CN107293764A - 一种基于棉线的被动式微流体燃料电池 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于棉线的被动式微流体燃料电池，包括阳极碳纸和阴极碳纸；其特征在于：阳极碳纸和阴极碳纸上分别设置有棉线一和棉线二，棉线一与棉线二由棉线三进行隔离；棉线一的一端插入入口培养皿一内、入口培养皿一内存储有阳极电解液；棉线二的一端插入入口培养皿二内、入口培养皿二内存储有阴极电解液；棉线三的一端插入入口培养皿三内，入口培养皿三内存储有隔离液；棉线一、棉线二和棉线三的另一端均插入出口培养皿内；阳极碳纸和阴极碳纸与棉线相接触面分别涂覆有阳极催化剂层和阴极催化层；本发明利用棉线的毛细力作用辅以重力实现阴极液和阳极液的连续流动，本发明可广泛应用在能源、化工、环保等领域。

Description

一种基于棉线的被动式微流体燃料电池
技术领域
本发明涉及燃料电池领域，具体涉及一种基于棉线的被动式微流体燃料电池。
背景技术
微流体燃料电池(Microfluidic fuel cells)是利用流体在微尺度下的层流流动而将燃料和氧化剂自然分开，从而去除了传统微型燃料电池中用于分隔阴阳极的质子交换膜，不仅简化了电池的结构，还降低了电池成本。然而目前绝大多数关于微流体燃料电池的研究均需要外部驱动设备(一般为微量注射泵)来驱动液体流动，以维持燃料和氧化剂的层流状态，而外部驱动设备的使用不仅大大增加了整个燃料电池系统的体积和成本，而且降低了微流体燃料电池的净输出功率，严重限制了其进一步的微型化及实际应用。因此，去除外部驱动设备的完全被动式微流体燃料电池将使得系统结构更为简化、净输出增加，真正实现了整个系统的集成化和微型化，为微流体燃料电池作为便携式设备电源的应用又向前迈进了一步。
发明内容
针对现有结构存在的缺陷及改进需求，本发明所要解决的技术问题在于提供一种基于棉线的被动式微流体燃料电池。
本发明的第一个技术方案是：一种基于棉线的被动式微流体燃料电池，包括阳极碳纸和阴极碳纸；其特征在于：阳极碳纸和阴极碳纸上分别设置有棉线一和棉线二，棉线一与棉线二由棉线三进行隔离；棉线一的一端插入入口培养皿一内、入口培养皿一内存储有阳极电解液；棉线二的一端插入入口培养皿二内、入口培养皿二内存储有阴极电解液；棉线三的一端插入入口培养皿三内，入口培养皿三内存储有隔离液；棉线一、棉线二和棉线三的另一端均插入出口培养皿内；阳极碳纸和阴极碳纸与棉线相接触面分别涂覆有阳极催化剂层和阴极催化层。出口培养皿用于收集废液。
本发明利用棉线的毛细力作用辅以重力实现阴极电解液和阳极电解液的连续流动，同时，采用三通道结构，通过隔离棉线引入第三种液体即隔离液将阴阳极分隔的同时促进阴阳极之间质子交换。相比较于传统的微流体燃料电池，基于棉线的微流体燃料电池取消了传统微流体燃料电池对微泵的依赖，极大的简化了微流体燃料电池的附件设备。
根据本发明所述的一种基于棉线的被动式微流体燃料电池的优选方案，阳极碳纸和阴极碳纸放置在底板上，棉线的上方设置有封口膜。
根据本发明所述的一种基于棉线的被动式微流体燃料电池的优选方案，棉线一、棉线二、棉线三分别有多条。
本发明所述的一种基于棉线的被动式微流体燃料电池的有益效果是：本发明利用棉线的毛细力作用辅以重力实现阴极液和阳极液的连续流动，同时，采用三通道结构，通过隔离棉线引入第三种液体将阴阳极分隔的同时促进阴阳极之间质子交换，取消了传统微流体燃料电池对微泵的依赖，极大的简化了微流体燃料电池的附件设备，本发明成本低，结构简单，性价比高；可广泛应用在能源、化工、环保等领域。
附图说明
图1是一种基于棉线的被动式微流体燃料电池的结构示意图。
图2是电池功率密度和极化曲线。
具体实施方式
参见图1和图2，一种基于棉线的被动式微流体燃料电池，包括阳极碳纸6和阴极碳纸7；阳极碳纸6和阴极碳纸7上分别设置有棉线一2和棉线二4，棉线一2与棉线二4由棉线三3进行隔离；棉线一2的一端插入入口培养皿一11内、入口培养皿一11内存储有阳极电解液；棉线二4的一端插入入口培养皿二12内、入口培养皿二12内存储有阴极电解液；棉线三3的一端插入入口培养皿三13内，入口培养皿三13内存储有隔离液；棉线一2、棉线二4和棉线三3的另一端均插入出口培养皿10内；阳极碳纸6和阴极碳纸7与棉线相接触面分别涂覆有阳极催化剂层8和阴极催化层9。阳极碳纸和阴极碳纸放置在底板5上，底板5采用玻璃板；棉线的上方设置有封口膜1。
在具体实施例中，可以采用喷涂法在碳纸电极上制备催化剂层。催化剂层主要由少量碳黑、催化剂纳米颗粒和Nafion构成，其中，阳极催化剂纳米颗粒为钯黑，阴极催化剂纳米颗粒为铂黑，阳极钯载量为5mg/cm2，阴极铂载量为3mg/cm2。阳极液采用甲酸与硫酸的混合溶液2M HCOOH+1M H2SO4，阴极液采用硫酸与溶解氧的混合溶液1M H2SO4+溶解氧，隔离液采用H2SO4。
在具体实施例中，棉线一2、棉线二4、棉线三3分别有多条，。可以通过改变棉线一2、棉线二4、棉线三3的条数和进出口培养皿的高度差来改变流体流量。棉线可以采用涤纶、羊毛、棉等纤维经过亲水处理后制成。但是由于棉纤维特殊的内部孔隙，效果最好。
本发明采用喷涂的方法分别在阳极碳纸和阴极碳纸上涂覆阳极催化剂层和阴极催化剂层，通过棉线的毛细力作用和重力结合将阳极电解液和阴极电解液输运到碳纸电极表面进行反应，实现了微流体燃料电池的完全被动式运行。
参见图2，图2表示阳极液采用2M HCOOH+1M H2SO4，阴极液采用1M H2SO4+溶解氧，隔离液采用1M H2SO4时，阳极电解液和阴极电解液流量为75μL/min时，得到最大电流密度和最高功率密度分别为45mA/cm2和4.9mW/cm2。

