入酒精的功劳。 这说明酒精参与了电化学反应，释放出化学电动势。实验 5，在实验 3 的条件下， 将两块磁铁

16、的距离调近，结果发现随着两块磁铁的距离越来越近，输出电压越来越高，一度达到 150V；但随着两块磁铁的距离进一步靠近， 输出电压反而减弱， 甚至到最后没有输出。这个结果说明，磁场越强，对带电粒子的分离效果越强，输出能力越高。根据磁场对带点粒子的作用的相关知识，磁场越强，带电粒子绕磁力线作圆周运动的半径越小。 结合本实验， 说明磁场对电弧中的带电粒子的影响很明显，磁场太强，带电粒子的圆周运动半径太小，结果紧贴着放电电极运动，超越不了采集电极和放电电极之间的那个缘距离，因此不能被采集到，如图62mm的绝B酒精BBAV图 8以上实验证明，磁驱动电弧等离子燃料电池的的思路可行，可以实现燃料电池的电化学

17、发电。三、技术原理电弧放电获得大量高速流动的正负离子， 流动的正负离子将明显受到垂直方向磁场的作用。 根据洛伦兹力原理， 正负离子将围绕磁力线作方向相反的圆周运动， 其结果是电弧在垂直磁场中被拉伸， 正负离子被分开。在被分开的正负离子的运动方向上分别放置采集板， 就可以实现正负粒子的分离收集，这样就实现了燃料分子的离解和正负离子的分离，为实现燃料电池的电化学反应创造了条件【1】。如图 4iB燃料 (H2, CH4, CH5OH)f BRLii放电电流B磁场f B 磁场力正离子电子输出电流负载1燃料进气通道2放电电极正极3放电电极负极4 绝缘层5输出电极正极6输出电极负极7放电间隙图 9以上实验

18、表明，气体已经被电离成了包含大量正负离子的等离子体，磁场已经把正负离子分开，形成一定的电势差，并且这样的电势差与磁场强度有关。 磁场越强，被分离的正负离子就越多， 输出电压越高，反之也然。以上实验结果实际上等同于磁流体发电， 不同的是这里发电输出的能量不是来自燃料的化学能， 而是放电电弧的能量， 因此不是真正意义上的发电。为了实现燃料的电化学反应， 实现真正意义上的发电， 需要把燃料气体 (或经汽化处理的液态燃料 )和空气（氧气）的混合气体作为在以上装置内的电离气体， 使燃料以电化学的方式完成反应， 以输出电能的形式释放化学能 【2】。工程化研究一、面临的问题根据前期实验研究证明， 磁场驱动下

19、的电弧作用于燃料和空气的混合气体，可以实现电化学反应和电化学发电。 但要把这样的发电拓展到有实际意义的水平，需要解决诸如提高发电效率、增强发电能力，以及加强输出平稳度等问题。提高发电效率提高等离子燃料电池发电效率需要考虑两个方面的内容：减少燃料的浪费，提高燃料的电离度减少电弧能量的浪费， 提高电弧中带电粒子的分离和采集效率一、 减少燃料的浪费，提高燃料利用率根据前面的实验发现， 单根电弧的作用面积有限， 很难保证被电离气体全部通过电弧区域，会出现大量气体直接泄露。为此，设计出环形电极，形成环形放电间隙， 电弧在磁场的作用下将沿着这个环形放电间隙高速移动，宏观上形成一个电弧面，把整个气体通道完全

20、封锁，不会出现燃料直接泄露的情况。如下图 7HFBVHBBH 电弧，被磁场拉伸后围绕中心电极高速旋转 FB ( 洛伦兹力 ) 磁场力VH 电弧电源 B 磁场图 10另外，在一定的燃料流量下，加大空气的流量，也即降低燃料在空气中的浓度，可有效提高燃料的电离度，减少燃料浪费。可以理解的是， 需要增加一个燃料自动供给系统， 根据输出负载的大小，以及尾气中燃料的含量，自动控制燃料的供给量。二、提高离子的采集能力。由前面的实验可知， 提高磁场强度， 可以提高磁场对带电粒子的分离能力。但磁场越强，采集电极对粒子的采集能力反而越弱。为了解决这个问题，考虑将采集电极和放电电极合二为一，但这样输出负载会影响电弧

