CN111916809A - 自吸式纸基微流体燃料电池堆 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种自吸式纸基微流体燃料电池堆，包括：上盖板和下盖板；设置在上盖板和下盖板之间的主体，主体包括：多个竖直堆叠的燃料电池单体；集流器，设置在上盖板和主体之间。本发明通过燃料电池单体的竖直紧密堆叠，基于毛细流动实现了多个燃料电池单体阳极液和阴极液的同时自动进液，解决了微流体燃料电池堆中阳极液和阴极液进液时复杂的流体分配问题，减小了微流体燃料电池堆的体积，并摆脱了微流体燃料电池堆进液时对外泵的依赖，且燃料电池单体中双阳极与双阴极的设置，既促进了反应液的充分利用，又可通过气体扩散层的直接接触实现燃料电池单体间的电连接，减少系统复杂度。

Description

自吸式纸基微流体燃料电池堆
技术领域
本发明涉及燃料电池技术领域，具体涉及一种自吸式纸基微流体燃料电池堆。
背景技术
随着便携式电子设备的不断发展，对于微型电源的需求越来越大。微流体燃料电池作为一种无须质子交换膜的新型微型电源，具有良好的应用前景。然而由于自身尺寸的限制，微流体燃料电池单体的放电性能较低，无法满足实际需求，发展微流体燃料电池堆势在必行。
然而，相关技术中，微流体燃料电池堆普遍需要外泵来保持反应液的稳定层流以及复杂的流体分配网络来实现燃料电池单体间流体的均匀分配，系统能量效率较低，体积较大。
发明内容
本发明为解决上述技术问题，提供了一种自吸式纸基微流体燃料电池堆，本发明通过纸基燃料电池单体的竖直紧密堆叠，基于毛细流动实现了多个燃料电池单体阳极液和阴极液的同时自动进液，解决了微流体燃料电池堆中阳极液和阴极液进液时复杂的流体分配问题，减小了微流体燃料电池堆的体积，并摆脱了微流体燃料电池堆进液时对外泵的依赖，多个燃料电池单体同时进行毛细流动所产生的协同作用，加大了反应液在Y型纸基流道中的流速，有效增强了微流体燃料电池堆的放电性能，且燃料电池单体中双阳极与双阴极的设置，既促进了反应液的充分利用，又可通过气体扩散层的直接接触实现燃料电池单体间的电连接，无需在每个燃料电池单体中添加集流器，减少系统复杂度。
本发明采用的技术方案如下：
本发明提出了一种自吸式纸基微流体燃料电池堆，包括：上盖板和下盖板；设置在所述上盖板和所述下盖板之间的主体，所述主体包括：多个竖直堆叠的燃料电池单体，其中，每个所述燃料电池单体包括：一个Y型纸基流道和四个矩形电极，所述Y型纸基流道包括：主流道、第一分流道、第二分流道，所述第一分流道的第一入口插入盛有阳极液的培养皿中，所述第二分流道的第二入口插入盛有阴极液的培养皿中，所述主流道的出口插入吸收盘中，所述阳极液和所述阴极液在毛细作用下分别自发进入所述第一分流道和第二分流道，交汇流入所述主流道，并通过所述主流道的出口流入吸收盘；所述矩形电极由气体扩散层和催化剂层构成，所述催化剂层与所述Y型纸基流道直接接触，所述燃料电池单体之间通过气体扩散层直接接触实现电连接，所述矩形电极包括两个阳极矩形电极和两个阴极矩形电极，所述阳极矩形电极分别位于所述第一分流道侧且距离所述第一分流道和所述第二分流道的交汇处1.5cm的上下方，所述阴极矩形电极分别位于所述第二分流道侧且距离所述第一分流道和所述第二分流道的交汇处1.5cm的上下方，所述阳极与所述阴极间隔为2mm；集流器，所述集流器设置在所述上盖板和所述主体之间，所述集流器包括一个阳极集流器和一个阴极集流器，所述阳极集流器与所述主体中最上方的燃料电池单体的阳极矩形电极直接接触，所述阴极集流器与所述主体中最上方的燃料电池单体的阴极矩形电极直接接触；所述上盖板和所述下盖板为矩形，所述上盖板和所述下盖板的第一侧边缘位于Y所述第一分流道和所述第二分流道的交汇处，第二侧边缘位于所述主流道的出口的上游，第三侧边缘和第四侧边缘露出集流器，且所述上盖板和所述下盖板在所述主流道上游的左右两边对称分布有两个通孔，所述通孔内安装有螺栓螺母以固定微流体燃料电池堆。
本发明上述提出的自吸式纸基微流体燃料电池堆，还具有如下附加技术特征：
根据本发明的一个实施例，Y型纸基流道为纤维素层析滤纸。
根据本发明的一个实施例，所述主流道宽度为1.4cm-1.6cm。
根据本发明的一个实施例，所述第一分流道、所述第二分流道的夹角为90°-135°。
根据本发明的一个实施例，所述矩形电极的气体扩散层为多孔碳纸，所述催化剂层为铂或钯等金属催化剂。
