CN107768698B - 阳极具有渗透可排气膜的平铺式微流体直接甲醇燃料电池 - Google Patents

阳极具有渗透可排气膜的平铺式微流体直接甲醇燃料电池 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种阳极具有渗透可排气膜的平铺式微流体直接甲醇燃料电池，从上到下为有机玻璃层、PDMS层和导电玻璃层，PDMS层的中部设置有主微流道，导电玻璃层上对应主微流道的中心设置刻蚀区，该刻蚀区将主微流道分隔成阳极主微流道和阴极主微流道，在阳极主微流道和阴极主微流道的左右两端分别对称设置入口微流道和出口微流道；机玻璃层上对应阳极主微流道设置有条形透气孔，条形透气孔的下端孔口上覆盖二氧化碳气体扩散层；导电玻璃层上对应阳极主微流道的位置喷涂有阳极催化剂，导电玻璃层上对应阴极主微流道设置条形进气孔，条形进气孔上端孔口上覆盖氧气扩散层，在氧气扩散层的上表面喷涂有阴极催化剂除质子交换膜，节约成本，能有效排除阳极产物。

Description

阳极具有渗透可排气膜的平铺式微流体直接甲醇燃料电池
技术领域
本发明涉及一种直接甲醇燃料电池，特别涉及一种微型的阳极具有渗透可排气膜的平铺式微流体直接甲醇燃料电池。
背景技术
近年来随着化石能源的日益枯竭，新能源的开发已经成为世界性的紧迫难题，燃料电池以发电效率高、可靠性好、比能量高、清洁污染小等特点受到越来越多的关注。直接甲醇燃料电池是一种在质子交换膜燃料电池的基础上发展起来的，直接利用甲醇水溶液作为燃料，以大气中的氧气作为阴极氧化剂的燃料电池。
直接甲醇燃料电池的工作原理如图1所示为：
在电池阳极侧，甲醇经扩散层到达阳极催化层，被电化学氧化生成二氧化碳、氢离子(质子)和电子；在电池阴极侧，氧气经过气体扩散层传输至阴极催化层，与从阳极迁移过来的质子以及从外电路传导过来的电子发生电化学还原反应生成水。除了这些基本过程外还有更为复杂的传输和反应过程，质子交换膜对甲醇分子的隔离效果较差，会使得甲醇分子跨膜渗透达到阴极催化层(燃料渗透)，在阴极催化剂的作用下直接发生电化学氧化，降低阴极电位(混合电位)和产生额外的电流(寄生电流)消耗氧气。此外在电池阳极侧，甲醇氧化产生的二氧化碳会形成气泡，随着电化学反应的进行持续增长、聚合并形成气弹，会阻碍燃料溶液向阳极催化层的传输，并且会使电解液产生波动，降低溶液的导电性能，从而降低电池综合性能。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供一种阳极具有渗透可排气膜的平铺式微流体直接甲醇燃料电池，取消质子交换膜，能有效降低甲醇渗透到阴极，能有效排除阳极产生的二氧化碳。
为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：一种阳极具有渗透可排气膜的平铺式微流体直接甲醇燃料电池，其特征在于：从上到下由有机玻璃层、PDMS层和导电玻璃层组成，所述PDMS层的中部设置有主微流道，所述导电玻璃层上对应主微流道的中间位置设置刻蚀区，所述刻蚀区沿着主微流道的长度方向延伸，所述刻蚀区两侧的主微流道分别为阳极主微流道和阴极主微流道，在阳极主微流道和阴极主微流道的左右两端分别对称设置入口微流道和出口微流道；所述有机玻璃层上对应入口微流道和出口微流道设置有流体注入口和流体出口，所述有机玻璃层上对应阳极主微流道设置有条形透气孔，所述有机玻璃层的侧面的下端对应条形透气孔的位置设置二氧化碳气体扩散层插槽，二氧化碳气体扩散层从该二氧化碳气体扩散层插槽插入覆盖条形透气孔的下端孔口；
所述导电玻璃层上对应阳极主微流道的位置喷涂有阳极催化剂；
所述导电玻璃层上对应阴极主微流道设置条形进气孔，所述导电玻璃层的侧面上端对应条形进气孔的位置设置有氧气扩散层插槽，氧气扩散层从该氧气扩散层插槽插入覆盖在条形进气孔的上端孔口，在所述氧气扩散层的上表面喷涂有阴极催化剂。