21、的放电，如图8VHBHFBRLVH 电弧电源B 磁场VH 负载图 11为此，需要多个独立的电弧电源组合， 通过它们的放电电极的合理排列即可解决这个问题，如图 9(略)图 12上述电堆可以实现N=2K* （2n-1）的关系，其中N 为等离子燃料电池电堆的输出电池单体数量，n 为电源数量， 2n 为电极数量， K 为插入的中间电极的数量。这样可以使用少数几个电弧电源实现电堆，降低对电源数量要求。经过测算，至少需要 4 个电弧电源的组合，才能构成可靠的结构，形成至少由 7 个电池单体组成的电堆。按照“ 带电粒子在正交匀强电磁场中运动的轨迹和摆线”的计算，电粒子（以下只讨论带正电）由坐标原点，沿方向，

22、以不同速度射入电磁场它们在 正交匀强电磁场中运动的轨迹如下图10带图13带电粒子入射初速度分量 的大小以选择速度对称（如05 跟15动轨迹都在平面， 依次如图 1中“ 1”、“0”、“ 05”、“ 1”、“ 15”、“2”、“3”曲线所示。它们的入射初速度只有方向分量 它们的幅（ ）和初相 的值如下表中所示。初速度 10051152310500512幅 2初相 0000表中选择速度 =E/B如果粒子带负电， 带负电粒子的运动轨迹跟带正电粒子运动轨迹关于轴对称。可以认为被磁场驱动的电弧中的正负电荷的运动轨迹符合上述计算中 =0 的情况， 在环形电极情况下，如果磁场是均匀永恒磁场，那么电极的凸面对

23、采集粒子有困难，如图11VH图 14为此，需要使磁场的分布为：中心强，并沿径向逐步减弱。增强发电能力提高等离子燃料电池发电能力同样需要考虑两个方面的内容：1、提高系统的电压输出能力我们知道， 燃料的电化学输出电动势由燃料的化学性质决定，不受其他因素的影响。为此，要提高系统的输出电压，只有通过增加系统的电堆级数，即电堆中串联的电池单元的个数得以实现。由原理很容易理解， 磁场驱动下的每一个电弧段即可形成一个电池单元，因此可以通过在电弧中插入多个中间电极， 将电弧分成多个小段，这样可以实现增加电堆中电池单元数量的目的。2、提高系统的电流输出能力输出电流的大小取决于采集到的离子的数量，负载一定的情况下

24、，采集的离子数量越大，输出电流就越大。这可以通过以下手段实现。1、适当增大电弧电流，以提高电弧对燃料气体的电离能力。但电弧电流的增加，对电弧电源的放电能力提出了更高要求。2、增大磁场强度， 可以有效提高磁场中带电粒子的分离采集能力，也可以有效提高电流的输出能力。但提高磁场强度，需要较高的磁源。3、采用前面的提高效率的措施，比如环形电极，旋转电弧，可以增大反应面积，减小电极阻抗损耗，也就提高了系统的电流输出能力。加强输出平稳度经过试验发现， 发电装置的稳定性主要受电弧的稳定度影响。 通过环形电极构成的旋转电弧，可以形成很稳定的电弧放电。当然，电弧电源是很重要的部件， 只有质量可靠， 输出能力足够

25、的电弧电源才能在上述要求下形成稳定的电弧。另外，为了获得实用的输出电压，需要通过变压器变换，还要有稳压控制电路。 这要求必须将电弧电源设计成交流脉冲电弧， 形成交流脉冲电弧电流， 这样输出就是交流电， 便于直接通过变压器变换成实用的电压。为了保证电弧能始终向同一个方向旋转，形成电弧面，需要将磁场设计成与电弧同步（同频同相），因此磁场也必须是交流脉冲的。四、系统设计根据前面的分析考虑， 等离子燃料电池需要由反应器、电弧电源、磁源、燃料自动供给系统、输出电路等子系统构成，如图13燃料源电弧电源启动电源磁源燃料电弧送风燃料供给反应器输出电路负载自动控制器尾气燃料含量检测输出功率检测图 15反应器的设

