CN110808393A - 可拆卸及封装压力可调的水凝胶储供液型无膜燃料电池 - Google Patents

可拆卸及封装压力可调的水凝胶储供液型无膜燃料电池 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种可拆卸及封装压力可调的水凝胶储供液型无膜燃料电池，包括从上往下设置的阴极盖板、自呼吸阴极电极、阳极电极和阳极板；阴极盖板上设置有阴极空气呼吸孔，自呼吸阴极电极放置在阴极空气呼吸孔内；其特征在于：在自呼吸阴极电极与阳极电极之间设置有阴极水凝胶和阳极水凝胶；阴极水凝胶设置在自呼吸阴极电极一侧，阳极水凝胶设置在阳极电极一侧，阳极水凝胶与阳极电极的催化层接触构成阳极反应界面，所述阴极水凝胶与自呼吸阴极电极的催化层接触构成阴极反应界面；所述阳极水凝胶的外侧设置有压力调节器，压力调节器根据阳极水凝胶内燃料浓度的变化对所述阳极水凝胶施加压力；本发明可广泛应用在能源、化工、环保等领域。

Description

可拆卸及封装压力可调的水凝胶储供液型无膜燃料电池
技术领域
本发明涉及燃料电池领域，具体涉及一种可拆卸及封装压力可调的水凝胶储供液型无膜燃料电池。
背景技术
目前锂离子电池虽然已经广泛投入于实际商业应用，但是锂离子电池仍然存在负极锂枝晶生长，电池循环使用寿命短，能量密度低，无法持续运行等问题。燃料电池有着能量密度高，可连续运行等优点，只要不断供给燃料，燃料电池便可持续供能，因而具有广阔应用前景。目前，直接甲醇燃料电池(Micro direct methanol fuel cell)是微小型便携式电子设备(如笔记本电脑、微型摄像机、微小型电子设备等)的优选微型燃料电池型式，且甲醇性质较为稳定，在常温下为液态，便于储存和使用，同时反应生成物对环境无污染。但直接甲醇燃料电池采用质子交换膜作为电解质传导质子和分隔燃料/氧化剂，其本质上仍是质子交换膜燃料电池的一种，而质子交换膜存在的固有缺点(如成本高昂、水管理复杂，甲醇渗透、物理化学老化等问题)严重制约了微型燃料电池的发展。此外，在使用中，甲醇燃料一般存放在储液罐内，通过循环泵送入燃料电池阳极流道，而循环泵不仅需要消耗电能，降低电池净输出功率，同时还由于储液罐、运输通道等附加系统增加了电池结构的复杂性，不利于微型化和集成化，提高了整个电池的运行、维护和检修等工作成本。有研究人员提出了多种被动式燃料电池，如高置燃料罐是较为常见的一种方式，燃料通过重力驱动实现被动运输。但依靠重力驱动对燃料电池的运行条件造成了诸多限制，驱动力会随燃料消耗逐渐减小，燃料电池的放置位置和方向也会对驱动力造成影响，造成电池输出性能不稳。同时燃料罐的存在依旧会增加电池的体积。
近年来得益于微加工技术的发展，微流体燃料电池首次被美国哈佛大学Ferrigno等人首次提出。微流体燃料电池(Microfluidic fuel cells)又称为无膜燃料电池(Membraneless fuel cells)或层流流动燃料电池(Co-laminar flow based fuelcells)，它是基于流体在微尺度(1-1000μm)下具有的粘性力大于惯性力、表面力大于体积力、多股流体或两股流体可自然形成平行层流的特点，实现燃料和氧化剂的自然分隔，从而无需质子交换膜，完全消除了由膜引起的相关问题，有望成为下一代微型电子设备的供电电源。微流体燃料电池常用燃料一般有甲酸，甲醇等，常用氧化剂一般为溶解氧，过氧化氢，高锰酸钾等。这里以空气自呼吸阴极直接甲酸微流体燃料电池为例，阳极燃料/电解液和阴极电解液通过一定方式(通过注射泵主动运输或依靠重力被动运输)通入微通道中形成层流流动，燃料甲酸在阳极电极表面被氧化生成二氧化碳、质子和电子，二氧化碳随溶液排出，质子通过电解液传递到阴极，电子通过外电路到达阴极产生电流。