CN112271300B - 一种基于编织纤维的全柔性直接微流体燃料电池 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于编织纤维的全柔性直接微流体燃料电池，包括阴极、阳极和亲水性绝缘纤维流道；其特征在于：亲水性绝缘纤维流道是由若干股具有一定长度的亲水性绝缘纤维线编织而成；阴极和阳极均由若干股具有一定长度的碳纤维编织而成，阴极和阳极采用碳纤维编织以保证整个电池具有柔性和弯曲性；且阴极和阳极编织入所述亲水性绝缘纤维流道内，并被所述亲水性绝缘纤维流道束缚固定，阴极和阳极之间具有一定的间隙；阴极和阳极的表面均负载有催化剂；所述微流体燃料电池采用一种反应液同时作为燃料和电解液，所述阴极、阳极和亲水性绝缘纤维流道均作为反应液的流动通道。本发明可广泛应用于环保、能源、化学等领域。

Description

一种基于编织纤维的全柔性直接微流体燃料电池
技术领域
本发明涉及微流体燃料电池技术领域,具体涉及一种基于编织纤维的全柔性直接微流体燃料电池。
背景技术
近年来随着移动通讯技术尤其是移动互联网技术的高速发展极大地促进了便携式电子设备的更新换代，各种高性能的电子设备(如智能手机、微型传感器、便携式医疗设备等)对微型便携式电源技术提出了更高的要求：高能量密度、性能稳定可靠、长时间连续运行、结构简单紧凑、易于集成、造价低廉等。现阶段，电子设备多采用传统的锂离子电池作为电源，但是传统锂离子电池的低能量密度、连续运行时间短、充放电时电极材料易发生不可逆的微观形变等缺点使其已无法满足日益功能化、集成化的微型电子产品对微型电源技术的高要求。为了缓解这种局面，目前已经提出了很多微型电源技术，例如超级电容器、太阳能电池、燃料电池等技术，其中燃料电池技术凭借其自身高能量转换效率、高能量密度、低污染、方便持久等优点而备受瞩目，但基于质子交换膜的燃料电池又存在燃料渗透、膜易老化且价格昂贵等问题，这些难题阻碍了其的应用。得益于近年来微加工技术的发展，无膜的微流体燃料电池(Membraneless microfluidic fuel cell)的概念被提出，其利用在低雷诺数下(Re<1000),粘性和密度相近的多种流体在微通道内会形成并排的平行层流流动而不发生对流混合的特点来实现燃料与氧化剂的自然分隔，避免了由膜引起的一系列问题。无膜微流体燃料电池简化了电池结构，降低了电池成本，有利于大规模的商业应用。
微流体燃料电池除了微通道中平行层流，还可以利用多孔介质中的渗流来自然分隔燃料和氧化剂。Esquivel等人首先提出一种纸基燃料电池，该电池利用纸的毛细力引起的层流实现对燃料和氧化剂被动运输，去除了外置泵，更有利于微流体燃料电池的集成。但是由于纸的机械性能较差，在长时间的溶液浸泡下力学性能和耐久性会变差，同时在纸张上不易做出疏水区域从而导致漏液等不良现象的发生。故有学者提出用棉线作为燃料和氧化剂的流道，因为和纸相比，棉线的多孔结构和纤维之间的孔隙可以为流体提供毛细力，同时棉线的机械性能更好且不需要制作疏水屏障，是一种实现流体被动运输的纸的替代材料。
碳纤维是一种多孔材料，其优良的导电性能使其同时具备流道和电极等双重功能，Zhenfei Liu等人开发了一种碳纤维既作为电极和流道微流体燃料电池，该电池利用甲酸盐为燃料，H2O2为电解质，Na2SO4作为分离电解液的反应体系，最高功率密度可以达到29.9mW/cm2。但是该电池依旧需要分离电解液来分隔燃料和氧化剂以减少燃料渗透。
H2O2是一种常见的无碳能源载体，在单室微流体燃料电池既可以作为燃料又可以作为氧化剂，不用考虑燃料渗透的问题，且当H2O2同时作为电池的燃料和氧化剂时，其产物只有氧气和水，不会对环境造成污染。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于一种基于编织纤维的全柔性直接微流体燃料电池，以保证电池在反复弯折的极端情况下仍保持良好的性能。
为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是：一种基于编织纤维的全柔性直接微流体燃料电池，包括阴极、阳极和亲水性绝缘纤维流道；其特征在于：
所述亲水性绝缘纤维流道是由若干股具有一定长度的亲水性绝缘纤维线编织而成；所述阴极和阳极均由若干股具有一定长度的碳纤维编织而成，所述阴极和阳极采用碳纤维编织，以保证整个电池具有柔性和弯曲性；且所述阴极和阳极编织入所述亲水性绝缘纤维流道内，并被所述亲水性绝缘纤维流道束缚固定，所述阴极和阳极之间具有一定的间隙；所述阴极和阳极的表面均负载有催化剂；
