CN112531182A - 大反应体积比的便携式圆筒状无膜燃料电池 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种大反应体积比的便携式圆筒状无膜燃料电池，包括阳极钛丝、上顶空盖、电池反应腔室、多孔薄塑料套筒、下顶空盖和阴极集流体；其特征在于：所述电池反应腔室由绕制成圆筒状的阴极碳布构成，且圆筒状的阴极碳布的一端向外延伸，形成阴极集流体；该阴极碳布集催化层、扩散层、疏水层、导电区于一体，且催化层位于电池反应腔室的内壁；所述电池反应腔室外套设有多孔薄塑料套筒；在电池反应腔室的上端面和下端面分别设置有上顶空盖和下顶空盖，所述上顶空盖设置有电解液注射口，电解液通过该电解液注射口进入电池反应腔室内；所述阳极钛丝的一端穿过上顶空盖，插入电池反应腔室内，该阳极钛丝表面修饰有催化剂；本发明可广泛应用在电子、能源等领域。
Description
技术领域
本发明涉及燃料电池领域，具体涉及一种大反应体积比的便携式圆筒状无膜燃料电池。
背景技术
近年来，便携式小型电子产品发展迅速，应用广泛。随处可见的小型电子产品要求电池具有能量密度高，体积小，质量轻等特性。锂一次电池符合上述电子产品的电源需求。但锂一次电池能量密度低，使用完后随意丢弃泄露的钴酸锂、铜、铝、镍等会对环境造成污染。于是可充放电锂离子电池应运而生，但应用于便携式移动电子产品时，锂离子电池循环寿命短，续航能力不足，价格高，快充放电性能差等问题使得国内外研究者开始着眼于燃料电池。直接甲醇燃料电池(DMFC，Direct Methanol Fuel Cell)出现在人们视野中，低温快速启动、燃料洁净环保以及电池结构简单等优点使得直接甲醇燃料电池可能成为未来便携式电子产品应用的主流，然而DMFC存在燃料渗透，阴阳极使用铂催化剂成本高，质子交换膜制备复杂等技术难题，这些难题限制了该电池的进一步发展和应用。
碱性条件下，氧气具有更快的氧还原反应动力学，可使用非贵金属催化剂替代贵金属催化剂。非贵金属催化剂不仅价格低，且由于非贵金属催化剂具有较高的选择催化性能，可以避免常规的贵金属催化剂所导致的混合电位问题，因此电池还可取消分隔氧化剂和燃料的离子交换膜，在大大降低电池成本的同时还简化的电池结构，因此基于碱性电解液的无膜燃料电池具有作为便携式小型电子产品电源的潜力。
传统直接甲酸燃料电池(DFFC，Direct Formate Fuel Cell)中的核心组件膜电极一般由金属钯修饰的阳极、碳载铂空气阴极与离子交换膜三部分组成。DFFC的阳极以甲酸根为燃料，在催化剂的作用下，阳极甲酸根和氢氧根结合发生电氧化反应，产生碳酸根离子和电子，电子流经外电路到达阴极后，阴极直接吸收扩散进来的空气中的氧气以及电解质中的水结合生成氢氧根离子。
传统DFFC电池结构一般由镀钯(Pd)阳极、Pt/C空气阴极与膜电极三部分组成。传统的镀Pd阳极一般在碳布、碳纸或石墨棒等碳质多孔材料上化学沉积或电镀Pd获得。然而，碳质材料一般较脆，加工时容易破裂，基底导电性较差，往往需要导电率低的集流体(如钛丝，钛片)与之相连，导致电池结构复杂；此外，碳质基底表面修饰的Pd层并不牢固，往往需要在修饰过程中额外浸泡Nafion并反复电镀增强催化层稳定性。尽管如此，在电池运行时，仍然容易发生Pd金属脱落的现象，因而导致电池性能与稳定性降低。不仅如此，额外浸泡Nafion反复修饰Pd的过程还会导致大量Pd活性位点被Nafion所覆盖并失活，从而造成贵金属Pd利用率降低，增加电极成本。而在阴极，一般采用20wt.％碳载铂作为氧还原催化剂。然而，碳载铂催化剂价格昂贵、储量少、易被杂质离子毒化且对甲酸氧化具有较强的催化活性从而产生混合电位，严重制约了电池性能。
发明内容
针对现有结构存在的缺陷及改进需求，本发明所要解决的技术问题在于提供一种大反应体积比的便携式圆筒状无膜燃料电池。