采用上述方案，阳极主微流道和其两端的入口微流道和出口微流道构成了阳极微流道，阴极主微流道和其两端的入口微流道和出口微流道构成了阴极微流道，阳极的甲醇电解液和阴极的电解液分别从有机玻璃层上的流体注入口注入各自对应的阳极微流道和阴极微流道，氧气从条形进气孔经氧气扩散层传输至阴极微流道。当阳极的甲醇电解液(燃料溶液)和阴极的电解液(与氧混合后为氧化剂流体)分别进入主微流道后，形成平行层流流动，而不会发生对流混合，从而实现燃料溶液和氧化剂流体的自然分离(因为在较小的微流道中，流体所受的粘性力大于惯性力(如重力)、表面力大于体积力，粘性和密度相近的燃料溶液和氧化剂流体以相等的流量从两个入口流入主流道后形成平行层流流动不发生对流混合。此时，两种流体之间的质量传递仅为燃料、氧化剂分子的横向(垂直于流动方向)的扩散，因此实现了燃料溶液和氧化剂流体的自然分隔，去除了质子交换膜)。甲醇进入阳极主微流道后，在导电玻璃层上涂覆的阳极催化剂作用下被电化学氧化成二氧化碳、氢离子(质子)和电子，产生的二氧化碳经二氧化碳气体扩散层排出。质子经过刻蚀区迁移到阴极主微流道与氧气发生电化学还原反应，生成水。在阴极主微流道和阴极主微流道的壁上分别设置阳极和阴极。
上述方案中：所述刻蚀区的宽度不大于0.5mm。优选所述刻蚀区的宽度为0.5mm。减少甲醇渗透，有利于质子迁移。
上述方案中：所述二氧化碳气体扩散层和氧气扩散层的制备方法为：裁剪合适尺寸的多孔碳纸，将碳纸在PTFE乳液中均匀侵渍，取出，干燥后进行煅烧，然后自然冷却得到。
上述方案中：所述PTFE乳液中PTFE的质量分数为4-6％。
上述方案中：煅烧的温度为300-350℃。
有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)本发明利用气液压差，实现二氧化碳气泡从二氧化碳气体扩散层的排出，有效缓解阳极产物二氧化碳堵塞甲醇传递通道导致电池性能降低的情况。
(2)燃料溶液和阴极的电解液分别从两个入口进入主微流道后形成平行层流流动而不发生对流混合,从而实现了燃料溶液和氧化剂流体的自然分离和阴阳极之间的离子交换,去除了质子交换膜，节约成本。
(3)本发明基于微流体控制技术，具有反应速度快、传质效率高、比表面积大等优势。
(4)采用PDMS层制作反应腔室，能够实现反应器微型化，减少质子传输阻力，提高电池性能。
附图说明
图1为现有的质子交换膜直接甲醇燃料电池工作原理图。
图2为本发明的俯视图。
图3为图2的A-A纵向剖视图。
图4为图2去掉有机玻璃层后的俯视图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：
实施例1，如图2-4所示：本发明的阳极具有渗透可排气膜的平铺式微流体直接甲醇燃料电池由有机玻璃层1、PDMS层2、导电玻璃层3、二氧化碳气体扩散层4和氧气扩散层5组成。
有机玻璃层1、PDMS层2和导电玻璃层3从上到下依次设置，PDMS层2的中部设置有主微流道21，导电玻璃层3上对应主微流道21的中心设置刻蚀区31，刻蚀区31沿着主微流道21的长度方向延伸，主微流道21有好长，刻蚀区31就好长。刻蚀是为了破坏刻蚀区31的导电性能，避免阴阳两极的电子短路。刻蚀区31的宽度不大于0.5mm，一般为几微米-0.5mm，优选刻蚀区31的宽度为0.5mm。刻蚀区31两侧的主微流道21分别构成阳极主微流道21a和阴极主微流道21b，即刻蚀区将主微流道21隔开，一侧为阳极主微流道21a，另一侧为阴极主微流道21b。在阳极主微流道21a和阴极主微流道21b的左右两端分别对称设置入口微流道22和出口微流道23。如图，阳极主微流道21a和阴极主微流道21b左右两端的入口微流道22和出口微流道23之间均应有距离，该距离为刻蚀区的宽度，这样让燃料溶液和阴极电解液分别分开进入主微流道21。阳极主微流道21a和其两端的入口微流道22和出口微流道23构成了阳极微流道，阴极主微流道21b和其两端的入口微流道22和出口微流道23构成了阴极微流道。
有机玻璃层1上对应入口微流道22和出口微流道23设置有流体注入口11和流体出口12，有机玻璃层1上对应阳极主微流道21a设置有条形透气孔13，条形透气孔13沿着阳极主微流道21a的长度方向分布，有机玻璃层1的侧面的下端对应条形透气孔13的位置设置二氧化碳气体扩散层插槽14，二氧化碳气体扩散层插槽14的宽度大于条形透气孔13的长度，便于固定二氧化碳气体扩散层4。二氧化碳气体扩散层4从该二氧化碳气体扩散层插槽14插入覆盖条形透气孔13的下端孔口。
