CN110649299B - 一种具有分隔膜的微流体燃料电池 - Google Patents

一种具有分隔膜的微流体燃料电池 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种具有分隔膜的微流体燃料电池，包括上盖板、下盖板、阴极、阳极、入口板和出口板；其特征在于：所述阴极、阳极、入口板和出口板均放置在下盖板上，位于上盖板的下方；阳极与阴极按左、右相对设置，阴极与阳极之间留有间隙，该间隙作为供溶液流动的主流道；所述主流道内设置有分隔膜，所述分隔膜将主流道分隔为左、右二个流道；所述分隔膜为多孔滤纸或者为通过原位缩聚化学反应合成方法制备的尼龙膜；所述入口板和出口板分别设置在主流道的前、后侧；所述入口板上设置有二条入口通道，该二条入口通道的输出端分别与主流道的左、右二个流道相连，所述出口板上设置有二条出口通道；本发明可广泛应用在能源、等领域。

Description

一种具有分隔膜的微流体燃料电池
技术领域
本发明涉及燃料电池领域，具体涉及一种具有分隔膜的微流体燃料电池。
背景技术
随着科学技术的快速发展，各种高性能的移动电子设备不断涌现(如智能手机、微型传感器、便携式医疗设备等)，因此对微型电源提出了更高的要求：一方面，这些电子设备的性能不断增强，对电源输出功率、连续运行时间的要求越来越高；另一方面，电子设备日益趋于小型化、微型化并伴随着电池体积的不断减小。目前，这些电极设备多采用锂离子电池等电源。然而这些电源的能量密度较低，不能满足长期连续运行的要求，并且电池的输出功率也不会太高。而微型直接甲醇燃料电池又受到水管理困难、膜降解老化和燃料渗透等问题的限制。
近些年得益于微加工技术的发展，微流体器件得到了很大的发展。由于微流体存在粘性力大于惯性力、表面力大于体积力的特点，在微通道内可形成多股流体平行层流流动的现象，进而实现燃料/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，证明了利用平行层流取代质子交换膜的可行性。早期的微流体燃料电池多采用溶解氧作为氧化剂，使得电池的电流密度较低，生成的少量CO2能够完全溶解在流体中。近年来微流体燃料电池快速发展，电池性能进一步提升，在阳极由于电化学反应的进行会析出气泡。Kjeang等人构建的采用甲酸作燃料、过氧化氢作氧化剂的电池具有较高的性能，而研究中发现阳极CO2气泡和阴极O2气泡都会对电池性能产生严重影响。
目前微流体燃料电池存在的主要问题是阳极CO2气泡对电池性能的影响。随着电化学反应的持续进行，CO2气泡会不断地长大聚并，并充满整个微通道，在这个过程中气泡会对平行层流产生较大扰动甚至破坏，引起氧化剂和燃料对流混合，致使发生燃料或氧化剂渗透，在阴阳极产生寄生电流，造成电池性能急剧下降。因此，亟待减弱CO2气泡对平行层流的扰动，从而强化微流体燃料电池性能。
发明内容
本发明针对现有技术存在的不足，提出了一种具有分隔膜的微流体燃料电池。
本发明的技术方案是：一种具有分隔膜的微流体燃料电池，包括上盖板、下盖板、阴极、阳极、入口板和出口板；其特征在于：所述阴极、阳极、入口板和出口板均放置在下盖板上，位于上盖板的下方；阳极与阴极按左、右相对设置，阴极与阳极之间留有间隙，该间隙作为供溶液流动的主流道；所述主流道内设置有分隔膜，所述分隔膜将主流道分隔为左、右二个流道；所述分隔膜为多孔滤纸或者为通过原位缩聚化学反应合成方法制备的尼龙膜；所述入口板和出口板分别设置在主流道的前、后侧；所述入口板上设置有二条入口通道，该二条入口通道的输出端分别与主流道的左、右二个流道相连，所述出口板上设置有二条出口通道，该二条出口通道的输入端分别与主流道的左、右二个流道的后端相连。
本发明提出的一种具有分隔膜的微流体燃料电池，主流道内设置的分隔膜将阳极电化学反应产生的CO2气泡限制在阳极流道一侧，避免CO2气泡对平行层流的扰动甚至破坏而引起燃料或氧化剂渗透。所采用的分隔膜为多孔滤纸或者为通过原位化学反应合成方法得到的尼龙膜，成本低，制作简单。本发明以提高微流体电池性能为目的，采用分隔膜来减弱甚至消除两相流动对平行层流的扰动，进而减小燃料或氧化剂渗透产生的寄生电流，强化电池性能。从二条入口通道通入的燃料和氧化剂分别充满主流道左、右二个流道，并在主流道两侧的阴、阳极发生电化学反应产生电流。
