CN109148927A - 具有浸没微射流的空气自呼吸无膜微流体燃料电池 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有浸没微射流的空气自呼吸无膜微流体燃料电池，包括按从左往右或从上往下顺序设置的阴极盖板、阴极电极、阳极电极和阳极底板；其特征在于：阴极电极与阳极电极之间设置有毛细管，该毛细管设置有中心通孔；该毛细管与阴极电极之间设置有阴极流道，该阴极流道与电解液进口和废液出口相连通；该毛细管与阳极电极之间设置有阳极流道；该阳极流道与燃料进口和废液出口相连通；所述毛细管与阳极流道相邻的侧壁上设置有若干射流孔，部分燃料从毛细管一侧流入，经射流孔以浸没微射流形式传输至阳极电极表面，并在阳极电极表面形成燃料薄膜层；本发明可广泛应用在可广泛应用在能源、化工、环保等领域。

Description

具有浸没微射流的空气自呼吸无膜微流体燃料电池

技术领域

本发明涉及燃料电池领域，具体涉及具有浸没微射流的空气自呼吸无膜微流体燃料电池。

背景技术

电子科技的不断进步促进了移动便携式微电子设备的快速普及，如移动手机、平板电脑、智能手表等。此外，快速发展的生物医学即时检验装置、微量测试分析等微型器件(如微传感器等)也对高效微型电源提出了更高的要求。传统电池如锂离子电池存在着诸多问题，如能量密度低、不能长时间连续运行等缺点。而微型燃料电池(如微型直接甲醇燃料电池)相对于传统锂离子电池具有能量密度高、可靠性好、可长期连续运行的突出优点。但微型燃料电池中质子交换膜具有一些固有缺点，如膜引起水管理困难、膜老化、燃料渗透、膜引起较大的欧姆损失等。

近年来得益于光刻/软光刻技术和激光加工技术的不断进步，微流体器件得到了较大发展。微流体有着粘性力大于惯性力、表面力大于体积力、多股流体可形成平行层流流动的特点，从而实现燃料/氧化剂的自然分隔，去除质子交换膜。2002年Ferrigno等人首先提出无膜微流体燃料电池(Membraneless microfluidic fuel cell)，氧化剂和燃料在微通道中形成了平行层流流动并产生了较高的电流密度，证明了去除质子交换膜的可行性。无膜微流体燃料电池又称为基于层流流动的燃料电池(Laminar flow fuel cell)，它是将反应物传递、反应区域、电极都包含在一个微通道中的燃料电池，其优点是降低了成本、无膜相关问题、适应性好等。在研究初期，微流体燃料电池主要采用溶解氧作为氧化剂，但溶解氧的扩散系数以及浓度都较低，使得电池性能受阴极传质限制。Choban等人研究表明阴极电极表面的溶解氧浓度边界层会严重影响氧化剂传质，限制电池性能。针对阴极传质限制，Jayashree等人首次提出空气自呼吸阴极无膜微流体燃料电池，利用空气中扩散系数及浓度均较溶解氧高的氧气消除了阴极侧传质限制，提高了电池性能。以空气自呼吸阴极微流体燃料电池为例，在酸性电解液条件下以甲酸作燃料为例，发生的反应如下，

阳极甲酸氧化反应：

HCOOH→CO2↑+2H++2e-，E0＝－0.198V vs.SHE(标准氢电极)

阴极氧气还原反应：

O2+4H++4e-→2H2O，E0＝1.229V vs.SHE

总反应：

2HCOOH+O2→2CO2↑+2H2O，△E＝1.427V

当燃料和电解液通入电池流道时，燃料和阴极电解液形成平行层流流动，并在液-液界面附近形成扩散混合区。燃料在阳极催化层发生氧化反应，生成电子、质子和CO2，电子通过外电路经负载到达阴极，质子通过电迁移方式到达阴极与氧气发生还原反应生成水，而CO生成聚并为气泡后会对层流界面造成扰动，影响电池性能。当电流密度增大时，由于燃料在电极表面消耗速率大于燃料向电极的扩散传输速率，反应物得不到及时补充，阳极表面会形成燃料浓度边界层，浓度边界层的存在会限制燃料向阳极表面传输，极大限制了电池性能，并降低了燃料利用率，从而限制了无膜微流体燃料电池的发展应用。