导电玻璃层3上对应阳极主微流道21a的位置喷涂有阳极催化剂。阳极催化剂位于阳极主微流道21a的底部。导电玻璃层3上对应阴极主微流道21b设置条形进气孔32，条形进气孔32沿着阴极主微流道21b的长度方向分布，导电玻璃层3的侧面上端对应条形进气孔32的位置设置有氧气扩散层插槽33，氧气扩散层5从该氧气扩散层插槽33插入覆盖在条形进气孔32的上端孔口，在氧气扩散层5的上表面喷涂有阴极催化剂。
其中二氧化碳气体扩散层4和氧气扩散层5的制备方法为：裁剪合适尺寸的多孔碳纸，将碳纸在质量分数为4-6％的PTFE乳液中轻微摇晃均匀侵渍，干燥后在高温鼓风干燥箱内进行煅烧，煅烧温度300-350℃，然后自然冷却得到。
PDMS层2的制备为：称取聚二甲基硅氧烷和固化剂，搅拌并混合均匀，然后将PDMS混合液倒入备好的铝模具，静置一段时间在100℃下加热20分钟，起模即得到带有主微流道21、入口微流道22和出口微流道23的PDMS层。然后有机玻璃层开孔开槽，导电玻璃层开孔开槽，刻蚀，装配，并装上阴阳电极得到阳极具有渗透可排气膜的平铺式微流体直接甲醇燃料电池。
本发明不局限于上述具体实施例，应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思做出诸多修改和变化。总之，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (6)

1.一种阳极具有渗透可排气膜的平铺式微流体直接甲醇燃料电池，其特征在于：从上到下由有机玻璃层(1)、PDMS层(2)和导电玻璃层(3)组成，所述PDMS层(2)的中部设置有主微流道(21)，所述导电玻璃层(3)上对应主微流道(21)的中间位置设置刻蚀区(31)，所述刻蚀区(31)沿着主微流道(21)的长度方向延伸，所述刻蚀区(31)两侧的主微流道(21)分别为阳极主微流道(21a)和阴极主微流道(21b)，在阳极主微流道(21a)和阴极主微流道(21b)的左右两端分别对称设置入口微流道(22)和出口微流道(23)；所述有机玻璃层(1)上对应入口微流道(22)和出口微流道(23)设置有流体注入口(11)和流体出口(12)，所述有机玻璃层(1)上对应阳极主微流道(21a)设置有条形透气孔(13)，所述有机玻璃层(1)的侧面的下端对应条形透气孔(13)的位置设置二氧化碳气体扩散层插槽，二氧化碳气体扩散层(4)从该二氧化碳气体扩散层插槽插入覆盖条形透气孔(13)的下端孔口；
所述导电玻璃层(3)上对应阳极主微流道(21a)的位置喷涂有阳极催化剂；
所述导电玻璃层(3)上对应阴极主微流道(21b)设置条形进气孔(32)，所述导电玻璃层(3)的侧面上端对应条形进气孔(32)的位置设置有氧气扩散层插槽，氧气扩散层(5)从该氧气扩散层插槽插入覆盖在条形进气孔(32)的上端孔口，在所述氧气扩散层(5)的上表面喷涂有阴极催化剂。
2.根据权利要求1所述阳极具有渗透可排气膜的平铺式微流体直接甲醇燃料电池，其特征在于：所述刻蚀区(31)的宽度不大于0.5mm。
3.根据权利要求2所述阳极具有渗透可排气膜的平铺式微流体直接甲醇燃料电池，其特征在于：所述刻蚀区(31)的宽度为0.5mm。
4.根据权利要求1-3任一项所述阳极具有渗透可排气膜的平铺式微流体直接甲醇燃料电池，其特征在于：所述二氧化碳气体扩散层(4)和氧气扩散层(5)的制备方法为：裁剪合适尺寸的多孔碳纸，将碳纸在PTFE乳液中均匀侵渍，取出，干燥后进行煅烧，然后自然冷却得到。
5.根据权利要求4所述阳极具有渗透可排气膜的平铺式微流体直接甲醇燃料电池，其特征在于：所述PTFE乳液中PTFE的质量分数为4-6％。
6.根据权利要求5所述阳极具有渗透可排气膜的平铺式微流体直接甲醇燃料电池，其特征在于：煅烧的温度为300-350℃。
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