根据本发明所述的一种具有分隔膜的微流体燃料电池的优选方案，通过原位化学反应合成方法制备的尼龙膜；具体为：将己二胺水溶液以及己二酰氯溶液溶解于有机溶剂后获得的溶液分别通过二条入口通道(8、9)进入主流道，并在主流道的内形成水油界面，溶液里的己二胺与己二酰氯分子扩散到水油界面处发生缩聚反应产生聚酰胺，持续反应后在主流道内形成一层多孔尼龙膜，该尼龙膜将主流道分隔为左、右二个流道；所述有机溶剂采用不溶于水，但能溶解己二酰氯的有机溶剂。
根据本发明所述的一种具有分隔膜的微流体燃料电池的优选方案，在上盖板的下端面和下盖板的上端面均开设有用于安装多孔滤纸的安装槽，所述多孔滤纸的上、下端嵌入安装槽内。
根据本发明所述的一种具有分隔膜的微流体燃料电池的优选方案，所述阴极和阳极的面向流道一侧制备有电化学催化剂。
根据本发明所述的一种具有分隔膜的微流体燃料电池的优选方案，所述阴极和阳极采用高纯石墨片作基体，并以电化学沉积方法将催化剂沉积于石墨片面向流道一侧的壁面，石墨片的其它部分作为集电体。
根据本发明所述的一种具有分隔膜的微流体燃料电池的优选方案，上盖板、下盖板、入口板和出口板均采用耐腐蚀的聚合物或玻璃材质制成。
本发明所述的一种具有分隔膜的微流体燃料电池的有益效果是：本发明以提高电池性能为目的，采用分隔膜来减弱甚至消除两相流动对平行层流的扰动，进而减小燃料或氧化剂渗透产生的寄生电流，强化电池性能；本发明提出在微流体燃料电池微通道中采用多孔滤纸或者原位化学反应合成的多孔尼龙膜，比质子交换膜或聚合物膜具有机械强度高、原位制备、孔隙可控、电池密封性好的优点，并且可调控滤纸或尼龙膜的形状来加快气泡排除，本发明可广泛应用在能源、环保等领域。
附图说明
图1是本发明所述的一种具有分隔膜的微流体燃料电池的结构示意图。
图2是图1的分解示意图。
图3是一种具有分隔膜的微流体燃料电池不含上盖板的结构示意图。
图4是实施例1的微流体燃料电池的功率密度曲线与无滤纸分隔主流道的微流体燃料电池的功率密度曲线对比图。
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。
实施例1，参见图1至图3，一种具有分隔膜的微流体燃料电池，包括上盖板1、下盖板3、阴极5、阳极2、入口板4和出口板6；其特征在于：所述阴极5、阳极2、入口板4和出口板6均放置在下盖板3上，位于上盖板1的下方；阳极2与阴极5按左、右相对设置，阴极5与阳极2之间留有间隙12，该间隙12作为供溶液流动的主流道；所述主流道内设置有分隔膜7，所述分隔膜7将主流道分隔为左、右二个流道；所述分隔膜7为具有亲水性的多孔滤纸；所述入口板4和出口板6分别设置在主流道的前、后侧；所述入口板4上设置有二条入口通道8、9，该二条入口通道8、9的输出端分别与主流道的左、右二个流道相连，所述出口板6上设置有二条出口通道10、11，该二条出口通道10、11的输入端分别与主流道的左、右二个流道的后端相连。
在具体实施例中，在上盖板1的下端面和下盖板3的上端面均开设有用于安装多孔滤纸的安装槽，所述多孔滤纸的上、下端嵌入安装槽内进行固定。
所述阴极5和阳极2的面向流道一侧制备有电化学催化剂。
具体可采用采用高纯石墨片作基体，并以电化学沉积方法将催化剂沉积于石墨片面向流道一侧的壁面，石墨片的其它部分作为集电体。
所述上盖板1、下盖板3、入口板4和出口板6均采用耐腐蚀的聚合物或玻璃材质制成。在上盖板1分别设置有燃料入口、氧化剂入口、燃料出口和氧化剂出口；燃料入口、氧化剂入口分别与入口通道8、9相通，燃料出口和氧化剂出口分别与出口通道10、11相通。
在具体实施中，燃料采用甲酸与硫酸的混合溶液，氧化剂采用过硫酸钠与硫酸的混合溶液。燃料和氧化剂同时在在注射泵的推动下稳定地充满流道并形成平行层流。
实施例2，与实施例1不同的是：所述分隔膜7为通过原位化学反应合成方法制备的尼龙膜。
