CN111952622B - 一种单流道穿流型叠式电极微流体燃料电池 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种单流道穿流型叠式电极微流体燃料电池，包括阴极盖板、自呼吸阴极、不导电的多孔隔膜、流场板、可渗透多孔阳极和底板；其特征在于：流场板设置在阴极盖板与底板之间，流场板上设置有供燃料流动的主流道；阴极盖板上设置有阴极空气呼吸口；自呼吸阴极和可渗透多孔阳极上下堆叠放置在阴极盖板与流场板之间，自呼吸阴极与可渗透多孔阳极之间采用不导电的多孔隔膜分隔；自呼吸阴极位于阴极呼吸孔下方,可渗透多孔阳极嵌入主流道中，与碳质自呼吸阴极对应；燃料溶液以扩散的方式穿过不导电的多孔隔膜到达自呼吸阴极；本发明可广泛应用于能源，化工，生化检测等领域。
Description
技术领域
本发明涉及微流体燃料电池，具体涉及一种单流道穿流型叠式电极微流体燃料电池。
背景技术
近年来，微小型燃料电池作为便携式电子设备的电源受到广泛关注，然而传统的微型质子交换膜燃料电池电池面临着如水管理、膜降解老化以及燃料渗透等一系列问题。得益于微加工技术的发展，提出无膜微流体燃料电池。无膜微流体燃料电池利用流体在微通道内的层流流动来自然分隔燃料和氧化剂，去除了质子交换膜，消除了膜引起的一系列相关问题，有利于实现燃料电池的微型化和集成化。另外，微流体燃料电池在燃料和氧化剂的选择上也更加灵活，可以实现在多种反应体系下运行。
目前大多数无膜微流体燃料电池，采用阴阳极面对面布置的方式，在电池运行过程中，平行层流的燃料和氧化剂(电解液)会发生相互扩散，在两股流体中间形成扩散混合区域，该扩散混合区域的宽度和流道尺寸，流体的扩散系数以及流速有关。以空气自呼吸阴极微流体燃料电池，甲酸作为燃料为例。当燃料浓度过高以及流速过低时，甲酸根会扩散到阴极，在阴极发生氧化反应产生混合电位和寄生电流，降低电池性能。因此在基于甲酸为燃料的微流体燃料电池中，运行浓度较低通常为1～4M，由于其不能够在较高浓度下运行，进一步限制了电池性能的提升。此外，国内外学者提出多种方法包括通过调控流量、改变电极(电池)结构以及布置等方式来减小燃料渗透对电池性能造成的影响，如Bazylak等人提出具有锥形电极的微流体燃料电池，利用锥形电极适应扩散区域宽度的增加，这种锥形区域会增大阴阳极的间距，造成欧姆内阻的增加，并且很难精确控制锥形区域的宽度。Park等人提出了H形横截面的微通道，燃料和氧化剂之间都采用狭窄的通道连接以最大程度的减小扩散混合，这种结构同样会减小质子(氢氧根)的传输通道，造成较大的欧姆内阻，且H形横截面的微通道制备工艺复杂。Sun等人提出在燃料/氧化剂之间加入第三股流体来避免燃料和氧化剂的直接接触，减小燃料渗透，该方式会增加电池运行系统的复杂性，并且会造成电解液浪费。综上所述，目前无膜微流体燃料电池受燃料渗透的影响，不能实现燃料在高浓度下运行，并且减小燃料渗透的方式都较为复杂并且会带来负面效应。当燃料和氧化剂(电解液)从不同入口进入微通道形成平行层流的传统无膜微流体燃料电池运行方式始终不能完全避免燃料渗透，并且两个入口的电池结构也会使得电池结构变得复杂以及消耗更多的泵功，不利于电池的高度集成，从而不能实现电池高性能的输出以及难以推动无膜微流体燃料电池的商业化应用。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供一种单流道穿流型叠式电极微流体燃料电池。