26、计反应器主要形成旋转电弧，电化学反应面，以及密封的气体通道，如图14(略)图 16根据已有实验数据，反应器的目标输出电流是40A 。电弧电源的设计系统的工作， 需要电弧电源首先产生电弧，因此需要由启动电源为系统提供启动能量。考虑到体积的限制，有意采用12V的电瓶作启动电源。结合前面的分析， 要求每个电弧电源能在磁场中产生至少3 段电弧，每段电弧电压在 100V 以上。因此要求电弧电源的输出电压能力为600V ；电弧电流在 0.7A 左右有利于电弧的稳定；同时输出电弧电流的脉冲频率为 30KHZ 以上有利于输出变压器变压输出。设计电弧电源参数如下：1、12V 电瓶供电；2、输出电弧电流为直流方波

27、，频率大于30KHZ ；3、至少 4 个电气上独立的电弧电源为一个基本单元，他们的电弧同步；4、每个输出电源输出开路电压600V （脉冲幅值），输出电流 0.2A1A可调，并且 4 路同调；5、负载特性：常压下空气电弧；6、起弧方式：非接触起弧；磁源的设计根据分析， 为了确保反应器输出为交流， 便于用变压器直接变换输出实用的电压，要求电弧是交流的。 同时，为了能保电弧只向一个方向旋转，在环形电极上形成电弧面， 对燃料有效电离， 需要磁场必须与电弧电流是同步的，必须是交流的。如图 14电 I H弧电流线 I C圈电流图 17因此，这样的交变磁场只能由通电线圈产生。根据相关研究文章，要求通电线圈产

28、生的磁场的磁感应强度不小于0.3T。输出电路的设计输出分为两个部分，一部分用于反馈到电瓶，为电瓶充电，实际意义也是对电弧能量的部分回收；另一部分用于对外输出，考虑到需要实用稳定的输出电压，需要增加变压器变压和稳压电路。如图15(略)图 18燃料自动供给系统的设计燃料自动供给系统包含尾气燃料含量检测、 输出负载检测、 燃料供给量控制和空气送风系统。 它首先判断燃料的种类和其能量密度， 再根据输出功率需求和尾气中的气体成分， 控制燃料供给量和空气的送风量， 以达到最佳的燃料利用效率。样机演示预期结果一、演示样机的预期发电能力根据已有实验数据，实验的输出电流能达到 30A ，这是在试验结构和试验参数

29、都很差的情况下获得得。因此考虑在优化了结构和参数后，保守的输出电流能到达40A 。根据样机设计，它将是由至少7 个电池单元构成的串联电堆，其直接输出电压将接近 7V ，考虑到内阻损耗，保守的发电能力将达 250W。这个功率值，已可以为小型电动自行车提供动力。五、演示样机的预期发电效率磁驱动电弧等离子燃料电池的能量流向和分配如图17电弧电源PINPH燃料P反应器PD+PH输出电路PO负载图 19其中 P 是供给的燃料所含的化学能功率， PD 是燃料的电化学发电输出功率， PIN 是电弧电源及磁源的输入功率， PH 是从电弧中回收的功率。定义：系统的能量利用效率为，则由图可知POPDPH PINP

30、DPINPHPPPP.令电化学反应效率为 D，有PDDP.令电弧能量的回收效率为 H，有HPH.PIN结合、式有D(1H) PIN.P令 PIN* PO ，用于表示系统净输出功率与电弧电源输入功率之间的关系，则D(1 H)PIND(1H )P整理得D1 (1H ) .由式可得，系统的发电效率主要由燃料的电化学发电效率（D）决定，损耗主要发生在电弧的能量损耗。电弧能量回收效率越高（ H 越大），净输出功率相比电弧电源的功率越大 （ 越小），系统的发电效率就越大，越接近理想的电化学发电效率。根据实验，电弧电压为约100V ，电流为3A ，即约 300W，得到的输出是电压 5V，电流 30A ，约

