CN110600751A - 一种具有棉线电极的直接甲酸盐微流体燃料电池 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具有棉线电极的直接甲酸盐微流体燃料电池，包括底板、集电器、棉线阳极、棉线阴极、隔离液棉线流道以及封口膜；其特征在于：阳极集电器和阴极集电器按左、右对称布置在底板上，阳极集电器和阴极集电器之间留有间隙，该间隙内放置隔离液棉线流道；所述隔离液棉线流道的左、右侧分别放置棉线阳极和棉线阴极；且棉线阳极与阳极集电器重叠，棉线阴极与阴极集电器重叠；棉线阳极、棉线阴极和隔离液棉线流道均采用多条亲水性棉线制成，其中棉线阳极和棉线阴极上通过反复浸渍法制备有钯催化剂；本发明可广泛应用在化工、能源、环保等领域。

Description

一种具有棉线电极的直接甲酸盐微流体燃料电池
技术领域
本发明涉及燃料电池领域，具体涉及一种具有棉线电极的直接甲酸盐微流体燃料电池。
背景技术
随着移动互联网技术的高速发展，便携式电子产品(如智能手机、微型传感器、便携式医疗设备等)对移动便携式电源的要求越来越高，比如要求高能量密度，可靠且可长期连续运行，结构简单，易于集成等。目前常用的锂离子电池技术已经无法满足这些微型电子产品日益功能化、集成化的需求。为了满足便携式电源的发展需求，基于质子交换膜的微型燃料电池应运而生，这种新型便携式电源虽然具有环境友好、方便持久、能量密度高、传质速度快等优点，但同样存在着燃料渗透、质子交换膜老化、阴极水管理困难等一系列与膜有关的技术难题，这些难题阻碍了电源的微型化，进而限制了电子产品的进一步发展和应用。与之相比，Ferrigno等人在2002年基于微流体特性提出的无膜微流体燃料电池(Membraneless microfluidic fuel cell)，利用燃料和氧化剂在层流状态下自然分层来取代质子交换膜，从而使得由膜引起的一系列问题迎刃而解，同时极大地降低了电池成本并提高了电池设计的灵活性，具有体积小、重量轻及容量大的优点，是燃料电池设计的创新性发展。
无膜微流体燃料电池包括依靠外部驱动设备输运反应液的主动式微流体燃料电池和无需依赖外部驱动设备而利用重力、气泡、毛细力等驱动的被动式微流体燃料电池。相比于主动式微流体燃料电池，被动式微流体燃料电池取消了传统主动式微流体燃料电池对外部驱动设备的依赖，消除了额外的能耗，增大了整个系统的净能量输出，并且有利于系统集成化和微型化的发展，提高了其实际应用的可行性，因此一经提出便在能源科学领域得到了快速发展，受到了国内外研究学者的广泛关注。
Esquivel等人首先提出了一种纸基微流体燃料电池，该电池利用纸的毛细力引起的层流实现对燃料和氧化剂的自然分隔和被动运输，消除了对外界驱动设备的需求。然而，在纸张上制造疏水区域的工艺比较复杂，燃料在通过纸张运输的过程中很容易发生泄漏，并且纸张在潮湿条件下的力学性能和耐久性较差。和纸一样，棉线的孔隙率和亲水性可以为反应溶液的输运提供毛细力，并且棉线在潮湿条件下仍具有较高的机械强度，也不需要用复杂的工艺制造亲水性通道。因此，棉线是另一种适用于微流体燃料电池的潜在材料。专利CN107293764A提出了一种基于棉线的被动式微流体燃料电池，利用棉线的毛细力作用辅以重力实现阴极液和阳极液的连续流动；阳极和阴极的催化剂皆涂覆在碳纸上。但是，独立的电极和流道易导致传质受限，从而影响电池的性能。如果将电极和流道集成一体化，则反应液在流道中流动的同时就会在电极表面催化剂的作用下发生反应，这可以增强电极处的传质，并且燃料电池的结构将进一步被简化，更满足其作为微型电源的要求。
发明内容
针对现有结构存在的缺陷及改进需求，本发明所要解决的技术问题在于提供一种具有棉线电极的直接甲酸盐微流体燃料电池。