本发明的技术方案是：一种单流道穿流型叠式电极微流体燃料电池，包括阴极盖板、自呼吸阴极、不导电的多孔隔膜、流场板、可渗透多孔阳极和底板；其特征在于：流场板设置在阴极盖板与底板之间，流场板上设置有供燃料流动的主流道；阴极盖板上设置有阴极空气呼吸口；自呼吸阴极和可渗透多孔阳极上下堆叠放置在阴极盖板与流场板之间，自呼吸阴极与可渗透多孔阳极之间采用不导电的多孔隔膜分隔；自呼吸阴极位于阴极呼吸孔下方,可渗透多孔阳极嵌入主流道中，与自呼吸阴极对应；所述自呼吸阴极的催化层具有只对氧还原具有催化性，而对燃料氧化不具有催化性；燃料溶液经过燃料入口进入主流道中，并流经可渗透多孔阳极，以扩散的方式穿过不导电的多孔隔膜到达自呼吸阴极，最后从流道出口排出；燃料入口设置在阴极盖板或者流场板上，并与主流道相通；溶液出口设置在流场板或者底板上，并与主流道相通。
本发明利用催化剂的选择性催化特性，只对氧还原具有催化性，而对燃料氧化不具有催化性，从而完全消除燃料渗透对电池性能造成影响。本发明采用阴阳极堆叠布置的方式，中间采用不导电的多孔隔膜分隔，最大限度的缩短阴阳极间距，从而强化质子的传输，减小电池内阻。采用单流道供液方式不仅完全避免了燃料渗透对电池性能的影响，而且可以简化电池结构,只需单股混合电解液的燃料溶液进行供液就可以实现电池的稳定运行，这种电池结构有利于电池的高度集成，节约电池的运行成本，进一步推动无膜微流体电池实际应用于便携式电子设备。
根据本发明所述的一种单流道穿流型叠式电极微流体燃料电池的优选方案，所述可渗透多孔电极由亲水多孔导电基底，通过沉积催化剂制备而成。
根据本发明所述的一种单流道穿流型叠式电极微流体燃料电池的优选方案，所述自呼吸阴极由疏水性多孔导电基底、非贵金属氧还原催化层构成。
本发明所述的一种单流道穿流型叠式电极微流体燃料电池的有益效果是:
1)本发明利用催化剂的选择性催化特性，只对氧还原具有催化性，而对燃料氧化不具有催化性，从而完全消除燃料渗透对电池性能造成影响。
2)本发明采用阴阳极上下堆叠布置的方式，中间采用不导电的多孔隔膜分隔，最大限度的缩短阴阳极间距，从而强化质子的传输，减小电池内阻。
3)本发明只需单股混合电解液的燃料溶液，实现单流道供液方式，可以简化电池结构。
4)本发明可以实现电池在较低流量下实现电池的稳定运行，因此可以获得高燃料利用率。
5)本发明采用非贵金属氧还原阴极催化剂代替传统铂基阴极催化剂，可极大的降低电池的成本。
本发明可广泛应用于能源，化工，生化检测等领域。
附图说明
图1是本发明所述的一种单流道穿流型叠式电极微流体燃料电池的结构示意图。
图2是本发明所述的一种单流道穿流型叠式电极微流体燃料电池的主视图。
图3是本发明所述的一种单流道穿流型叠式电极微流体燃料电池的俯视图
图4是本发明所述的一种单流道穿流型叠式电极微流体燃料电池性能图。
具体实施方式
参见图1至图4，一种单流道穿流型叠式电极微流体燃料电池，包括阴极盖板1、自呼吸阴极4、不导电的多孔隔膜5、流场板6、可渗透多孔阳极7和底板9；流场板6设置在阴极盖板1与底板9之间，流场板6上设置有供燃料流动的主流道8；阴极盖板1上设置有阴极空气呼吸口3；自呼吸阴极4和可渗透多孔阳极7上下堆叠放置在阴极盖板1与流场板6之间，自呼吸阴极4与可渗透多孔阳极7之间采用不导电的多孔隔膜5分隔；自呼吸阴极4位于阴极呼吸孔3下方,可渗透多孔阳极7嵌入主流道8中，与碳质自呼吸阴极4对应；所述自呼吸阴极的催化层具有只对氧还原具有催化性，而对燃料氧化不具有催化性；燃料溶液经过燃料入口2进入主流道8中，并流经可渗透多孔阳极7，以扩散的方式穿过不导电的多孔隔膜5到达自呼吸阴极4，最后从溶液出口10排出；燃料入口2设置在阴极盖板1或者流场板6上，并与主流道8相通；溶液出口10设置在流场板6或者底板9上，并与主流道8相通。