Claims (3)

1.一种基于棉线的被动式微流体燃料电池，包括阳极碳纸(6)和阴极碳纸(7)；其特征在于：阳极碳纸(6)和阴极碳纸(7)上分别设置有棉线一(2)和棉线二(4)，棉线一(2)与棉线二(4)由棉线三(3)进行隔离；棉线一(2)的一端插入入口培养皿一(11)内、入口培养皿一(11)内存储有阳极电解液；棉线二(4)的一端插入入口培养皿二(12)内、入口培养皿二(12)内存储有阴极电解液；棉线三(3)的一端插入入口培养皿三(13)内，入口培养皿三(13)内存储有隔离液；棉线一(2)、棉线二(4)和棉线三(3)的另一端均插入出口培养皿(10)内；阳极碳纸(6)和阴极碳纸(7)与棉线相接触面分别涂覆有阳极催化剂层(8)和阴极催化层(9)。
2.根据权利要求1所述的一种基于棉线的被动式微流体燃料电池，其特征在于：阳极碳纸(6)和阴极碳纸(7)放置在底板(5)上，棉线的上方设置有封口膜(1)。
3.根据权利要求1或2所述的一种基于棉线的被动式微流体燃料电池，其特征在于：棉线一(2)、棉线二(4)、棉线三(3)分别有多条。
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