本发明的技术方案是：一种具有棉线电极的直接甲酸盐微流体燃料电池，包括底板、集电器、棉线阳极、棉线阴极、隔离液棉线流道以及封口膜；其特征在于：阳极集电器和阴极集电器按左、右对称布置在底板上，阳极集电器和阴极集电器之间留有间隙，该间隙内放置隔离液棉线流道；所述隔离液棉线流道的左、右侧分别放置棉线阳极和棉线阴极；且棉线阳极与阳极集电器重叠，棉线阴极与阴极集电器重叠；棉线阳极、棉线阴极和隔离液棉线流道均采用多条亲水性棉线制成，其中棉线阳极和棉线阴极上通过反复浸渍法制备有钯催化剂。
所述棉线阳极和棉线阴极分别作为阳极液和阴极液的流动通道，燃料和氧化剂分别从棉线阳极和棉线阴极上流过；隔离液棉线流道上注入有隔离液；封口膜覆盖在棉线阳极、棉线阴极和隔离液棉线流道上。
本发明提出了一种具有棉线电极的直接甲酸盐微流体燃料电池，其中棉线被用于形成流动通道，并作为电极的基底。亲水性纤维和纤维间的间隙以及多根棉线形成的间隙为反应溶液的输运提供了流动通道。保持一定的进出口高度差，利用棉线的毛细力辅以重力驱动反应液的长时间连续流动。采用反复浸渍法在棉线表面负载钯催化剂，制备出棉线阳极和棉线阴极，实现了流道与电极的一体化。反应液在棉线中流动的同时会在棉线表面催化剂的作用下发生反应。因此，棉线电极可以看作是可渗透电极，其可以增强电极处的传质。
为了减轻燃料和氧化剂的渗透，在阴阳极之间平行布置不负载催化剂的棉线作为隔离液流道，通入Na2SO4溶液作为隔离液。封口膜的作用是减少反应溶液的蒸发，并与周围空气隔离。燃料和氧化剂分别从棉线阳极和棉线阴极上流过，同时发生电化学反应产生电流。
根据本发明所述的一种具有棉线电极的直接甲酸盐微流体燃料电池的优选方案，钯催化剂由碳黑、钯催化剂纳米颗粒和Nafion构成。
根据本发明所述的一种具有棉线电极的直接甲酸盐微流体燃料电池的优选方案，阳极液采用甲酸钠与氢氧化钾的混合溶液，阴极液采用过氧化氢与硫酸的混合溶液，隔离液采用Na2SO4溶液。
本发明所述的一种具有棉线电极的直接甲酸盐微流体燃料电池的有益效果是：本发明以棉线作为流动通道和电极基底，采用反复浸渍法在棉线表面负载钯催化剂，制备出棉线阳极和棉线阴极，实现流道与电极的一体化，进一步简化燃料电池的结构，促进整个系统的集成和小型化；反应液在棉线中流动的同时会在棉线表面催化剂的作用下发生反应，因此，棉线电极可以看作是可渗透电极，其可以增强电极处的传质。本发明结构简单，成本低，性价比高；可广泛应用在化工、能源、环保等领域。
附图说明
图1是本发明所述的一种具有棉线电极的直接甲酸盐微流体燃料电池的结构示意图。
图2是本发明所述的一种具有棉线电极的直接甲酸盐微流体燃料电池分解示意图。
图3是本发明所述的一种具有棉线电极的直接甲酸盐微流体燃料电池未包括封口膜的结构示意图。
图4是图3的俯视图。
图5是本发明所述的一种具有棉线电极的直接甲酸盐微流体燃料电池性能图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施实例对本发明的技术方案进行进一步详细的说明。但应该指出，本发明的实施不限于以下的实施方式。
参见图1至图4，一种具有棉线电极的直接甲酸盐微流体燃料电池，包括采用聚甲基丙烯酸甲酯PMMA制作的底板1、集电器2a、2b、棉线阳极3、棉线阴极4、隔离液棉线流道5以及封口膜6；阳极集电器2a和阴极集电器2b按左、右对称布置在底板1上，阳极集电器2a和阴极集电器2b之间留有间隙，该间隙内放置隔离液棉线流道5；所述隔离液棉线流道5的左、右侧分别放置棉线阳极3和棉线阴极4；且棉线阳极3与阳极集电器2a重叠，棉线阴极4与阴极集电器2b重叠；棉线阳极3、棉线阴极4和隔离液棉线流道5均采用多条亲水性棉线制成，其中棉线阳极3和棉线阴极4上通过反复浸渍法制备有钯催化剂；钯催化剂由碳黑、钯催化剂纳米颗粒和Nafion构成。为了减少实验过程中的工作量，棉线阴极4上钯的载量与棉线阳极3上钯的载量相同。
所述棉线阳极3和棉线阴极4分别作为阳极液和阴极液的流动通道，燃料和氧化剂分别从棉线阳极3和棉线阴极4上流过；隔离液棉线流道5上注入有隔离液；封口膜6覆盖在棉线阳极3、棉线阴极4和隔离液棉线流道5上。
阳极液采用甲酸钠与氢氧化钾的混合溶液，阴极液采用过氧化氢与硫酸的混合溶液，隔离液采用Na2SO4溶液。
