CN107706436B - 一种仿鱼鳃表面微纳结构的空气阴极 - Google Patents

一种仿鱼鳃表面微纳结构的空气阴极 Download PDF

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Abstract

一种仿鱼鳃表面微纳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扩散层氧气传质方面存在的局限，结合氧气供给时产生的速度，基于鱼鳃表面微纳机构的启示，设计了空气阴极的扩散层微纳机构表面，加速气体传质速率，提高空气阴极的性能。本发明在阴极扩散层上每平方厘米设有16个大凹槽，半径为1mm，深度为0.1mm，排布于扩散层一侧，每个大凹槽内部排布有25个小凹槽，半径为0.1mm，深度为0.1mm。在有一定的风速流过空气阴极表面时，凹槽能改变气体流场的分布，延长气体在阴极表面的停留时间；形成湍流，产生垂直于阴极表面的分速度，从而加快空气透过扩散层，达到提高电池反应速率的效果。

Description

一种仿鱼鳃表面微纳结构的空气阴极
技术领域
本发明属空气燃料电池领域，具体涉及一种仿生空气阴极扩散层的结构设计。
背景技术
空气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。一般空气阴极燃料电池由空气阴极、电解液腔体、阳极三部分组成，每一部分的性能均会影响电池的功率输出，因此空气阴极的优化和改进亦是至关重要。空气阴极由空气扩散层、集流板、催化层三部分组成，在其气/液/固三相界面上发生氧还原反应，氧还原反应发生的快慢和多寡决定着空气阴极提供电子的能力。氧气传质的效率与催化剂催化氧还原反应的速率双重决定着空气阴极的性能。本发明旨在通过设计扩散层表面结构，影响氧气在其表面的流动，提高氧气传质效率。
鱼类能在氧含量稀少的水中自由呼吸并完成各项生命活动，研究发现鱼鳃表面存在大量凹槽和凸包结构，在呼吸过程中，鱼鳃表面的这些结构能够改变流体的流场分布，形成湍流，延长鱼鳃与水中氧分子的接触时间，提高氧气的交换效率，从而增强鱼类的呼吸能力。
基于鱼鳃表面优异结构，本发明设计一种扩散层的仿生表面结构，增强空气阴极的传质效率，具有重要意义。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能提高空气阴极扩散层氧气传输效率的空气阴极。基于鱼鳃表面存在大量凹槽凸包结构，设计该仿生空气阴极的扩散层表面结构。在空气阴极表面存在一定的风速时，扩散层表面的结构能改变其附近流动空气的流场，形成湍流，进而提高扩散层氧气的交换速率，提高电池的性能。
本发明在每平方厘米即边长为10mm×10mm扩散层的外表面设置有两层圆柱形凹槽，外层设置有16个大凹槽，半径为1mm，深度为0.1mm，且均匀分布于扩散层外表面；内层设置有16×25个小凹槽，每个大凹槽内部设置有25个小凹槽，半径为0.1mm,深度为0.1mm，分四圈排布。
每平方厘米即边长为10mm×10mm扩散层外层设置有16个大凹槽，且大凹槽规则排布，每一横排的大凹槽圆心的水平距离L1为2.5mm，每一竖排的大凹槽圆心之间的距离L2为2.5mm，且每一竖排相邻竖排的大凹槽的圆心位于该竖排两圆心所连线段的垂直平分线上。
每个大凹槽的内部排布有25个小凹槽，即每平方厘米内层设置有16×25个小凹槽，小凹槽分四圈排布，第一圈只有1个小凹槽，位于大凹槽的圆心位置；第二圈有4个小凹槽，四个小凹槽的圆心位于以大凹槽的中心为圆心，半径为0.3mm的圆周上，且相邻两个小凹槽之间的角度为90°；第三圈有4个小凹槽，4个小凹槽的圆心位于以大凹槽的中心为圆心，半径为0.5mm的圆周上，相邻两个小凹槽之间的角度为90°，且四个小凹槽的圆心位于第二圈相邻两个小凹槽圆心的角平分线上；第四圈有16个小凹槽，16个小凹槽的圆心位于以大凹槽的中心为圆心，半径为0.75mm的圆周上，且相邻两个小凹槽之间的角度为22.5°。
附图说明
图1为常见空气阴极。
图2为仿鱼鳃表面微纳结构空气阴极的纵向剖面图。
图3为每平方厘米空气阴极大凹槽的排布图。
图4为每个大凹槽内部小凹槽的排布图。