根据本发明的一个实施例，所述集流器材料为铜箔。
根据本发明的一个实施例，所述上盖板和所述下盖板的材料为聚甲基丙烯酸甲酯。
发明的有益效果：
本发明通过纸基燃料电池单体的竖直紧密堆叠，基于毛细流动实现了多个燃料电池单体阳极液和阴极液的同时自动进液，解决了微流体燃料电池堆中阳极液和阴极液进液时复杂的流体分配问题，减小了微流体燃料电池堆的体积，并摆脱了微流体燃料电池堆进液时对外泵的依赖，且多个燃料电池单体同时进行毛细流动所产生的协同作用，加大了反应液在Y型纸基流道中的流速，有效增强了微流体燃料电池堆的放电性能，且燃料电池单体中双阳极与双阴极的设置，既促进了反应液的充分利用，又可通过气体扩散层的直接接触实现燃料电池单体间的电连接，无需在每个燃料电池单体中添加集流器，减少系统复杂度。
附图说明
图1是根据本发明一个实施例的自吸式纸基微流体燃料电池堆的爆炸图；
图2为本发明一个实施例的自吸式纸基微流体燃料电池堆的俯视结构示意图；
图3是根据本发明一个实施例的自吸式纸基微流体燃料电池堆的纵向截面示意图；
图4是根据本发明一个实施例的燃料电池单体之间接触方式的纵向截面示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
下面是结合附图来描述本发明实施例提出的自吸式纸基微流体燃料电池堆。
参见图1-4，自吸式纸基微流体燃料电池堆包括：上盖板1、下盖板2、主体3、集流器4。其中，主体3设置在上盖板1和下盖板2之间，主体3包括：
多个竖直堆叠的燃料电池单体301(图中以3个为例)，每个燃料电池单体301包括：一个Y型纸基流道3011和四个矩形电极3012，Y型纸基流道包括：主流道L1、第一分流道L2、第二分流道L3，第一分流道L2的第一入口插入盛有阳极液的培养皿中，第二分流道L3的第二入口插入盛有阴极液的培养皿中，主流道L1的出口插入吸收盘中，阳极液和阴极液在毛细作用下分别自发进入第一分流道L2和第二分流道L3，交汇流入主流道L1，并通过主流道L1的出口流入吸收盘。
矩形电极3012由气体扩散层3012a和催化剂层3012b构成，催化剂层3012b与Y型纸基流道3011直接接触，燃料电池单体301之间通过气体扩散层3012a直接接触实现电连接，矩形电极3012包括两个阳极矩形电极和两个阴极矩形电极，阳极矩形电极分别位于第一分流道侧L2且距离第一分流道和第二分流道的交汇处O的1.5cm的上下方，使得阳极液在与阳极接触发生电化学反应之前能够形成稳定的层流的同时又避免阳极液扩散到阴极而导致寄生电流的产生；类似的，阴极矩形电极分别位于第二分流道侧Y3且距离第一分流道Y2和第二分流道Y3的交汇处O的1.5cm的上下方，使得阴极液在与阴极接触发生电化学反应之前能够形成稳定的层流的同时又避免阴极液扩散到阳极而导致寄生电流的产生；阳极与阴极间隔为2mm，在降低燃料电池单体内部欧姆损失的同时避免寄生电流的产生。也就是说，阳极矩形电极分别位于阳极液侧的上下方，阴极矩形电极分别位于阴极液侧的上下方。
集流器4设置在上盖板1和主体3之间，集流器4包括一个阳极集流器41和一个阴极集流器42，阳极集流器41与主体3中最上方的燃料电池单体的阳极矩形电极直接接触，阴极集流器42与主体3中最上方的燃料电池单体的阴极矩形电极直接接触。
上盖板1和下盖板2为矩形，上盖板1和下盖板2的第一侧边缘位于第一分流道L2和第二分流道L3的交汇处O，第二侧边缘位于主流道L1的出口的上游，第三侧边缘和第四侧边缘露出集流器4，且上盖板1和下盖板2在主流道L1上游的左右两边对称分布有两个通孔11，通孔11内安装有螺栓螺母以固定微流体燃料电池堆。
在本发明的一个具体示例中，Y型纸基流道3011可以为纤维素层析滤纸(厚度可以为0.26mm)，宽度为1.4cm-1.6cm，以避免流道过宽导致流道内层流不稳且欧姆损失过大，优选为1.5cm；第一分流道、第二分流道的夹角(即Y型流道夹角)可以为90°-135°，以控制流道内流速在合理的范围，优选为100°。
矩形电极3012的气体扩散层3012a可以为多孔碳纸，具体为载有5mg cm2Pt(铂)的多孔碳纸(厚度可以为0.21mm)，大小为1cm*1cm。催化剂层为Pt(铂)或Pd(钯)等金属催化剂。多孔碳纸良好的导电性可为燃料电池单体提供良好的电连接，降低燃料电池堆内的欧姆损失；碳纸的多孔结构可促进反应产物，尤其各种气体，及时排出系统，促进电化学反应的进行。