31、150W。这说明在试验条件下，输出对电弧的功率回收效率为50%，即 H=50%。参考同属高温工作的固体氧化物燃料电池的目前技术，其电化学效率为 =60%。演示样机电弧电流D为，0.6A ，每个电弧电源形成3 段电弧，则 3 段电弧的总电压降约 300V，每个电弧电源的工作功率约为180W，系统共4 个电弧电源，总功率约。结合上述输出的输出目标，得2 .8700W250W结合上述分析，有：0 .625 %1(10.5) * 2.8这说明，本次演示样机，即使按照最糟糕的实验条件计算，发电效率也能达到 25%。这个值已经接近内燃机的效率。等离子燃料电池项目的可行性一、等离子燃料电池发电的理论和实验依

32、据？燃料电池的发电是燃料的电化学反应的结果， 是以燃料发生化学反应生成新产物为能量释放的基础， 以电子的定向移动为特征的电化学反应的方式实现的。化学反应中新旧化学键的变化，实质是电子或电子对的转移过程。电化学反应与普通化学反应的区别是， 普通化学反应中燃料分子与氧分子键通过直接交换电子形成新化学键， 以热的形式释放能量。 而电化学反应中，电子只能通过外电路定向移动才能参与生成新的产物， 通过电子在外电路中定向移动形成电流释放能量。磁驱动弧等离子燃料电池中，电弧将燃料分子电离成正离子和电子，为下一步化学反应创造条件。而在磁场的作用下，燃料正离子和电子被分开，使之不能发生直接燃烧，而只能以电化学方

33、式发生反应。反应过程包括负离子与阴极交换电子， 电子通过外电路回到阳极， 阳极与正离子发生电子交换。 在前述以空气为电力气体的物理发电过程， 输出5v，30A 实验结果，也证实了上述 3 个过程的存在。说明等离子燃料电池设想合符电化学理论。等离子燃料电池的技术思路主要包含两大基础理论，包括： 磁驱动电弧的微观粒子运动无电解质下的等离子电化学。目前，在现有的理论体系和基础研究中都找不到完全现成的理论和研究成果来解释等离子燃料电池的工作原理。有关磁驱动电弧的研究在宏观方面还是能找到现成的研究成果的，比如“磁驱动旋转电弧运动图像及弧电压脉动的实验研究”（杜百合黎林村等核技术第 28 卷 第 10 期

34、2005 年 10 月） “纵向磁场控制旋转电弧开关的研制” （王清玲程学报 第 26卷第 3期 2006年 2月）郭良福等中国电机工有关无电解质下等离子的电化学反应，理论参考，定性分析。只能参考现有经典电化学二、等离子燃料电池的发电效率是否可观？可以理解的是， 等离子燃料电池的发电效率主要由电池的发电损耗决定，包括 3 个部分：电弧的电离损耗正负离子的分离和采集损耗高温环境下采集电极的电阻损耗电弧在离解燃料分子的过程中，电弧的能量并不完全用作把燃料分子电离子成正负离子，有以部分以热的形式散失掉。根据有关研究报告【3】和实验 ，通过加大磁场强度， 可以有效提高电弧等离子体的非平衡度，降低等离子

35、体温度， 从而降低电弧的能量损耗， 提高等离子燃料电池的发电效率。如前所述，被电离后的正负离子并不能完全被输出采集电极采集到，通过设计特殊的电极结构和提高磁场强度， 可以提高离子的采集能力，从而提高发电效率。由以上可知， 提高磁场强度和设计半封闭型空腔电极结构，效提高等离子燃料电池的发电效率。可以有三、等离子燃料电池的发电能力如何？我们你知道， 电化学反应的输出电压由燃料种类决定， 不受发电装置的影响，装置的发电能力主要靠提高输出电流和提高电堆数量得以提高。以上 30A 的电流输出能力已经十分可观，而且还有大幅提高的空间。根据有关资料，目前其他燃料电池技术的单体输出能力都在毫安级【】4，因此等