具体为：将己二胺水溶液以及己二酰氯溶液溶解于有机溶剂后获得的溶液以60-100μL/min的流量分别注入到二条入口通道8、9，进入主流道，并在主流道的内形成水油界面，溶液里的己二胺与己二酰氯分子扩散到水油界面处发生缩聚反应产生聚酰胺，持续反应后在主流道内形成一层多孔尼龙膜，最后，先将乙醇注入到入口通道中对尼龙膜进行冲洗，再将去离子水溶液注入到入口通道中对尼龙膜进行冲洗，再将氮气注入到入口通道中对尼龙膜进行吹扫，完成尼龙膜制备。
该尼龙膜将主流道分隔为对称的左、右二个流道；所述有机溶剂采用不溶于水，但能溶解己二酰氯的有机溶剂。有机溶剂可采用二甲苯、苯、乙醚等。
在具体实施例中，配制的己二胺水溶液浓度为10-60mM。配制的己二酰氯溶解于有机溶剂后获得的溶液即己二酰氯的有机溶液浓度为30-50mM。
实施例3：运行实施例1制作的具有分隔膜的微流体燃料电池，所述阳极2氧化燃料产生电子并产生CO2气泡，所述阴极5还原氧化剂中的过硫酸根离子并且结合电子生成硫酸根离子。在阳极催化层上的Pd等催化剂对甲酸等燃料进行电催化氧化，产生二氧化碳、电子以及氢离子。电子通过外电路经负载到达阴极5，产生电能。反应一段时间后，阳极产生的二氧化碳析出形成CO2气泡，被分隔膜限制在阳极侧，最后气泡顺着流道排出。
参见图4，图4是实施例1的微流体燃料电池与无滤纸分隔主流道的微流体燃料电池的功率密度曲线图，图4说明利用亲水性的多孔滤纸对溶液流动的主流道进行分隔，本申请的微流体燃料电池的功率密度比无滤纸分隔主流道的微流体燃料电池的功率密度高35.33％，性能有明显地提升。并且多孔滤纸具有成本低，安装方便等优点。
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 (6)

1.一种具有分隔膜的微流体燃料电池，包括上盖板（1）、下盖板（3）、阴极（5）、阳极（2）、入口板（4）和出口板（6）；其特征在于：所述阴极（5）、阳极（2）、入口板（4）和出口板（6）均放置在下盖板（3）上，位于上盖板（1）的下方；阳极（2）与阴极（5）按左、右相对设置，阴极（5）与阳极（2）之间留有间隙（12），该间隙（12）作为供溶液流动的主流道；所述主流道内设置有分隔膜（7），所述分隔膜（7）将主流道分隔为左、右二个流道；所述分隔膜（7）为多孔滤纸或者为通过原位化学反应合成方法制备的尼龙膜；所述分隔膜将阳极电化学反应产生的CO2气泡限制在阳极流道一侧，避免CO2气泡对平行层流的扰动甚至破坏而引起燃料或氧化剂渗透；所述入口板（4）和出口板（6）分别设置在主流道的前、后侧；所述入口板（4）上设置有二条入口通道（8、9），该二条入口通道（8、9）的输出端分别与左、右二个流道相连，所述出口板（6）上设置有二条出口通道（10、11），该二条出口通道（10、11）的输入端分别与左、右二个流道的后端相连。
2.根据权利要求1所述的一种具有分隔膜的微流体燃料电池，其特征在于：通过原位化学反应合成方法制备的尼龙膜；具体为：将己二胺水溶液以及己二酰氯溶液溶解于有机溶剂后获得的溶液分别通过二条入口通道（8、9）进入主流道，并在主流道的内形成水油界面，溶液里的己二胺与己二酰氯分子扩散到水油界面处发生缩聚反应产生聚酰胺，持续反应后在主流道内形成一层多孔尼龙膜，该尼龙膜将主流道分隔为左、右二个流道；所述有机溶剂采用不溶于水，但能溶解己二酰氯的有机溶剂。
3.根据权利要求1所述的一种具有分隔膜的微流体燃料电池，其特征在于：在上盖板（1）的下端面和下盖板（3）的上端面均开设有用于安装多孔滤纸的安装槽，所述多孔滤纸的上、下端嵌入安装槽内。
4.根据权利要求1或2或3所述的一种具有分隔膜的微流体燃料电池，其特征在于：所述阴极（5）和阳极（2）的面向流道一侧制备有电化学催化剂。
5.根据权利要求4所述的一种具有分隔膜的微流体燃料电池，其特征在于：所述阴极（5）和阳极（2）采用石墨片作基体。
6.根据权利要求1或2或3所述的一种具有分隔膜的微流体燃料电池，其特征在于：上盖板（1）、下盖板（3）、入口板（4）和出口板（6）均采用耐腐蚀的聚合物或玻璃材质制成。
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