CN107623130B - 一种仿鱼类鳃丝结构的空气阴极 - Google Patents

一种仿鱼类鳃丝结构的空气阴极 Download PDF

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Abstract

一种仿鱼类鳃丝结构的空气阴极属空气阴极燃料电池领域。本发明在传统空气阴极基础上，针对空气燃料电池在空气阴极催化层催化性能方面存在的局限，设计了空气阴极催化层的结构，加速电解液中质子的传输，增大催化剂与电解质中氧气和质子的接触面积，提高空气阴极的性能。本发明将阴极的催化层设计为一层有催化剂吸附的绒毛状碳纤维，钢网由不锈钢丝和碳纤维组成的碳纤维束编织而成，碳纤维束上的碳纤维长度为5mm，当电池中的电解液有一定流动时，吸附有催化剂的碳纤维会随流体发生摆动，提高电解液中质子的交换速率；吸附有催化剂的碳纤维束能大大增加催化剂与电解质中氧气和质子的接触面积，加快催化层的反应速率。

Description

一种仿鱼类鳃丝结构的空气阴极
技术领域
本发明属空气阴极燃料电池领域，具体涉及一种新型仿生空气阴极的结构设计。
背景技术
日益严重的能源危机和环境污染问题迫使人类寻找可持续、可再生的新型清洁能源。空气阴极燃料电池是新能源研究的焦点之一，有望应用于新能源汽车、临时供电装置等领域。
电池阴极氧化还原反应发生的快慢决定着电池的性能。当催化剂催化性能一定时，氧化还原反应的快慢取决于空气阴极结构导致的溶解氧，质子、电子的供给速率及催化剂层与反应物的接触面积。研究发现，鳃丝在鱼类呼吸过程中起着重要的作用，当水流流经鱼鳃时，大量的鳃丝会随着水流不停摆动，增大了鳃丝与水中含量稀少的氧气接触的几率。同时，大量的鳃丝在水中呈分散状态，增大了鳃丝与水的接触面积，从而提高氧气的交换效率，增强鱼类的呼吸能力。
基于鱼类鳃丝的优异结构，本发明设计一种新型仿生空气阴极的结构，增大催化剂层与电解液中溶解氧和质子的接触面积、接触几率，增强氧还原反应发生部位的电子输送能力，进而提高空气阴极的性能，最终提高电池的整体性能，对空气燃料电池性能的提高具有重要意义。
发明内容
本发明目的在于提供一种能够提高氧气、质子、电子等物质传质性能的空气阴极。基于鱼类鳃丝的优异结构，设计该仿生空气阴极的催化层结构。当电解液腔体中的电解液有一定流动时，吸附有催化剂的绒毛状碳纤维能在电解液中发生摆动，提高电解液中质子的交换速率。同时，大量吸附有催化剂的绒毛状碳纤维在电解液中呈分散状态，增大了催化剂与电解液中氧气和质子的接触面积。最后，碳纤维具有着优异的导电特性，能够快速向氧还原反应发生部位长程输送电子。所以，此种新型空气阴极提高了氧气、质子、电子等物质传质性能，促进空气阴极催化层氧化还原反应发生的速率，进而提高电池的整体性能。
本发明的催化层和集流板是由吸附有催化剂的碳纤维束通过编织得到的网状结构。
每一根碳纤维束由两根不锈钢丝和若干根10mm长度的碳纤维通过捆绑缠绕的方式得到，每两根100mm长度的不锈钢丝对应10000根10mm长度的碳纤维，每两根100mm长度的不锈钢丝相互缠绕20圈。所得碳纤维束上绒毛状碳纤维的长度为5mm。
选取不锈钢丝的直径为0.3mm至0.5mm。
附图说明
图1为空气阴极结构。
图2为仿鱼类鳃丝结构的空气阴极。
图3为不锈钢丝和碳纤维的初始排布方式。
图4为两根不锈钢丝的捆绑缠绕方式。
图5为碳纤维束。
图6为碳纤维束编织为类钢网结构的方式。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的详细阐述：
如图1所示，空气阴极由三部分组成，自上而下分别为催化层(A)、集流板(B)、扩散层(C)。扩散层一侧直接接触空气，催化层一侧接触电解液。扩散层是由多微孔且疏水的物质制备得到，集流板和催化层是由碳纤维束编织成的集成网状结构。如图2所示，本发明在空气阴极的基础上，将空气阴极的催化层设置为绒毛状的碳纤维结构，碳纤维的长度d1为5mm。
制备方法：
空气阴极催化层的制备：1)制备碳纤维束。碳纤维束由两根相互缠绕且旋转方向相同的不锈钢丝和夹在中间的碳纤维组成，首先，如图3所示，将若干碳纤维夹在两根相同长度的不锈钢丝之间，碳纤维的长度为10mm，碳纤维与两根不锈钢丝垂直放置且不锈钢丝位于碳纤维的垂直平分线上，每两根100mm长度的不锈钢丝对应10000根10mm长度的碳纤维，碳纤维均匀排布，将两根不锈钢丝的一端接触且固定，使用合适的工具如钢丝钳夹住两根不锈钢丝的另一端，按顺时针或逆时针旋转，得到如图4所示符合要求的碳纤维束，每两根100mm长度的不锈钢丝相互缠绕旋转20圈，裁剪一侧绒毛状碳纤维，得到如图5所示碳纤维束，碳纤维束上绒毛状碳纤维的长度为5mm。2)空气阴极面积、10％Pt/C催化剂、水、Nafion、异丙醇的比例为1cm2:5mg:4.15uL:33.35uL:16.65uL，按照规定的比例混合10％Pt/C催化剂、水、Nafion、异丙醇制得催化剂浊液，通过浸润的方法将催化剂吸附于另一侧剩余碳纤维之上。
空气阴极集流板的制备：按照上述方法，制备若干符合要求的碳纤维束。如图6所示，将若干碳纤维束按照编织不锈钢网的方式编织为钢网状结构。
空气阴极扩散层的制备：空气阴极面积、炭黑、40％PTFE的比例为1cm2:1.56mg:18.72uL，按照规定的比例充分混合炭黑与PTFE，将混合物均匀地涂抹于已去除碳纤维的一侧，得到空气阴极的碳基层，室温静置2个小时。将60％的PTFE溶液均匀地涂刷于碳基层一侧，室温静置10min，将空气阴极放于370℃恒温环境中加热25至30分钟，重复该方式，在空气阴极的碳基层一侧涂刷4层PTFE。
电池阴极氧化还原反应发生的快慢及多寡决定着电池的性能，而同时它也受制于催化剂与反应物的接触面积和质子/氧气的传质速率。本发明旨在通过改进空气阴极催化层的结构，增大催化剂与电解液中氧气和质子的接触面积。同时，通过吸附有催化剂纤维毛的微摆动极大地加快了电解液中质子的传质速率，提高空气阴极的性能，进而提高电池的整体性能。
本发明基于鱼类鳃丝的优异结构，设计该仿生空气阴极的催化层结构。工作过程和原理如下：当电解液腔体中的电解液有一定流动或电池振动时，吸附有催化剂的绒毛状碳纤维能在电解液中发生摆动，提高电解液中质子和氧气的传质速率。同时，大量吸附有催化剂的绒毛状碳纤维在电解液中呈分散状态，增大了催化剂与电解液中氧气和质子的接触面积，提高了空气阴极催化层氧化还原反应发生的速率，进而提高电池的整体性能。
设计最终碳纤维长度为5mm的目的在于，保证空气阴极的体积达到最小的同时，能够使催化层在有液体流动时发生摆动，提高传质的效率。空气燃料电池有望应用于新能源汽车
设计每100mm的不锈钢丝对应10000根碳纤维和相邻两条碳纤维束之间的距离为2mm的目的在于，保证达到最大碳纤维密度的同时，能够使编织的过程相对简易。
本发明的有益效果为：当电池受外界振动的影响，吸附有催化剂的绒毛状柔性碳纤维能在电解液中发生摆动，会极大地增强电解液中质子和氧分子的传质速率，远远超过传统空气阴极中仅仅依靠浓度差而引起的扩散速率。同时，大量吸附有催化剂的绒毛状碳纤维在电解液中呈分散状态，增大了催化剂与电解液中氧气和质子的接触面积，提高了空气阴极催化层氧化还原反应发生多寡，进而提高电池的整体性能。