36、离子燃料电池的单体输出能力高于目前其他燃料电池技术3个数量级。四、等离子燃料电池的生产和使用成本是否可观？关于等离子燃料电池的生产成本， 一方面，等离子燃料电池相比于现有其他燃料电池技术，取消了贵重金属催化剂、电解质（膜板等制约成本节约的因素的； 另一方面， 等离子料电池所使用的零部件都是工业基础技术很成熟，工业化基础很发达，市场化程度很高的行业生产的，比如等离子源、磁源和电极生产等。磁驱动电弧等离子燃料电池的构成部件包含电弧电源反应器磁源燃料供给系统输出电路机箱、机座，以及其他辅助部件通过咨询有关电弧电源厂家， 得知生产制作符合我们要求的电弧电源，在技术和工艺上使完全有能力实现的， 少数样品

37、的设计制作周期为 7 天，合计价格为 30000.00 元人民币。根据经验，电子产品一旦量产，成本将很低，估计将来采购成本为 1000.元左右。反应器主要就是耐高温电极材料，这目前已是比较成熟的技术工艺，其采购价格可以控制在 500.00 元以内。磁源可以考虑两种，一种就是永久磁铁，另一种就是通电线圈。要获得我们需要的磁场机构和强度， 根据了解，永久磁铁技术已经很成熟。至于通电线圈， 要达到我们需要的磁场机构和强度， 这个目前还不太了解技术上使什么水平。如果使用永久磁铁，成本可以控制在500.00 元以内；燃料智能控制系统由单片机智能控制板加上少许传感器，以及燃料流量控制机构组成， 淘宝网上已

38、有的产品零售价格为 60.00800.00元/台，包含软件在内。因此批量采购的成本可以控制在 50.00 元以内 .输出电路主要由高频脉冲变压器构成， 高频变压器的市场零售价为 15.00 元/台。另外系统还需要一个启动电源， 是一个 12V 的铅酸电瓶，市场零售价约为 150 元， 批量采购的成本可以控制到 60.00 以内；因此，在演示样机的技术层面，其批量成本可以达到 2500.00 千瓦，随着技术的改进，等离子燃料电池的发电能力的提高，其批量成本可以控制到 1000.00 元 /千瓦一下。元/由于等离子燃料电池可以使用甲烷等常规燃料，于内燃机，因此使用成本将低于现有内燃机。且能量利用效

39、率高等离子燃料电池市场前景及竞争优势一、等离子燃料电池市场前景等离子燃料电池属于高温燃料电池， 具有输出功率大的特点， 将广泛应用作汽车发动机、 移动式发电机系统、 家庭发电机系统以及大型发电站。单用于汽车发动机，其市场都是非常巨大的。比如我国汽车年产销量已达到600万台，全世界汽车年产销量达到8000万台，按每台发动机功率为 40千瓦计，则我国年发动机需求量达 2.4 亿千瓦，世界年发动机需求量达 32亿千瓦。若每千瓦收取专利使用费平均10元美元，则在我国这是个数十亿美元， 在全世界数百亿美元的市场。这还不算等离子燃料电池在其他应用领域的市场。 比如，以电动自行车为代表的低性能车辆， 由于其

40、成本低廉， 仅我国在 2006年已达到年产销2000万辆。二、等离子燃料电池的竞争优势相比内燃机的优点1、能源利用率高，能耗低内燃式发动机是利用燃料在密封空间燃烧爆炸，推动活塞，把燃料的化学能转化为机械能的装置。据有关报道， 汽车发动机把燃料能量转化为机械转动传到轮胎，整个过程的能量利用率只有 1820%。而等离子燃料电池与现在相对成熟的固体氧化物燃料电池同属于高温燃料电池，在能量利用率方面相当。根据有关机构的数据，固体氧化物燃料电池的能量利用率可达 50%，甚至更高。 也就是说， 假设某汽车的百公里耗油量为 10 公升，则同样性能的离子燃料电池发动机则只需要不到4 公升。另外，电驱动效率也比

