CN108281686A - 一种具有自控温功能的仿生燃料电池 - Google Patents

一种具有自控温功能的仿生燃料电池 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种具有自控温功能的仿生燃料电池，属于空气阴极燃料电池技术领域，包括壳体、电解液出口、片状铝阳极、片状空气阴极及仿生热管；所述壳体内充满电解液，片状铝阳极由壳体上方中心放入电解液中，片状空气阴极置于所述壳体相对称的内壁两侧，仿生热管由壳体上方放入电解液中；所述仿生热管的内壁由横向平行的亲水凸台和纵向平行的亲水凸台交错而成，亲水凸台之间形成疏水凹槽。该仿生燃料电池发生氧化还原反应时产生的热量使电解液温度升高，之后温度传至热管结构，热管中冷却液受热沸腾，由于热管可以提高沸腾换热系数和临界热流密度，达到高效导热的目的。这种新型仿生燃料电池设计能达到自控温的目的，具有高热交换效率。

Description

一种具有自控温功能的仿生燃料电池
技术领域
本发明属空气阴极燃料电池技术领域，具体涉及一种具有自控温功能的仿生燃料电池。
背景技术
燃料电池作为一种新的能源具有高效、清洁的优势，成为开发热点。而铝空气燃料电池有比能量密度大、质量轻、寿命长、低排放、易携带、低噪声、安全性高等诸多优点，且铝空气燃料电池的比能量为2.19A/g，高于很多其他活跃度金属如镁2.20A/g、锌0.82A/g等，开发前景广阔。同时各国对于车载铝空气燃料电池的发展均予以重视。对于车载铝空气燃料电池，其优势在于使用方便，维护成本低，且比能量密度较高。
铝空气燃料电池现阶段温度控制技术不成熟，温度过高会造成电池失效以至于爆炸等问题。
发明内容
为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明采用在原铝空气燃料电池基础上设计仿生热管结构。研究发现，犬舌表面上紧密排布了均匀的乳白色的微结构单元体，这种单元体结构整体上呈现前后错位的排布方式且存在一定的倾斜角度，犬舌表面微结构单元体的尖部存在微小的三叉结构，且中间高两端低。在犬舌表面发生散热现象时，水蒸气与液体的分离加快，由于水蒸气受到分子相互吸引、相互制约的内聚力作用，几簇蒸气团逐渐聚拢融合，形成了大范围的水蒸气，加快沸腾传热速率。将这种结构融入热管设计中，应用于铝空气燃料电池，可以有效解决电池温度问题。
基于犬舌表现特征值，本发明设计一种新型仿生空气阴极电池冷却系统的结构，在所述犬牙结构的基础上增加了交替的亲疏水表面设计，减小了热管内部冷却液的气泡脱离直径并加快气泡脱离频率，提高了沸腾传热的效率。该仿生热管散热面积大，散热效率高，可有效的解决空气阴极电池温度过高引起的电池失效问题，而且费用较低，对于提高空气燃料电池性能与安全具有重要意义。
本发明通过如下技术方案实现：
一种具有自控温功能的仿生燃料电池，包括壳体1、电解液出口3、片状铝阳极6、片状空气阴极7及仿生热管5；所述壳体1内充满电解液9，片状铝阳极6由壳体1上方中心放入电解液9中，片状空气阴极7置于所述壳体1相对称的内壁两侧，仿生热管5由壳体1上方放入电解液9中，与铝阳极6及空气阴极7不接触；电解液出口3位于壳体1下方，与壳体内部电解液联通，通过液压泵将废弃的电解液导出。
其中，所述仿生热管5的内壁由横向平行的亲水凸台和纵向平行的亲水凸台交错而成，亲水凸台之间形成疏水凹槽，所述横向亲水凸台之间的距离为7毫米，所述纵向亲水凸台之间的距离为7毫米，形成的疏水凹槽深度为7毫米。
进一步地，所述的片状铝阳极6厚度为3-4厘米，所述的片状空气阴极7的厚度为1-3毫米。
进一步地，所述的片状空气阴极7通过长杆4和螺栓2固定在壳体1的内壁两侧，片状结构的空气阴极7与壳体1之间涂覆有玻璃胶，起到密封作用。
进一步地，所述的仿生热管5的材料为有机玻璃，经3D打印技术加工而成，即将所述仿生热管结构输出为3D模型后由3D打印机打印。
进一步地，所述的仿生热管5以壳体1上表面为分界面，将仿生热管分为两部分，上半部分为冷凝段，下半部分为沸腾段，冷凝段内充满空气，沸腾段装有冷却液，冷凝段上方还设置有风冷装置。
进一步地，所述的仿生热管5的数量为4个。
进一步地，所述亲水凸台10的形状为三叉结构，即从根部分为三叉，中间高两端低，并且由根部向上具有30度的倾斜角度。
进一步地，所述的亲水凸台10上涂覆有亲水薄膜TiO2-PDMS，涂覆的亲水薄膜厚度范围是0.3-0.5毫米，所述的亲水薄膜通过溶胶-凝胶法制备而成。
进一步地，所述的疏水凹槽11上喷涂超疏水环氧树脂复合涂层；涂覆的厚度范围是0.3-0.5毫米。
本发明的一种具有自控温功能的仿生燃料电池的工作原理如下：