所述微流体燃料电池采用一种反应液同时作为燃料和电解液，所述阴极、阳极和亲水性绝缘纤维流道均作为反应液的流动通道。
本发明采用编织亲水性绝缘纤维和编织碳纤维作为反应液的流道，利用毛细作用力耦合重力作用实现反应液的被动式输送。编织碳纤维电极是一种渗透性强的电极，反应液从电极内流过并发生反应，增强了电极处的传质。整个电池实现无泵驱动运行。
根据本发明所述的一种基于编织纤维的全柔性直接微流体燃料电池的优选方案，所述阴极、阳极和亲水性绝缘纤维流道被热缩管包裹。
根据本发明所述的一种基于编织纤维的全柔性直接微流体燃料电池的优选方案，所述阴极的表面负载的催化剂为普鲁士蓝/多壁碳纳米管、FeⅡ[Pb(CN)4]、[FeII(H2O)2]3[CoIII(CN)6]2、或者聚乙撑二氧噻吩催化剂。
根据本发明所述的一种基于编织纤维的全柔性直接微流体燃料电池的优选方案，所述阳极表面负载的催化剂为镍催化剂或银催化剂。
根据本发明所述的一种基于编织纤维的全柔性直接微流体燃料电池的优选方案，反应液采用过氧化氢与酸的混合溶液。
本发明所述的一种基于编织纤维的全柔性直接氢微流体燃料电池的有益效果是：本发明采用编织亲水性绝缘纤维和碳纤维作为流道，燃料和氧化剂利用毛细力耦合重力作用实现被动式运输，去除了泵，减少了额外的能耗，更利于电池的便携和集成；本发明所提出的燃料电池中燃料和氧化剂均采用H2O2，简化了反应溶液的流动模式；本发明中所使用的H2O2是一种无碳能量载体，反应后的产物为水和氧气，对环境无害；编织碳纤维是一种可渗透电极，可增强电极处的传质；电池所有部分均为柔性材料，可以在反复弯折的极端情况下仍保持良好的性能。本发明结构简单、成本低、易于携带、性价比高、适应性强，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基于编织纤维的全柔性直接过氧化氢微流体燃料电池的结构示意图。
图2是本发明所述的亲水性绝缘纤维流道1、阳极3和阴极4的外观形貌示意图。
图3是本发明所述的一种基于编织纤维的全柔性直接过氧化氢微流体燃料电池性能图。
图4是本发明所述的一种基于编织纤维的全柔性直接过氧化氢微流体燃料电池在反复弯折10次后与正常运行时的性能对比图。
具体实施方式
下面将结合本发明的附图对本发明实施例中的技术方案进行详细描述，但本发明的保护范围不局限于以下所述。
具体实施方法
参见图1至图2，一种基于编织纤维的全柔性直接微流体燃料电池，由热缩管2、阴极4、阳极3和亲水性绝缘纤维流道1构成。
所述亲水性绝缘纤维流道1是由若干股具有一定长度的亲水性绝缘纤维棉线绞结编织而成，可编织成如图2所示的麻花状或者其他形状；以对阴极4和阳极3进行束缚；所述阴极4和阳极3均由若干股具有一定长度的碳纤维编织而成，也可编织成如图2所示的麻花状或者其他形状；所述阴极4和阳极3以及所述亲水性绝缘纤维流道1均采用纤维编织，以保证整个电池具有柔性和弯曲性；保证了该电池在反复弯折的极端情况下依然能保证良好性能；且所述阴极4和阳极3编织入所述亲水性绝缘纤维流道1内，并被所述亲水性绝缘纤维流道1束缚固定，所述阴极4和阳极3之间具有一定的间隙；所述阴极4和阳极3的表面均负载有催化剂。
所述微流体燃料电池采用一种反应液同时作为燃料和电解液，所述阴极4、阳极3和亲水性绝缘纤维流道1均作为反应液的流动通道。在具体实施例中，反应液的进、出口设置一定的高度差。
所述阴极4、阳极3和亲水性绝缘纤维流道1被热缩管2包裹，以完成对电池进行封装。
反应液采用过氧化氢与酸的混合溶液。酸可采用盐酸、硫酸等。
在具体实施例中，从亲水性碳布上抽取若干根碳纤维，分成3股，编织成长度为6cm的碳纤维电极分别作为阳极和阴极，采用反复浸渍法在编织的碳纤维阴极上负载上普鲁士蓝/多壁碳纳米管(PB-MWCNT)阴极催化剂，采用电镀法在编织的碳纤维阳极上负载上镍催化剂，负载催化剂的有效长度均为1cm，其中阴极PB-MWCNT的载量为4mg cm-2。