氧气依次通过气体扩散层，微孔层到达阴极催化层结合质子和电子生成水。电池总反应为2HCOOH+O2→2CO2↑+2H2O，△E＝1.427V。然而，在电池内整个反应发生过程中，燃料和氧化剂层流流动仍需要泵维持，额外的泵功降低了电池的净输出功率。此外，在低流体流速下及在电池的下游中心区会发生燃料渗透现象，阳极燃料直接扩散至阴极发生反应，从而造成电池性能下降。燃料/电解液储液罐更增加了电池的整体体积，不利于电池微型化，且储液罐中液位变化所带来的流量变化无法调节。再者，电池内阴极电解液和阳极支持电解液一般为硫酸溶液，具有强酸性和腐蚀性，对于电池的密封及装配提出更高的技术要求。
发明内容
本发明针对现有技术存在的不足，提出了一种可拆卸及封装压力可调的水凝胶储供液型无膜燃料电池。
本发明的技术方案是：一种可拆卸及封装压力可调的水凝胶储供液型无膜燃料电池，包括从上往下设置的阴极盖板、自呼吸阴极电极、阳极电极和阳极板；阴极盖板上设置有阴极空气呼吸孔，自呼吸阴极电极放置在阴极空气呼吸孔内；阳极电极放置在阳极板上；所述自呼吸阴极电极和阳极电极均包括催化层；
其特征在于：
在自呼吸阴极电极与阳极电极之间设置有阴极水凝胶和阳极水凝胶；阴极水凝胶设置在自呼吸阴极电极一侧，阳极水凝胶设置在阳极电极一侧，所述阳极水凝胶与阳极电极的催化层接触构成阳极反应界面，所述阴极水凝胶与自呼吸阴极电极的催化层接触构成阴极反应界面。
所述阳极水凝胶由水凝胶浸没在一定浓度的燃料与电解液的混合溶液中直至水凝胶达到饱和而获得；所述阴极水凝胶由水凝胶浸没在一定浓度的电解液溶液中直至水凝胶达到饱和而获得。
所述阳极水凝胶的外侧设置有压力调节器，所述压力调节器根据阳极水凝胶内燃料浓度的变化对所述阳极水凝胶施加压力，以调节燃料的供给速率。
本发明将燃料和电解液充入水凝胶中，采用具有亲水性的水凝胶同时作为燃料/电解液的储液介质，充满电解液的水凝胶同时作为电池的固态电解质，去除了质子交换膜，进一步提高了电池的集成度，更有利于微型化，同时降低了电池成本。阳极和阴极分别布置在阳极水凝胶和阴极水凝胶两侧，采用空气自呼吸阴极消除阴极侧溶解氧传质限制，阳极侧水凝胶中的燃料通过扩散的方式到达电极表面发生氧化反应。电池整体均为固态，水凝胶良好的保水性避免了液体燃料/电解液的泄露问题。通过设置压力调节器，当阳极水凝胶中的燃料被消耗，燃料浓度降低导致电池电流密度下降时，可通过压力调节器增大对阳极水凝胶的压力，以维持燃料的供给速率。
根据本发明所述的可拆卸及封装压力可调的水凝胶储供液型无膜燃料电池的优选方案，所述水凝胶采用壳聚糖水凝胶或琼脂水凝胶。
根据本发明所述的可拆卸及封装压力可调的水凝胶储供液型无膜燃料电池的优选方案，所述阴极水凝胶和阳极水凝胶设置在水凝胶封装腔室内，所述压力调节器设置在水凝胶封装腔室的外侧，该水凝胶封装腔室为具有长方形通孔的长方体，由第一端板至第四端板构成，第一端板至第四端板的上端固定在阴极盖板上，第一端板至第四端板的下端固定在阳极板。
在所述水凝胶封装腔室的任一端板上设置通孔，所述压力调节器设置伸缩臂，所述伸缩臂穿过端板上的通孔，向阳极水凝胶施加压力。
根据本发明所述的可拆卸及封装压力可调的水凝胶储供液型无膜燃料电池的优选方案，所述自呼吸阴极电极由具有整平层的疏水多孔碳纸和Pt/C催化层组成。
所述阳极电极由具有亲水性多孔碳纸与Pd/C催化层或者石墨板与Pd/C催化层组成。
本发明所述的可拆卸及封装压力可调的水凝胶储供液型无膜燃料电池的有益效果是：
1)本发明无需质子交换膜，水凝胶可重复使用，有效减少了电池运行陈本。
2)水凝胶同时作为电池的燃料储液罐，电解液储液罐以及固态电解质，有利于实现电池的微型化、集成化。
3)双层水凝胶可有效减小燃料渗透问题，有利于提高电池性能。