本发明的技术方案是：一种大反应体积比的便携式圆筒状无膜燃料电池，包括阳极钛丝、上顶空盖、电池反应腔室、多孔薄塑料套筒、下顶空盖和阴极集流体；其特征在于：所述电池反应腔室由绕制成圆筒状的阴极碳布构成，且圆筒状的阴极碳布的一端向外延伸，形成阴极集流体；该阴极碳布集催化层、扩散层、疏水层、导电区于一体，且催化层位于电池反应腔室的内壁；所述电池反应腔室外套设有多孔薄塑料套筒；在电池反应腔室的上端面和下端面分别设置有上顶空盖和下顶空盖，所述上顶空盖设置有电解液注射口，电解液通过该电解液注射口进入电池反应腔室内；所述阳极钛丝的一端穿过上顶空盖，插入电池反应腔室内，该阳极钛丝表面修饰有催化剂；所述上顶空盖与下顶空盖均由硅胶片密封。
本发明将碳布绕制成圆筒状构成电池反应腔室，此结构能有效增大阴极与空气的接触面积，使得电池性能得到进一步提升，电池反应腔室外侧设置一个多孔薄塑料套筒，目的是增加电池承受轴向应力及弯矩的能力，气体可以自由进出孔洞、疏水层、扩散层到达阴极进行反应，如此大大减小了电池的体积，增大了电池反应体积占比。本发明提出的电池，其反应体积占比大，结构简单，造价低，室温启动，安全环保无噪音，同时其体积可与本电池结构相似的情况下发生改变，做到与市面上应用广泛的5号电池或7号电池体积相近，便于适配各类移动电子产品。
本发明直接使用具有疏水层的碳布来防止电解液泄露，内侧以喷涂有催化剂的扩散层作为阴极，这种结构替代了传统DFFC电池的亚克力板等大装置封装结构，不仅使整个电池体积大大减小，还使电池的反应体积占比大大增加，达到了70％以上，是使用亚克力板密封DFFC电池的2倍以上；多孔薄塑料套筒大大提升了整个电池承受轴向应力及弯矩的能力，可以很好的防止碳布受到外力破坏，而且空气可以通过大孔洞进出，不影响电池性能；
根据本发明所述的大反应体积比的便携式圆筒状无膜燃料电池的优选方案，插入电池反应腔室内的所述阳极钛丝为旋螺旋线型钛丝。
根据本发明所述的大反应体积比的便携式圆筒状无膜燃料电池的优选方案，所述阴极碳布上制备有Fe元素与N元素掺杂的碳质氧还原催化剂。
根据本发明所述的大反应体积比的便携式圆筒状无膜燃料电池的优选方案，所述电解液为甲酸盐配置而成的电解液。
本发明所述的大反应体积比的便携式圆筒状无膜燃料电池的有益效果是：本发明将碳布绕制成圆筒状构成电池反应腔室，此结构能有效增大阴极与空气的接触面积，使得电池性能得到进一步提升，气体可以自由进出孔洞、疏水层、扩散层到达阴极进行反应，大大减小了电池的体积，增大了电池反应体积占比。本发明结构简单，造价低，室温启动，安全环保无噪音；可广泛应用在电子、能源等领域。
附图说明
图1是本发明所述的大反应体积比的便携式圆筒状无膜燃料电池的结构示意图。
图2是阴极碳布的主视图。
图3是图2的俯视图。
图4是本发明所述的大反应体积比的便携式圆筒状无膜燃料电池的阴阳极化曲线图。
图5是本发明所述的大反应体积比的便携式圆筒状无膜燃料电池的性能图。
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。
参见图1至图3，一种大反应体积比的便携式圆筒状无膜燃料电池，由阳极钛丝1、上顶空盖2、电池反应腔室3、多孔薄塑料套筒4、下顶空盖5和阴极集流体6构成；所述电池反应腔室3由绕制成圆筒状的阴极碳布构成，且圆筒状的阴极碳布的一端向外延伸，形成阴极集流体6；使该阴极碳布集催化层、扩散层、疏水层、导电区于一体，且催化层位于电池反应腔室3的内壁；所述电池反应腔室3外套设有多孔薄塑料套筒4；在电池反应腔室3的上端面和下端面分别设置有上顶空盖2和下顶空盖5，所述上顶空盖2与下顶空盖5均由硅胶片8和AB胶密封固定。所述上顶空盖2设置有电解液注射口7，电解液通过该电解液注射口7进入电池反应腔室3内；当电解液注射完成后，电解液注射口7由硅胶螺杆9密封堵塞。所述阳极钛丝1的一端穿过硅胶片与上顶空盖2后，插入电池反应腔室3内，该阳极钛丝1表面修饰有催化剂；所述电池反应腔室3与上顶空盖2、下顶空盖5之间由AB胶固定。
在具体实施例中，插入电池反应腔室3内的所述阳极钛丝1为螺旋线型钛丝。并在螺旋线型钛丝表面采用反复电沉积和浸渍方法镀有Pd催化剂；通过增加镀Pd次数，在钛丝表面形成了多孔的纳米Pd层，粗糙的钛丝表面使得纳米Pd层负载非常牢固，能有效延长阳极使用寿命。钛丝本身不是多孔结构，但随着电镀的Pd层增厚，催化剂Pd自发形成多孔结构。阳极钛丝为螺旋线型，这种结构使钛丝表面PdCl2溶液传质速率更大，Pd分布更均匀且螺旋线形结构所镀Pd不易脱落，提升了电池寿命。