阴极催化剂PB-MWCNT的制备方法是：首先将一定量的多壁碳纳米管MWCNT分散到0.1M氯化氢HCL并通过超声震荡形成悬浮浆液，然后将一定量的0.5M铁氰化钾K3[Fe(CN)6]与0.1M HCl加入到悬浮浆液中并不断搅拌，接着再加入一定量的0.5M氯化铁FeCl3与0.1MHCl，保证多壁碳纳米管(MWCNT)与普鲁士蓝(PB)的质量比为1：2左右，最终获得了普鲁士蓝(Prussian Blue，PB)和多壁碳纳米管(MWCNT)的混合浆液，通过反复抽滤清洗后干燥获得PB-MWCNT催化剂。阳极镍催化剂采用电镀的方式，电镀液为0.1M氯化镍(NiCl2)和0.5M硼酸H3BO3的混合液。编织亲水性绝缘纤维流道1采用从亲水性医用棉纱布中抽取90根棉线，分为3股，编织而成。
所述亲水性绝缘纤维流道1是由多根亲水性棉线纤维编织而成，实际应用时也可采用其他类似的亲水性绝缘纤维编织，例如蚕丝、兔毛、羊毛等天然纤维或者粘胶纤维等人工纤维。其编织数量可根据实际情况选择。
所述热缩管2是用于保证整个电池具有很好的柔性、安全性及可靠性。在电池运行时，使用夹具将软管固定，以保证电池性能的稳定。
所述阳极3、阴极4是由多根亲水性碳纤维编织而成，其根数可根据实际情况选择。
所述阳极催化剂镍是直接过氧化氢燃料电池的常用阳极催化剂，除此之外，也可采用银催化剂作为直接过氧化氢燃料电池的阳极催化剂。镍催化剂由氯化镍和硼酸构成。
所述阴极催化剂普鲁士蓝/多壁碳纳米管PB-MWCNT是直接过氧化氢燃料电池的常用阴极催化剂，由普鲁士蓝PB，多壁碳纳米管MWCNT和Nafion构成。除此之外，也可采用FeⅡ[Pb(CN)4]、[FeII(H2O)2]3[CoIII(CN)6]2、聚乙撑二氧噻吩PEDOT等作为直接过氧化氢燃料电池的阴极催化剂。
本发明采用编织亲水性绝缘纤维和编织碳纤维作为流道，在毛细作用力辅以重力的作用下，反应液通过编织的亲水性绝缘纤维流道和碳纤维流道被动地输送到阴、阳极，分别被还原和氧化并产生电流，整个电池实现无泵驱动运行。
参见图3和图4，所述性能图均是在0.5M过氧化氢和0.3M的盐酸混合溶液工况下测定；阴极采用反复浸渍法制备有普鲁士蓝/多壁碳纳米管PB-MWCNT催化剂，阳极采用电镀的方式制备有镍催化剂。
参见图3，图3表示当燃料和氧化剂采用0.5M H2O2，支持电解质为0.3M HCl时，电池的开路电压可达0.63V，最大电流密度和最高功率密度分别为101.41mA/cm2和14.41mW/cm2。
参见图4，图4表示当燃料和氧化剂采用0.5M H2O2，支持电解质为0.3M HCl时，电池在弯折10次之后与正常运行时的性能对比图，由图可知，弯折之后的最大电流密度和最高功率密度为94.6mA/cm2和13.46mW/cm2，与正常运行时相比下降了6.72％和6.59％。下降幅度在可以接受的范围内，表示本发明所述的一种基于编织纤维的全柔性直接过氧化氢微流体燃料电池具有良好的性能稳定性。
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 (4)

1.一种基于编织纤维的全柔性直接微流体燃料电池，包括阴极（4）、阳极（3）和亲水性绝缘纤维流道（1）；其特征在于：
所述亲水性绝缘纤维流道（1）是由若干股具有一定长度的亲水性绝缘纤维线编织而成；所述阴极（4）和阳极（3）均由若干股具有一定长度的碳纤维编织而成，所述阴极（4）和阳极（3）采用碳纤维编织以保证整个电池具有柔性和弯曲性；且所述阴极（4）和阳极（3）编织入所述亲水性绝缘纤维流道（1）内，并被所述亲水性绝缘纤维流道（1）束缚固定，所述阴极（4）和阳极（3）之间具有一定的间隙；所述阴极（4）和阳极（3）的表面均负载有催化剂；
所述微流体燃料电池采用一种反应液同时作为燃料和氧化剂，所述反应液采用过氧化氢与酸的混合溶液；所述阴极（4）、阳极（3）和亲水性绝缘纤维流道（1）均作为反应液的流动通道。
2.根据权利要求1所述的一种基于编织纤维的全柔性直接微流体燃料电池，其特征在于：所述阴极（4）、阳极（3）和亲水性绝缘纤维流道（1）被热缩管（2）包裹。
3.根据权利要求1所述的一种基于编织纤维的全柔性直接微流体燃料电池，其特征在于：所述阴极（4）的表面负载的催化剂为普鲁士蓝/多壁碳纳米管催化剂或者FeⅡ[Pb(CN)4]、[FeII(H2O)2]3[CoIII(CN)6]2、聚乙撑二氧噻吩催化剂。
4.根据权利要求1所述的一种基于编织纤维的全柔性直接微流体燃料电池，其特征在于：所述阳极（3）表面负载的催化剂为镍催化剂或者银催化剂。
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