Claims (4)

1.一种仿鱼类鳃丝结构的空气阴极，其特征在于：空气阴极由扩散层、集流板、催化层组成，催化层一侧为电解液，扩散层一侧为空气，催化层和集流板是由吸附有催化剂的碳纤维束通过编织得到的网状结构，该网状结构由横向平行的碳纤维束和纵向平行的碳纤维束编织而成；每一根碳纤维束由两根相同长度的不锈钢丝和若干根10mm长度的碳纤维通过捆绑缠绕的方式制备得到，通过捆绑缠绕的方式得到的碳纤维束由两根相互接触且旋转方向相同的螺旋型不锈钢丝和夹在中间的碳纤维组成；裁剪所得碳纤维束一侧的绒毛状碳纤维，再通过浸润的方法将催化剂浊液吸附于另一侧剩余的绒毛状碳纤维上，得到吸附有催化剂的碳纤维束；吸附有催化剂的绒毛状碳纤维在电解液中呈分散状态，当电解液腔体中的电解液有流动或电池振动时，吸附有催化剂的绒毛状碳纤维能在电解液中发生微摆动。
2.按权利要求1所述的仿鱼类鳃丝结构的空气阴极，其特征在于：横向平行的相邻碳纤维束之间的距离为2mm，纵向平行的相邻碳纤维束之间的距离为2mm。
3.按照权利要求1所述的仿鱼类鳃丝结构的空气阴极，其特征在于：每两根100mm长度的不锈钢丝对应10000根10mm长度的碳纤维，且两根不锈钢丝相互缠绕20圈。
4.按权利要求3所述的仿鱼类鳃丝结构的空气阴极，其特征在于：所得碳纤维束上绒毛状碳纤维的长度为5mm。
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