集流器4的材料可以为铜箔，铜箔材质薄且柔软，可与多孔碳纸之间形成良好的电连接；上盖板1和下盖板的材料为聚甲基丙烯酸甲酯，该材料坚固且材质较轻，且与大多数反应液之间都不会发生反应。
阳极液为甲酸钾与氢氧化钾的混合溶液，甲酸钾浓度为5M，氢氧化钾浓度为2M；阴极液为双氧水与氯化钾的混合溶液，双氧水浓度为9.8M，氯化钾浓度为2M。
经测试发现，当有两个和三个燃料电池单体堆叠时，采用本发明的自吸式纸基微流体燃料电池堆的最大放电功率可分别达燃料电池单体最大放电功率的5.8倍和10.6倍。
本发明通过纸基燃料电池单体的竖直紧密堆叠，基于毛细流动实现了多个燃料电池单体阳极液和阴极液的同时自动进液，解决了微流体燃料电池堆中阳极液和阴极液进液时复杂的流体分配问题，减小了微流体燃料电池堆的体积，并摆脱了微流体燃料电池堆进液时对外泵的依赖，多个燃料电池单体同时进行毛细流动所产生的协同作用，加大了反应液在Y型纸基流道中的流速，有效增强了微流体燃料电池堆的放电性能，且燃料电池单体中双阳极与双阴极的设置，既促进了反应液的充分利用，又可通过气体扩散层的直接接触实现燃料电池单体间的电连接，无需在每个燃料电池单体中添加集流器，减少系统复杂度。
在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必针对相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神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，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (7)

1.一种自吸式纸基微流体燃料电池堆，其特征在于，包括：
上盖板和下盖板；
设置在所述上盖板和所述下盖板之间的主体，所述主体包括：多个竖直堆叠的燃料电池单体，其中，每个所述燃料电池单体包括：一个Y型纸基流道和四个矩形电极，所述Y型纸基流道包括：主流道、第一分流道、第二分流道，所述第一分流道的第一入口插入盛有阳极液的培养皿中，所述第二分流道的第二入口插入盛有阴极液的培养皿中，所述主流道的出口插入吸收盘中，所述阳极液和所述阴极液在毛细作用下分别自发进入所述第一分流道和第二分流道，交汇流入所述主流道，并通过所述主流道的出口流入吸收盘；所述矩形电极由气体扩散层和催化剂层构成，所述催化剂层与所述Y型纸基流道直接接触，所述燃料电池单体之间通过气体扩散层直接接触实现电连接，所述矩形电极包括两个阳极矩形电极和两个阴极矩形电极，所述阳极矩形电极分别位于所述第一分流道侧且距离所述第一分流道和所述第二分流道的交汇处1.5cm的上下方，所述阴极矩形电极分别位于所述第二分流道侧且距离所述第一分流道和所述第二分流道的交汇处1.5cm的上下方，所述阳极与所述阴极间隔为2mm；
集流器，所述集流器设置在所述上盖板和所述主体之间，所述集流器包括一个阳极集流器和一个阴极集流器，所述阳极集流器与所述主体中最上方的燃料电池单体的阳极矩形电极直接接触，所述阴极集流器与所述主体中最上方的燃料电池单体的阴极矩形电极直接接触；
所述上盖板和所述下盖板为矩形，所述上盖板和所述下盖板的第一侧边缘位于所述第一分流道和所述第二分流道的交汇处，第二侧边缘位于所述主流道的出口的上游，第三侧边缘和第四侧边缘露出集流器，且所述上盖板和所述下盖板在所述主流道上游的左右两边对称分布有两个通孔，所述通孔内安装有螺栓螺母以固定微流体燃料电池堆。
2.根据权利要求1所述的自吸式纸基微流体燃料电池堆，其特征在于，所述Y型纸基流道为纤维素层析滤纸。
3.根据权利要求1所述的自吸式纸基微流体燃料电池堆，其特征在于，所述主流道宽度为1.4cm-1.6cm。
4.根据权利要求1所述的自吸式纸基微流体燃料电池堆，其特征在于，所述第一分流道、所述第二分流道的夹角为90°-135°。
5.根据权利要求1所述的自吸式纸基微流体燃料电池堆，其特征在于，所述矩形电极的气体扩散层为多孔碳纸，所述催化剂层为铂或钯金属催化剂。
6.根据权利要求1所述的自吸式纸基微流体燃料电池堆，其特征在于，
所述集流器材料为铜箔。
7.根据权利要求1所述的自吸式纸基微流体燃料电池堆，其特征在于，
所述上盖板和所述下盖板的材料为聚甲基丙烯酸甲酯。
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