在具体实施例中，从亲水性医用棉纱布上抽取10根棉线，采用反复浸渍法在上述10根棉线上负载钯催化剂，制备出长度为1cm的棉线阳极3和棉线阴极4。棉线阴极4上与棉线阳极3钯的载量为1mg cm-1。用双面胶将两片尺寸为25mm×10mm的碳纸对称粘贴在PMMA底板1上作为集电器2a、2b。阳极集电器2a和阴极集电器2b之间留有间隙4mm，该间隙内放置隔离液棉线流道5，该隔离液棉线流道5将由20根不负载催化剂的棉线构成，将制备好的棉线阳极3和棉线阴极4分别布置在阳极集电器2a和阴极集电器2b上，即位于隔离液棉线流道5的左、右侧，并保证电极和集电器紧密接触，控制电极宽度为1mm，棉线阳极3和棉线阴极4作为阳极液和阴极液的流动通道。为了减轻燃料和氧化剂的渗透，在隔离液棉线流道5中通入1M Na2SO4溶液作为隔离液。燃料和氧化剂分别从棉线阳极3和棉线阴极4上流过，同时发生电化学反应产生电流。
在具体实施例中，阳极液采用甲酸钠与氢氧化钾的混合溶液4M HCOONa+2M KOH，阴极液采用过氧化氢与硫酸的混合溶液0.5M H2O2+1M H2SO4，中间隔离液采用1M Na2SO4溶液。燃料、氧化剂和隔离液在棉线毛细力辅以重力的作用下分别流过棉线阳极、棉线阴极和中间流道，并形成稳定持续的流动，其中隔离液有效地减轻了燃料和氧化剂的相互渗透。可以通过改变棉线阳极3、棉线阴极4、中间棉线流道5的根数和进出口高度差来改变流体流量。
本发明所述棉线阳极3催化层上的钯催化剂在碱性条件下对甲酸根离子进行电催化氧化，产生碳酸根离子、电子以及水。电子通过外电路经负载到达棉线阴极4，产生电能。本发明所述棉线阴极4催化层上的钯催化剂在酸性条件下还原过氧化氢并且结合电子生成水。通过棉线的毛细力作用和重力结合使阳极液和阴极液在棉线中流动的同时会在棉线电极表面催化剂的作用下发生反应，反应产物顺着棉线流道排出，实现了微流体燃料电池的完全被动式运行。
参见图5，图5表示阳极液采用4M HCOONa+2M KOH，阴极液采用0.5M H2O2+1MH2SO4，中间隔离液采用1M Na2SO4溶液时，阳极液流量为0.31mL/h和阴极液流量为0.67mL/h时，得到最大电流密度和最高功率密度分别为74.56mA/cm2和24.75mW/cm2。
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 (3)

1.一种具有棉线电极的直接甲酸盐微流体燃料电池，包括底板(1)、集电器(2a、2b)、棉线阳极(3)、棉线阴极(4)、隔离液棉线流道(5)以及封口膜(6)；其特征在于：阳极集电器(2a)和阴极集电器(2b)按左、右对称布置在底板(1)上，阳极集电器(2a)和阴极集电器(2b)之间留有间隙，该间隙内放置隔离液棉线流道(5)；所述隔离液棉线流道(5)的左、右侧分别放置棉线阳极(3)和棉线阴极(4)；且棉线阳极(3)与阳极集电器(2a)重叠，棉线阴极(4)与阴极集电器(2b)重叠；棉线阳极(3)、棉线阴极(4)和隔离液棉线流道(5)均采用多条亲水性棉线制成，其中棉线阳极(3)和棉线阴极(4)上通过反复浸渍法制备有钯催化剂；
所述棉线阳极(3)和棉线阴极(4)分别作为阳极液和阴极液的流动通道，燃料和氧化剂分别从棉线阳极(3)和棉线阴极(4)上流过；隔离液棉线流道(5)上注入有隔离液；封口膜(6)覆盖在棉线阳极(3)、棉线阴极(4)和隔离液棉线流道(5)上。
2.根据权利要求1所述的一种具有棉线电极的直接甲酸盐微流体燃料电池，其特征在于：钯催化剂由碳黑、钯催化剂纳米颗粒和Nafion构成。
3.根据权利要求1所述的一种具有棉线电极的直接甲酸盐微流体燃料电池，其特征在于：阳极液采用甲酸钠与氢氧化钾的混合溶液，阴极液采用过氧化氢与硫酸的混合溶液，隔离液采用Na2SO4溶液。
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