4)电池整体均为固态，无液体泄漏问题，便于电池携带和装配。
5)采用空气作为氧化剂，无需其它氧化剂，有效降低了电池运行成本。电池反应生成物为二氧化碳和水，对环境无污染。
6)通过设置压力调节器，根据阳极水凝胶中的燃料被消耗情况分级施压，可实现电池性能的有效稳定维持及快速恢复。
本发明可广泛应用在能源、化工、环保等领域。
附图说明
图1是本发明实施例1所述的可拆卸及封装压力可调的水凝胶储供液型无膜燃料电池的结构示意图。
图2是图1的俯视图。
图3是图1的左视图。
图4是本发明实施例2所述的可拆卸及封装压力可调的水凝胶储供液型无膜燃料电池的结构示意图。
图5是图4的左视图。
具体实施方式
实施例1.参见图1至图3，一种可拆卸及封装压力可调的水凝胶储供液型无膜燃料电池，包括从上往下设置的阴极盖板1、自呼吸阴极电极3、阳极电极8和阳极板7；阴极盖板1上设置有阴极空气呼吸孔2，自呼吸阴极电极3放置在阴极空气呼吸孔2内；阳极电极8放置在阳极板7上；所述自呼吸阴极电极3和阳极电极8均包括催化层。
在自呼吸阴极电极3与阳极电极8之间设置有阴极水凝胶4和阳极水凝胶9；阴极水凝胶4设置在自呼吸阴极电极3一侧，阳极水凝胶9设置在阳极电极8一侧，所述阳极水凝胶9与阳极电极8的催化层接触构成阳极反应界面，所述阴极水凝胶4与自呼吸阴极电极3的催化层接触构成阴极反应界面。
所述阳极水凝胶9由水凝胶浸没在一定浓度的燃料与电解液的混合溶液中直至水凝胶达到饱和而获得；所述阴极水凝胶4由水凝胶浸没在一定浓度的电解液溶液中直至水凝胶达到饱和而获得。
所述阳极水凝胶9的外侧设置有压力调节器6，所述压力调节器6根据阳极水凝胶9内燃料浓度的变化，通过控制器10控制伸缩臂对所述阳极水凝胶9施加压力，以调节燃料的供给速率。
在具体实施时，所述阳极水凝胶9由水凝胶浸没在一定浓度的燃料与电解液的混合溶液中直至水凝胶达到饱和而获得；所述阴极水凝胶由水凝胶浸没在一定浓度的电解液溶液中直至水凝胶达到饱和而获得；所述水凝胶可采用壳聚糖水凝胶或琼脂水凝胶等。电解液可采用酸性电解液或者碱性电解液；酸性电解液可采用硫酸溶液等，碱性电解液可采用氢氧化钾溶液等，燃料可采用甲酸、甲醇、乙醇等液体燃料。具体实施时可将水凝胶浸没在0.5-1mol/L燃料与0.5-2mol/L电解液的混合溶液中直至水凝胶达到饱和获得阳极水凝胶；可将水凝胶浸没在0.5-2mol/L电解液溶液中直至水凝胶达到饱和而获得阴极水凝胶。
所述自呼吸阴极电极3由具有整平层的疏水性多孔碳纸，Pt/C催化层组成；所述阳极电极8由具有亲水性多孔碳纸与Pd/C催化层或者石墨板与Pd/C催化层组成。自呼吸阴极电极3可通过喷涂法将Pt/C催化剂浆料均匀喷涂在具有整平层的疏水碳纸表面。阳极电极8可将石墨板或者多孔碳纸通过阳极氧化法做亲水处理，使电极表面含有大量的亲水含氧基团，再通过喷涂法将Pd/C催化剂浆料均匀喷涂在亲水处理后的石墨板或多孔碳纸表面，并于常温下干燥。
所述阴极盖板、阳极板均采用有机玻璃板或其他耐腐蚀材料。
实施例2，参见图4和图5，与实施例1不同的是：
所述阴极水凝胶4和阳极水凝胶9设置在水凝胶封装腔室内，所述压力调节器6设置在水凝胶封装腔室的外侧，该水凝胶封装腔室为具有长方形通孔的长方体，由第一、第二、第三、第四端板5a、5b、5c、5d构成，第一、第二、第三、第四端板的上端固定在阴极盖板1上，第一、第二、第三、第四端板的下端固定在阳极板7。
在所述水凝胶封装腔室的任一端板上设置通孔，所述压力调节器6设置伸缩臂，所述伸缩臂穿过端板上的通孔，由控制器10控制伸缩臂向阳极水凝胶9施加压力。
水凝胶腔室采用有机玻璃板或其他耐腐蚀材料。