由此可见，阳极物质传输是限制无膜微流体燃料电池性能的关键因素。国内外研究者提出了多种方法强化阳极侧物质传输。包括调控流量、改变电池/电极几何结构及布置方式等。Chen等人通过提高流速增大电极表面横向剪切力，从而减薄浓度边界层提高电池性能，但流速增大会降低燃料利用率。Sun等人提出在燃料/氧化剂之间加入第三股流体，在流道尺寸不变的情况下通过水力聚集(Hydrodynamic focusing)的方式提高燃料浓度梯度，进而提高电池性能，但该方法会造成电解液浪费。Yoon等人提出多进口/多出口、布置扰流物等方法，有效减薄了浓度边界层，强化物质传输，但该结构较为复杂，并且损失了一定的电极有效面积，降低了电池的体积功率密度。Poulikakos等人提出在微通道底部构建鱼骨型凸起，该结构有效强化了对流传质，同时减少了扩散混合区的形成，但该微通道制备工艺复杂。综上所述，目前无膜微流体燃料电池的性能主要受到阳极物质传输的限制，输出功率密度较低，同时燃料利用率也较低。

发明内容

本发明针对现有技术存在的不足，提出了一种基于浸没微射流的空气自呼吸无膜微流体燃料电池。

本发明的技术方案是：一种具有浸没微射流的空气自呼吸无膜微流体燃料电池，包括按从左往右或从上往下顺序设置的阴极盖板、阴极电极、阴极流道、阳极流道、阳极电极和阳极底板；阴极盖板上设置有电解液进口和阴极呼吸孔，该阴极呼吸孔位于阴极电极上方；阳极底板上设置有燃料进口和废液出口；其特征在于：阴极电极与阳极电极之间设置有毛细管，该毛细管设置有中心通孔；该毛细管与阴极电极之间设置有阴极流道，该阴极流道与电解液进口和废液出口相连通；该毛细管与阳极电极之间设置有阳极流道；该阳极流道与燃料进口和废液出口相连通；所述毛细管与阳极流道相邻的侧壁上设置有若干射流孔，部分燃料从毛细管一侧流入，经射流孔以浸没微射流形式传输至阳极电极表面，并在阳极电极表面形成燃料薄膜层。

本专利以强化阳极侧物质传输，提高性能及燃料利用率为目的，利用浸没微射流方式向阳极后部补充燃料，同时破坏浓度边界层，强化阳极物质传输，在阳极表面形成燃料薄膜层，提高了燃料利用率。

根据本发明所述的具有浸没微射流的无膜微流体燃料电池的优选方案，所述阴极电极由疏水性碳纸、整平层和Pt/C催化层组成。

根据本发明所述的具有浸没微射流的无膜微流体燃料电池的优选方案，所述阳极电极由亲水性碳纸和Pd/Nafion催化层组成。

根据本发明所述的具有浸没微射流的无膜微流体燃料电池的优选方案，所述毛细管单根布置或多根并行布置。

本发明所述的具有浸没微射流的空气自呼吸无膜微流体燃料电池的有益效果是：

1)本发明能有效削弱补充阳极表面浓度边界层的形成，以对流的方式强化了燃料从主流区向电极阳极表面的传输，比传统平板式无膜微流体燃料电池的输出功率性能具有较大的提高。