本发明的仿生燃料电池发生氧化还原反应4Al+3O2+6H2O→4Al(OH)3时产生的热量使电解液温度升高，之后温度传至仿生热管，仿生热管中冷却液受热沸腾。由于仿生热管内壁的凹槽处温度首先升高，沸腾的冷却液会先在热管内壁凹槽处产生气泡，冷却液沸腾后会形成微小运动，仿生热管内壁的凸台表面处三叉结构对所述运动形成干扰，于是又易于形成新的气泡。所述三叉结构与基于凹槽的疏水特性，气泡边缘会向亲水凸台方向移动，当气泡扩大到一定大小，气泡破裂，加快了冷却液沸腾速率，这样使仿生热管可以提高沸腾换热系数和临界热流密度，达到高效导热的目的。携带冷却液蒸汽的空气上升到仿生热管冷凝段。在冷凝段上方采用风冷方式，升腾的冷却液蒸汽在风冷作用下液化为细小的雾气。因为凸台表面是亲水表面，雾气在凸台表面汇成水流在重力作用下流回蒸发段。由于凹槽表面为疏水表面，冷凝段回流的液体不会驻留在凹槽的侧面，不会影响冷凝效率。所以，本新型仿生燃料单体电池能达到高效控温的目的。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
仿生燃料电池发生氧化还原反应时产生的热量使电解液温度升高，之后温度传至热管结构，热管中冷却液受热沸腾，由于热管可以提高沸腾换热系数和临界热流密度，达到高效导热的目的。在冷凝段，凹槽结构表面疏水材料能使冷凝后液体有下流的趋势。所以，这种新型仿生燃料电池设计能达到自控温的目的，具有高热交换效率。
附图说明
图1为本发明的仿生燃料电池的结构示意图；
图2为本发明的仿生燃料电池的俯视图；
图3为本发明的仿生燃料电池的示意图；
图4为本发明的仿生燃料电池的仿生热管的结构示意图；
图5为本发明的仿生燃料电池的仿生热管的横截面示意图；
图6为本发明的仿生燃料电池的仿生热管的内表面部分放大图；
图7为本发明的仿生燃料电池的仿生热管的内结构放大主视图；
图8为本发明的仿生燃料电池的仿生热管的内结构放大俯视图；
图中：壳体1；螺栓2；电解液出口3；长杆4；仿生热管5；片状铝阳极6；片状空气阴极7；风冷装置8；电解液9；亲水凸台10；疏水凹槽11。
具体实施方式
结合附图对本发明做进一步的详细阐述如下：
如图1所示本发明为一种具有自控温功能的仿生燃料电池，包括壳体1、电解液出口3、片状铝阳极6、片状结构的空气阴极7及仿生热管5。所述壳体1内充满电解液9，片状铝阳极6由壳体1上方中心放入电解液9中，片状空气阴极7分别置于所述壳体相对称的两侧，每个空气阴极7分别由三个长杆与配套螺钉固定在壳体1的侧面。所述四个仿生热管5由壳体1上方放入电解液9中，与铝阳极6及空气阴极7不接触。电解液出口3位于壳体1左侧下方，与壳体内部电解液联通，通过液压泵将废弃的电解液导出，新的电解液由壳体上方与铝阳极的缝隙处导入。所述的电解液为6molKOH。
其中，所述仿生热管5的内壁内壁由横向平行的亲水凸台和纵向平行的亲水凸台交错而成，亲水凸台之间形成疏水凹槽，所述横向亲水凸台之间的距离为7毫米，所述纵向亲水凸台之间的距离为7毫米，形成的疏水凹槽深度为7毫米。
进一步地，所述的片状铝阳极6厚度为3厘米，所述的片状结构的空气阴极7的厚度为2毫米。
进一步地，所述的片状结构的空气阴极7通过长杆4和螺栓2固定在壳体1的内壁两侧，片状结构的空气阴极7与壳体1之间涂覆有玻璃胶，起到密封作用。
进一步地，所述的仿生热管5的材料为有机玻璃，经3D打印技术加工而成，即将所述仿生热管结构输出为3D模型后由3D打印机打印。
进一步地，所述的仿生热管5上半部分为冷凝段，下半部分为沸腾段，冷凝段内充满空气，沸腾段装有冷却液，冷凝段上方还设置有风冷装置，仿生热管5放入壳体1内时冷凝段朝上。在本实施例中期望电池温度不高于40度，选取二氯甲烷为冷却液。
进一步地，所述亲水凸台10的形状为三叉结构，即从根部分为三叉，中间高两端低，并且由根部向上具有30度的倾斜角度。
进一步地，所述的亲水凸台上涂覆有亲水薄膜TiO2-PDMS，涂覆的亲水薄膜厚度是0.5毫米，所述的亲水薄膜通过溶胶-凝胶法制备而成。将30毫升无水乙醇和0.2毫升去离子水置于磁力搅拌器上搅拌加热至50摄氏度。量取1毫升的钛酸丁酯溶液滴加到上述混溶液中，预水解1小时后加入0.2毫升1mol·L-1的盐酸溶液，控制物质的量比为Ti(O-Bu)4：H2O：HCl：C2H5OH＝1；10:0.2:60，搅拌1小时后加入5毫升含量的PDMS(用无水乙醇1:1溶解)。继续搅拌，得到无色透明的TiO2-PDMS复合溶胶，陈化24小时后，稀释10倍涂覆于凸台使其具有亲水特性。
进一步地，所述的疏水凹槽上喷涂超疏水环氧树脂复合涂层；涂覆的厚度是0.5毫米。称取10毫克的环氧树脂溶解在10毫升乙酸乙酯中。在所述溶液中加入3毫升NMP，5毫克的FEP、PVDF和Ti O2，并超声20分钟让其均匀分散，在超声结束后加入0.2毫升PDMS，在磁力搅拌器上搅拌1小时左右，加入0.3毫升环氧树脂固化剂，15分钟左右后，均匀喷涂于仿生热管内壁凹槽处，等涂层自然晾干后放入烘箱里，在100摄氏度下固化30分钟，然后在210摄氏度的下反应90分钟，降到室温后就制得了具有超疏水特性的凹槽结构。
进一步地，为使散热均匀，所述的仿生热管5的数量为4个。