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所示为一种常见空气阴极，由三部分组成，自上而下分别为扩散层(A)、集流板(B)、催化层(C)。扩散层一侧为空气，催化层一侧为电解液。扩散层是由多微孔且疏水的物质制备得到，集流板为钢网，催化层由具有催化活性的物质制备得到。制备方法：称量导电炭黑4g、倒入无水酒精70ml、逐滴加入PTFE乳液6.2mL，超声加搅拌10min，使之充分混合，水浴锅加热至80℃，约40分钟后，混合物逐渐由膏状变为面团装，即可取出，通过辊压的方式制得扩散层，将扩散层在370℃恒温下加热25-30分钟，之后将扩散层辊压到钢网上，称量活性炭粉末6g，倒入无水酒精45ml,逐滴加入PTFE乳液665uL，使之充分混合，超声加搅拌10min，使之充分混合，水浴锅加热至80℃，约1.5小时后，混合物逐渐由膏状变为面团装，即可取出，通过辊压的方式制得催化层，将催化层辊压到钢网的另一侧。
如图2所示，本发明在空气阴极的基础上，针对扩散层设置有两层圆柱形凹槽，外层为大凹槽，深度d1为0.1mm，内层为小凹槽，深度d2为0.1mm。
如图3所示为每平方厘米空气阴极表面大凹槽的排布，其中L3＝10mm，L4＝10mm。每平方厘米扩散层外层设置有16个大凹槽，大凹槽的半径R1为1mm，且大凹槽规则排布，每一横排的大凹槽圆心的水平距离L1为2.5mm，每一竖排的大凹槽圆心之间的距离L2为2.5mm，且每一竖排相邻竖排的大凹槽的圆心位于该竖排两圆心所连线段的垂直平分线上，即A为O1、O2的中点且线段AO3与线段O1O2互相垂直。
如图4所示为每一个大凹槽内部小凹槽的排布，每个大凹槽的内部排布有25个小凹槽，即内层每平方厘米设置有16×25个小凹槽，小凹槽半径R2为0.1mm。小凹槽分四圈排布，第一圈只有1个小凹槽，位于大凹槽的圆心位置；第二圈有4个小凹槽，四个小凹槽的圆心位于以大凹槽的中心为圆心，半径r1为0.3mm的圆周上，且相邻两个小凹槽之间的角度为α为90°；第三圈有4个小凹槽，4个小凹槽的圆心位于以大凹槽的中心为圆心，半径r2为0.5mm的圆周上，相邻两个小凹槽之间的角度β为90°，且四个小凹槽的圆心位于第二圈相邻两个小凹槽圆心的角平分线上；第四圈有16个小凹槽，16个小凹槽的圆心位于以大凹槽的中心为圆心，半径r3为0.75mm的圆周上，且相邻两个小凹槽之间的角度θ为22.5°。
通过金属3D打印机打印出符合凹槽排布的模板，将模板与扩散层一侧重合，一齐放入辊压机中辊压，扩散层一侧即可得到符合要求的凹槽排布。
本发明的工作过程和原理如下：一般空气阴极燃料电池由空气阴极、电解液腔体、阳极三部分组成，每一部分的性能均会影响电池的功率输出，因此空气阴极的优化和改进亦是至关重要。空气阴极由空气扩散层、集流板、催化层三部分组成，在其气/液/固三相界面上发生氧还原反应，氧还原反应发生的快慢和多寡决定着空气阴极提供电子的能力。氧气传质的效率与催化剂催化氧还原反应的速率双重决定着空气阴极的性能。本发明旨在通过设计扩散层表面的凹槽能改变流经空气的流场，延长空气在扩散层表面停留的时间，且在凹槽处形成湍流，产生垂直于扩散层表面的分速度，提高气体透过扩散层的效率，加快反应速率，进而增强电池的性能。空气燃料电池有望应用于新能源汽车。
每平方厘米即边长为10mm×10mm扩散层的外侧设置有16个大凹槽，设置如此规则排布的大凹槽，既能获得较大的凹槽面积，又能使空气阴极的坚固性受到较小的影响。
每个大凹槽内部设置有25个分四圈排布的小凹槽，内圈小凹槽数量较少，外圈小凹槽数量较多，当空气流经大凹槽时，大凹槽内部形成湍流，外圈部分的空气流速大于内圈部分，设置如此排布的小凹槽，既能使气体流速大的地方排布有较多的小凹槽，又能使空气阴极的坚固性受到较小的影响。
大凹槽的设置能够改变流经其表面的流场分布，形成湍流，产生垂直于阴极表面的气流，内侧的小凹槽则能够改变大凹槽内的流场分布，行成更加均匀的湍流，湍流的行成能有效增强空气透过扩散层的效率，设置如此层叠的两层凹槽，能使产生的湍流更强，产生更好的效果。
本发明的有益效果为：在扩散层表面设置层叠的两层凹槽，当有一定的风速流过空气阴极表面时，大凹槽首先改变扩散层表面气体流场的分布，行成较弱的湍流，形成湍流的气体产生垂直于阴极表面的分速度，扩散到大凹槽内；大凹槽内分布的数量众多的小凹槽能进一步形成更强的湍流，从而加速空气透过扩散层；同时，凹槽产生的湍流能延长气体在阴极表面的停留时间。因此，如此设置层叠的两层凹槽协同作用能加快空气透过扩散层，有益于提高空气阴极的性能。