2)采用浸没微射流供给燃料的方式有效提高了阳极表面燃料的局部流速和浓度，进一步增大了横向剪切力强化燃料向阳极的传输，提高电池性能。

3)本发明有利于实现电池微型化，减少了H+氢离子传输距离，降低了H+离子传输阻力，提高电池效率。

4)本发明采用微流控技术，具有流量精确控制，比表面积大等优点。

5)采用空气作为氧化剂，无需其他其它氧化剂，有效降低了电池的运行成本。

6)本发明具有较好的灵活性，在总的燃料供给量不变情况下，可通过改变毛细管内与主流区即阳极流道的流速流量比，以调整调控电池性能的最大输出功率密度。

本发明可广泛应用在可广泛应用在能源、化工、环保等领域。

附图说明

图1是具有浸没微射流的空气自呼吸无膜微流体燃料电池的主视图。

图2是图1的俯视图。

图3是图1的左视图。

图4是本发明所提出的新型电池结构相对于传统微流体燃料电池性能提升结果。

具体实施方式

参见图1至图3，一种具有浸没微射流的空气自呼吸无膜微流体燃料电池，包括无膜微流体燃料电池主体，所述无膜微流体燃料电池主体包括按从左往右或从上往下顺序设置的阴极盖板2、阴极电极4、阳极电极8和阳极底板6；阴极盖板2上设置有电解液进口10和阴极呼吸孔3，该阴极呼吸孔3位于阴极电极4上方；阳极底板6上设置有燃料进口11和废液出口12；燃料进口11与电解液进口10相对应。阴极电极4与阳极电极8之间设置有毛细管1，所述毛细管1可单根布置或多根并行布置。该毛细管1设置有中心孔；该毛细管1与阴极电极4之间设置有阴极流道5；该阴极流道与电解液进口和废液出口相连通；该毛细管1与阳极电极8之间设置有阳极流道9；该阳极流道与燃料进口和废液出口相连通；所述毛细管1与阳极流道9相邻的侧壁上设置有若干射流孔7，部分燃料从毛细管4一侧流入，经射流孔7以浸没微射流形式传输至阳极电极8表面，并在阳极电极8表面形成燃料薄膜层。所述阴极电极由疏水性碳纸、整平层和Pt/C催化层组成。所述阳极电极由亲水性碳纸和Pd/Nafion催化层组成。

在具体实施例中，阴极盖板2、阴极流道5、阳极流道9、阳极底板6均采有机玻璃板制成。阴极流道5和阳极流道9是在有机玻璃板上用激光加工方式加工流体流动的微通道，以保证电池的机械强度。毛细管1采用毛细钛管，毛细管1单侧管壁的射流孔由激光加工，孔径为100250-～2100微米的小孔。

运行时，同时向电池的阳极流道9和毛细管1内通入一定流量的并经除氧的燃料，如甲酸钠与氢氧化钾混合溶液，或者甲酸与稀硫酸的混合溶液。阴极流道5通入同等流量的电解液质如氢氧化钾溶液或者稀硫酸溶液，阳极流道9内的燃料通过扩散的方式从主流区向阳极电极催化层表面传输，毛细管1中的燃料经管壁上的射流孔7以浸没微射流形式直接传输至阳极电极催化层表面并冲刷阳极电极催化层表面，在阳极电极催化层表面形成较薄的燃料薄膜层。

所述阳极电极能直接还原空气中的氧气和氧化燃料并且产生电子和氢离子，所述阴极电极还原空气中的氧气并且结合电子和氢离子生成水。在阳极催化层上的Pd对甲酸分子具有催化氧化作用，甲酸分子发生氧化反应被消耗掉，产生氢离子、电子以及二氧化碳。氢离子H+通过电迁移方式到达阴极电极；电子通过外电路经负载到到达阴极电极，产生电能；二氧化碳气泡从废液出口排出。空气中的氧气通过阴极呼吸孔3向阴极电极传递，阴极Pt/C催化层对氧气具有催化还原作用，氧气结合氢离子和电子在阴极发生还原反应生成水。阳极产生电子，阴极消耗电子，由此构成回路，实现电化学能向电能的转化。

参见图4，本发明能有效削弱补充阳极表面浓度边界层的形成，以对流的方式强化了燃料从主流区向电极阳极表面的传输，比传统平板式无膜微流体燃料电池的输出功率性能具有较大的提高。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (4)

1.一种具有浸没微射流的空气自呼吸无膜微流体燃料电池，包括按从左往右或从上往下顺序设置的阴极盖板、阴极电极、阳极电极和阳极底板；阴极盖板上设置有电解液进口和阴极呼吸孔，该阴极呼吸孔位于阴极电极上方；阳极底板上设置有燃料进口和废液出口；其特征在于：阴极电极与阳极电极之间设置有毛细管，该毛细管设置有中心通孔；该毛细管与阴极电极之间设置有阴极流道，该阴极流道与电解液进口和废液出口相连通；该毛细管与阳极电极之间设置有阳极流道；该阳极流道与燃料进口和废液出口相连通；所述毛细管与阳极流道相邻的侧壁上设置有若干射流孔，燃料从毛细管一侧流入，经射流孔以浸没微射流形式传输至阳极电极表面，并在阳极电极表面形成燃料薄膜层。

2.根据权利要求1所述的具有浸没微射流的无膜微流体燃料电池，其特征在于：所述阴极电极由疏水性碳纸、整平层和Pt/C催化层组成。

3.根据权利要求1所述的具有浸没微射流的无膜微流体燃料电池，其特征在于：所述阳极电极由亲水性碳纸和Pd/Nafion催化层组成。

4.根据权利要求1或2获3所述的具有浸没微射流的无膜微流体燃料电池，其特征在于：所述毛细管单根布置或多根并行布置。