所述阴极碳布上修饰有Fe元素与N元素掺杂的碳质氧还原催化剂Fe-N-C。所述电解液为甲酸盐配置而成的电解液。使用该催化剂代替贵金属催化剂，在碱性条件下，Fe-N-C型催化剂催化活性甚至超越了Pt/C，并且具有高度选择催化性，应用在甲酸盐燃料电池时不仅能优化电池性能，还可以省去交换膜，大大降低电池成本。
在具体实施例中，分别使用载量为2mg/cm2、1mg/cm2、0.5mg/cm2、0.4mg/cm2、0.2mg/cm2的Fe-N-C催化剂喷涂碳布，并制备电池，测试在不同载量下的电池性能，发现Fe-N-C载量为0.5mg/cm2时电池性能最好；在0.5mg/cm2载量下，改变集流体宽度占比，并制备电池，测在不同集流体宽度下的电池性能，发现集流体宽度占比越大，电池运行内阻越小，电池性能输出越高。因而在本发明中，Fe-N-C催化剂载量选用0.5mg/cm2，集流体宽度选用30mm。使用喷枪将上述载量Fe-N-C催化剂均匀喷涂于喷涂区域，真空烘干。如此即可获得集催化层、扩散层、疏水层、导电区一体的阴极碳布。
本发明相较于传统DFFC，舍弃了交换膜，这种无膜甲酸盐燃料电池不仅降低了制作难度，还降低了制作成本；而且甲酸盐电解液对环境无污染，绿色环保，可持续发展。
本发明直接将制备完成的Fe-N-C催化剂喷在一侧带有气体扩散层的碳布上作为阴极催化层，并绕制成圆筒状形成电池反应腔室，外侧喷涂有疏水层，不仅具有疏水效果，还可避免电解液泄露。该电池无需亚克力板密封装置，圆筒状阴极上下两端用硅胶片、顶空盖与AB胶密封，螺旋线型钛丝阳极插入硅胶片中心构成电池整体。该电池实际反应体积占总体积的70％以上，有效阴阳极反应面积占比高，结构紧凑；最外侧只需要增加一个多孔薄塑料套筒，目的是提升电池承受轴向应力及弯矩的能力，气体可以自由进出孔洞，大大缩小了电池体积，减轻了电池重量；电池顶部有注射口可以随时进行电解液的更换，方便、高效、便携，这使得本发明得以广泛应用于各种小型移动产品。
参见图4，电池的开路电压为1.08V,短路电流可达280mA；参见图5，单个电池最高运行功率可达40mW，本发明的尺寸大小具有多样化，上述电池性能是在尺寸为直径20mm，高40mm的电池条件下测得，说明本发明可以为小型移动电子产品提供适配的电源大小、稳定的电压、电流以及功率输出；而且甲酸盐无毒易携带，随时随地可进行电解液的更换，具有良好的市场应用前景。
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)
1.一种大反应体积比的便携式圆筒状无膜燃料电池，包括阳极钛丝(1)、上顶空盖(2)、电池反应腔室(3)、多孔薄塑料套筒(4)、下顶空盖(5)和阴极集流体(6)；其特征在于：所述电池反应腔室(3)由绕制成圆筒状的阴极碳布构成，且圆筒状的阴极碳布的一端向外延伸，形成阴极集流体(6)；该阴极碳布集催化层、扩散层、疏水层、导电区于一体，且催化层位于电池反应腔室(3)的内壁；所述电池反应腔室(3)外套设有多孔薄塑料套筒(4)；在电池反应腔室(3)的上端面和下端面分别设置有上顶空盖(2)和下顶空盖(5)，所述上顶空盖(2)设置有电解液注射口(7)，电解液通过该电解液注射口(7)进入电池反应腔室(3)内；所述阳极钛丝(1)的一端穿过上顶空盖(2)，插入电池反应腔室(3)内，该阳极钛丝(1)表面修饰有催化剂；所述上顶空盖(2)与下顶空盖(5)均由硅胶片(8)密封。
2.根据权利要求1所述的大反应体积比的便携式圆筒状无膜燃料电池，其特征在于：插入电池反应腔室(3)内的所述阳极钛丝(1)为旋螺旋线型钛丝。
3.根据权利要求1所述的大反应体积比的便携式圆筒状无膜燃料电池，其特征在于：所述阴极碳布上制备有Fe元素与N元素掺杂的碳质氧还原催化剂。
4.根据权利要求1所述的大反应体积比的便携式圆筒状无膜燃料电池，其特征在于：所述电解液为甲酸盐配置而成的电解液。
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