运行时，将负载通过导线与自呼吸阴极电极3和阳极电极8连接，阳极水凝胶9中的燃料通过扩散的方式向阳极电极8表面传输，在阳极催化层上发生氧化反应产生氢离子、电子及二氧化碳。氢离子通过电迁移方式依次通过阳极水凝胶层、阴、阳极水凝胶交界面、阴极水凝胶层到达自呼吸阴极电极3；电子经负载到达自呼吸阴极电极3。空气中的氧气通过疏水多孔碳纸传输至Pd/C催化层，结合氢离子和电子发生还原反应生成水。
以甲酸为燃料为例，电池内发生的反应如下，
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
当阳极水凝胶中的燃料被消耗，燃料浓度降低导致电池电流密度下降时，可通过压力调节器增大对阳极水凝胶的压力，以维持燃料的供给速率。压力调节器提供的压力与电流密度下降值呈函数对应关系，例如，当电流密度下降到初始值的80％时，将压力调节器从初始档位调至一个档，当电流密度下降到初始值的60％时，将压力调节器从初始档位调至第二档，当电流密度下降到初始值的40％时，将压力调节器从初始档位调至第三档，以确保电池性能的稳定性。当燃料浓度低于初始浓度的20％时，调节压力已无法满足电池正常运行条件时，需重新对阳极水凝胶进行燃料补液。将压力调节器恢复到初始值，打开水凝胶腔室，将阳极水凝胶从腔室取出浸没在燃料溶液中补充燃料，将重新充满燃料或直接购置的已充满燃料阳极水凝胶放置于水凝胶腔室电池即可再次运行。
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)

1.一种可拆卸及封装压力可调的水凝胶储供液型无膜燃料电池，包括从上往下设置的阴极盖板(1)、自呼吸阴极电极(3)、阳极电极(8)和阳极板(7)；阴极盖板(1)上设置有阴极空气呼吸孔(2)，自呼吸阴极电极(3)放置在阴极空气呼吸孔(2)内；阳极电极(8)放置在阳极板(7)上；所述自呼吸阴极电极(3)和阳极电极(8)均包括催化层；
其特征在于：
在自呼吸阴极电极(3)与阳极电极(8)之间设置有阴极水凝胶(4)和阳极水凝胶(9)；阴极水凝胶(4)设置在自呼吸阴极电极(3)一侧，阳极水凝胶(9)设置在阳极电极(8)一侧，所述阳极水凝胶(9)与阳极电极(8)的催化层接触构成阳极反应界面，所述阴极水凝胶(4)与自呼吸阴极电极(3)的催化层接触构成阴极反应界面；
所述阳极水凝胶(9)由水凝胶浸没在一定浓度的燃料与电解液的混合溶液中直至水凝胶达到饱和而获得；所述阴极水凝胶(4)由水凝胶浸没在一定浓度的电解液溶液中直至水凝胶达到饱和而获得；
所述阳极水凝胶(9)的外侧设置有压力调节器(6)，所述压力调节器(6)根据阳极水凝胶(9)内燃料浓度的变化对所述阳极水凝胶(9)施加压力，以调节燃料的供给速率。
2.根据权利要求1所述的可拆卸及封装压力可调的水凝胶储供液型无膜燃料电池，其特征在于：所述水凝胶采用壳聚糖水凝胶或琼脂水凝胶。
3.根据权利要求1所述的可拆卸及封装压力可调的水凝胶储供液型无膜燃料电池，其特征在于：所述阴极水凝胶(4)和阳极水凝胶(9)设置在水凝胶封装腔室内，所述压力调节器(6)设置在水凝胶封装腔室的外侧，该水凝胶封装腔室为具有长方形通孔的长方体，由第一端板(5a)至第四端板(5d)构成，第一端板(5a)至第四端板(5d)的上端固定在阴极盖板(1)上，第一端板(5a)至第四端板(5d)的下端固定在阳极板(7)；
在所述水凝胶封装腔室的任一端板上设置通孔，所述压力调节器(6)设置伸缩臂，所述伸缩臂穿过端板上的通孔，向阳极水凝胶(9)施加压力。
4.根据权利要求1或2或3所述的可拆卸及封装压力可调的水凝胶储供液型无膜燃料电池，其特征在于：
所述自呼吸阴极电极(3)由具有整平层的疏水多孔碳纸和Pt/C催化层组成；
所述阳极电极(8)由具有亲水性多孔碳纸与Pd/C催化层或者石墨板与Pd/C催化层组成。
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