41、机械驱动要高。例如美海军陆战队在 “悍马 ” 基础上研制出串联式 “影子 ”新型混合动力越野车，采用了电动轮技术。与传统 “悍马 ”车对比试验， 在同样侦察试验条件下， “悍马 ”耗油 472kg，而“影子 ”仅耗油 200kg；同一越野路段， “悍马 ”耗时 32 分钟跑完，而“影子”仅耗时 13 分 50 秒，此外它还具有在纯电动模式下， 汽车静音、无“热痕迹 ”等优点。如此优异的性能，据闻美军已决定停产传统“悍马 ”车，全部改产新型混合动力电动轮驱动的 “影子 ”型军车。这一重要发展趋势，应引起高度关注。2、环保内燃机主要使用汽油为燃料，由于汽油属于矿物燃料，内燃机的大量使用将释放大量二

42、氧化碳、硫化物、磷化物等。等离子燃料电池可以广泛使用甲烷（也就是沼气） 、乙醇、氢气等可再生的清洁能源，做到极低排放或零排放。因此，等离子燃料电池项目将获得政府、社会及全世界的支持。相比普通充电电池的优点纯电动汽车是指完全由动力蓄电池提供电力驱动的电动汽车，虽然它已有134年的悠久历史，但一直仅限于某些特定范围内应用，市场较小。主要原因是由于各种类别的蓄电池，普遍存在价格高、寿命短、外形尺寸和重量大、充电时间长等严重缺点。目前采用的铅酸电池、镍氢电池和锂离子电池， 它们已达到的实际性能指标和市场平均价格。 根据实际装车时的循环寿命和市场价格， 可估算出电动汽车从各种动力电池上每取出 1kWh

43、电能所必须付出的费用。计算时，假设电池最高可充电荷电状态（ SOC）为 0.9，放电 SOC为0.2，即实际可用的电池容量仅占总容量的 70%;由电网供电价为0.5元/kWh ，电池的平均充放电效率为0.75。虽然从电网取电仅需0.5元 /kWh ，但充入电池，再从电池取出，铅酸电池每提供 1kWh 电能，价格为 3.05元左右，其中 2.38元为电池折旧费， 0.67元为电网供电费，而从镍氢电池中每提供1kWh 电能，费用为 9.6元，锂离子电池为 10.2元，即后二种先进电池供电成本是铅酸电池的三倍多。尤其是充电时间长， 铅酸电池的充电时间一般为数个小时， 严重影响了其在电动汽车上的使用。

44、而等离子燃料电池采用加注燃料的方式补充能量， 就像汽车没油了可以方便的在几分钟内加满油， 使之续航能力变得很长， 绝不会出现现在电动车在半路没电了需要推车或等数个小时充电的尴尬。相比现有其他燃料电池的优点早在 1839年，英国人格罗孚就提出了氢和氧反应发电的原理。 20 世纪 60年代，研发出了液氢和液氧发电的燃料电池， 由美国 UTC公司首先用于航天和军事用途。 近20年来，由于石油危机和大气污染日趋严重，以质子交换膜式为代表的燃料电池技术， 受到世界各国普遍重视。 各大跨国汽车公司纷纷投入巨资，研发出了各种类型的燃料电池电动汽车 (FCEV) 。质子交换膜燃料电池（PEMFC ）主要优点（ 1）其排放生成物是水及水蒸汽，为零污染；（ 2）能量转换效率可高达 6070;（ 3）无机械振动、低噪声、低热辐射 ;（ 4）宇宙质量中有 75是氢，地球上氢也几乎是无处不在。氢还是化学元素中质量最轻、导热性和燃烧性最好的元素;（ 5）氢的热值很高， 1kg氢和 3.8L汽油的热值相当。燃料电池电动汽车存在的技术、经济问题在我国，国家科技部将研发燃料电池客车和燃料电池轿车列为 “十五 ”和“十一五 ”计划 “ 863重”大科技项目。并已取得一系列重大科技成果，但是在多年科研实践中，也暴露出一些技术、经济问题:（1）燃料电池发动机的耐久性寿命短一般仅 10001200小时（国外达 2200