Claims (2)

1.一种仿鱼鳃表面微纳结构的空气阴极，其特征在于：空气阴极由扩散层、集流板、催化层三部分组成，集流板为钢网，位于扩散层和催化层之间，与扩散层接触的一侧为空气，与催化层接触的一侧为电解液，边长为10mm×10mm的扩散层的外表面设置有两层圆柱形凹槽，外层设置有16个大凹槽，半径为1mm，深度为0.1mm，且均匀分布于扩散层外表面；内层设置有16×25个小凹槽，每个大凹槽内部设置有25个小凹槽，半径为0.1mm,深度为0.1mm，分四圈排布。
2.如权利要求1所述的一种仿鱼鳃表面微纳结构的空气阴极，其特征在于：边长为10mm×10mm的扩散层外层设置有16个大凹槽，且大凹槽规则排布：每一横排的大凹槽圆心的水平距离L1为2.5mm，每一竖排的大凹槽圆心之间的距离L2为2.5mm，且每一竖排相邻竖排的大凹槽的圆心位于该竖排两圆心所连线段的垂直平分线上， 每个大凹槽的内部排布有25个小凹槽，即内层每平方厘米设置有16×25个小凹槽，小凹槽分四圈排布，第一圈只有1个小凹槽，位于大凹槽的圆心位置；第二圈有4个小凹槽，四个小凹槽的圆心位于以大凹槽的中心为圆心，半径为0.3mm的圆周上，且相邻两个小凹槽之间的角度为90°；第三圈有4个小凹槽，4个小凹槽的圆心位于以大凹槽的中心为圆心，半径为0.5mm的圆周上，相邻两个小凹槽之间的角度为90°，且四个小凹槽的圆心位于第二圈相邻两个小凹槽圆心的角平分线上；第四圈有16个小凹槽，16个小凹槽的圆心位于以大凹槽的中心为圆心，半径为0.75mm的圆周上，且相邻两个小凹槽之间的角度为22.5°。
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