本发明的工作原理是：燃料溶液经过燃料入口2进入主流道8，当燃料流经可渗透多孔阳极7达到阳极催化剂反应活性位点，发生氧化反应，产生电子和氢离子，氢离子以扩散的方式穿过不导电的多孔隔膜5到达自呼吸阴极4，电子通过外电路传递到自呼吸阴极4，并与氢离子、氧气在自呼吸阴极4的催化层上发生反应生成水；反应后的溶液从溶液出口10排出。燃料溶液采用硫酸和甲酸的混合溶液。
在具体实施例中，不导电的多孔隔膜5采用滤纸。
所述可渗透多孔电极7由亲水多孔导电基底，通过沉积纳米催化剂制备而成。可采用亲水碳纸通过电化学沉积纳米Pd催化剂制备而成。
所述自呼吸阴极4由疏水性多孔导电基底、整平层和非贵金属氧还原催化层构成，在带有整平层的一侧喷涂非贵金属氧还原催化剂，催化层面向主流道。非贵金属氧还原催化剂对氧还原反应具有较高的催化活性，而对燃料溶液不具有催化性。具体可采用疏水性碳纸、整平层和商业碳质催化剂层构成。商业碳质催化剂对氧还原反应具有较高的催化活性，而对甲酸氧化不具有催化性。在带有整平层的一侧喷涂碳质催化剂并面向主流道。
所述阴极盖板1、流场板6和底板9均为有机玻璃板。
参加图4，本发明能实现该电池的稳定运行，相比于传统的无膜微流体燃料电池，具有较高性能。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (3)
1.一种单流道穿流型叠式电极微流体燃料电池，包括阴极盖板（1）、自呼吸阴极（4）、不导电的多孔隔膜（5）、流场板（6）、可渗透多孔阳极（7）和底板（9）；其特征在于：流场板（6）设置在阴极盖板（1）与底板（9）之间，流场板（6）上设置有供燃料流动的主流道（8）；阴极盖板（1）上设置有阴极空气呼吸口（3）；自呼吸阴极（4）和可渗透多孔阳极（7）上下堆叠放置在阴极盖板（1）与流场板（6）之间，自呼吸阴极（4）与可渗透多孔阳极（7）之间采用不导电的多孔隔膜（5）分隔；自呼吸阴极（4）位于阴极空气呼吸口（3）下方，可渗透多孔阳极（7）嵌入主流道（8）中；燃料溶液经过燃料入口（2）进入主流道（8）中，并流经可渗透多孔阳极（7），以扩散的方式穿过不导电的多孔隔膜（5）到达自呼吸阴极（4），最后从溶液出口（10）排出；燃料入口（2）设置在阴极盖板（1）或者流场板（6）上，并与主流道（8）相通；溶液出口（10）设置在流场板（6）或者底板（9）上，并与主流道（8）相通。
2.根据权利要求1所述的一种单流道穿流型叠式电极微流体燃料电池，其特征在于：所述可渗透多孔阳极（7）由亲水多孔导电基底，通过沉积催化剂制备而成。
3.根据权利要求1所述的一种单流道穿流型叠式电极微流体燃料电池，其特征在于：所述自呼吸阴极（4）由疏水性多孔导电基底、非贵金属氧还原催化层构成。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
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Granted publication date: 20230324 |