Claims (9)

1.一种具有自控温功能的仿生燃料电池，其特征在于，包括壳体(1)、电解液出口(3)、片状铝阳极(6)、片状空气阴极(7)及仿生热管(5)；所述壳体(1)内充满电解液(9)，片状铝阳极(6)由壳体(1)上方中心放入电解液(9)中，片状空气阴极(7)置于所述壳体(1)相对称的内壁两侧，仿生热管(5)由壳体(1)上方放入电解液(9)中，与铝阳极(6)及空气阴极(7)不接触；电解液出口(3)位于壳体(1)下方，与壳体内部电解液联通，通过液压泵将废弃的电解液导出；
其中，所述仿生热管5的内壁由横向平行的亲水凸台(10)和纵向平行的亲水凸台(10)交错而成，亲水凸台(10)之间形成疏水凹槽。
2.如权利要求1所述的一种具有自控温功能的仿生燃料电池，其特征在于，所述横向亲水凸台(10)之间的距离为7毫米，所述纵向亲水凸台(10)之间的距离为7毫米，形成的疏水凹槽(11)深度为7毫米。
3.如权利要求1所述的一种具有自控温功能的仿生燃料电池，其特征在于，所述的片状铝阳极(6)厚度为3-4厘米，所述的片状空气阴极(7)的厚度为1-3毫米。
4.如权利要求1所述的一种具有自控温功能的仿生燃料电池，其特征在于，所述的片状空气阴极(7)通过长杆(4)和螺栓(2)固定在壳体(1)的内壁两侧，片状空气阴极(7)与壳体(1)之间涂覆有玻璃胶。
5.如权利要求1所述的一种具有自控温功能的仿生燃料电池，其特征在于，所述的仿生热管(5)的材料为有机玻璃，经3D打印技术加工而成，即将所述仿生热管结构输出为3D模型后由3D打印机打印。
6.如权利要求1所述的一种具有自控温功能的仿生燃料电池，其特征在于，所述的仿生热管(5)以壳体(1)上表面为分界面，将仿生热管分为两部分，上半部分为冷凝段，下半部分为沸腾段，冷凝段内充满空气，沸腾段装有冷却液，冷凝段上方还设置有风冷装置(8)。
7.如权利要求1所述的一种具有自控温功能的仿生燃料电池，其特征在于，所述亲水凸台(10)的形状为三叉结构，即从根部分为三叉，中间高两端低，并且由根部向上具有30度的倾斜角度。
8.如权利要求1所述的一种具有自控温功能的仿生燃料电池，其特征在于，所述的亲水凸台(10)上涂覆有亲水薄膜TiO2-PDMS，涂覆的亲水薄膜厚度范围是0.3-0.5毫米，所述的亲水薄膜通过溶胶-凝胶法制备而成。
9.如权利要求1所述的一种具有自控温功能的仿生燃料电池，其特征在于，所述的疏水凹槽(11)上喷涂超疏水环氧树脂复合涂层；涂覆的厚度范围是0.3-0.5毫米。
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