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Abstract

本发明公开了一种柔性微流体光电燃料电池。该柔性微流体光电燃料电池包括阴极、阳极以及固定所述阴极和阳极的基底；所述阴极和所述阳极通过铜箔导线连接；所述阴极和所述阳极之间存在距离，且距离为5mm以下；所述基底为亲水性、对液体吸收有自驱动力的有孔隙的柔性材料；所述基底的形状为Y型或I型。本发明的柔性微流体光催化燃料电池以柔性亲水性材料为基底，亲水材料孔隙为流道，以光电催化材料为电极，具有操作方便、容易搭建电池堆和能量密度大等特点，同时该柔性光电催化微流体燃料电池可折叠，不需外加设备，易于回收，能广泛应用于各类导电材料为电极的燃料电池中。

Description

一种柔性微流体光电燃料电池
技术领域
本发明属于燃料电池技术领域，更具体地，涉及一种柔性微流体光电燃料电池。
背景技术
近年来燃料电池，比如质子交换膜燃料电池，固体氧化物燃料电池等由于其同时具有可以将燃料所具有的化学能直接转换成电能、环境污染小、发电效率高、比能量高的优点，在航天飞行领域，汽车工业，船舶工业等行业，受到了各国政府的重视。目前，微流体燃料电池包括空气吸入式电极、flow-over型电极、flow-through型电极微流体燃料电池。其特征在于燃料和氧化剂流体在层流流动作用下可自然分层而无需使用质子膜，极大地降低成本并提高电池设计的灵活性。微流体燃料电池具有体积小，重量轻及容量大的特点。另外，微流体燃料电池无需昂贵的质子交换膜，可省去很多成本加工和维修费用。因此，微流体燃料电池比传统燃料电池更加具有竞争力。目前，国外研究者在微流体燃料电池的基本原理，微通道结构，燃料和氧化剂的类型，浓度及流速等方面进行了较深入的研究，开发了具有不同电极构型的燃料电池系统，其中，空气吸入式微流体燃料电池发展空间较大，可通过改善阳极反应动力学并优化燃料和氧化剂的类型，浓度及流速，实现燃料利用率和电池性能同步。
传统微流体燃料电池需要使用板材基底并制作微流通道，在制作过程中一般还需关注电池密封性，电解液进液速度等，因而有着较多的操作困难性，例如制备过程繁琐，成本昂贵，耗时耗力等。同时，电池性能主要受限于传质，电化学动力学以及欧姆电阻等因素。
发明内容
本发明的目的在于解决上述问题，提供一种柔性微流体燃料电池的制备方法，以克服现有技术的不足。
为了实现上述目的，本发明提供一种柔性微流体光电燃料电池，该柔性微流体光电燃料电池包括阴极、阳极以及固定所述阴极和阳极的基底；
所述阴极和所述阳极通过铜箔导线连接；
所述阴极和所述阳极之间存在距离，且距离为5mm以下；
所述基底为亲水性、对液体吸收有自驱动力的有孔隙的柔性材料；
所述基底的形状为Y型或I型；
当所述基底为Y型时，所述阴极和所述阳极分别平行对称设置于Y型基底靠近交汇处的两侧；
当所述基底为I型时，所述阴极和所述阳极分别平行对称设置于所述I型基底一端的两侧；
当所述基底为Y型时，流经所述阴极和流经所述阳极的电解液为不同的酸性或碱性的电解液；
当所述基底为I型时，流经所述阴极和流经所述阳极的电解液为相同的电解液。
根据本发明，作为基底的具有亲水性、对液体吸收有自驱动力的有孔隙的柔性材料可折叠，且成本低廉，无其他额外器件造成电池影响。
作为优选方案，所述基底的材质为滤纸、碳纸、碳布、棉麻织布、泡沫镍、生活用纸或海绵制品。
作为优选方案，所述碳纸为负载定量铂的碳纸，如5％Pt/C、10％Pt/C、15％Pt/C和20％Pt/C等。
作为优选方案，所述基底的孔隙度为0.1-120微米，更优选为0.15-5微米，厚度≤1厘米。
作为优选方案，所述阴极和所述阳极的材料各自为具有导电性的柔性薄膜、粉末导体或半导体材料。
作为优选方案，所述具有导电性的柔性薄膜为掺铂碳纸、TCO导电膜、PET导电膜或粉末材料压片膜。
作为优选方案，所述粉末导体为光电催化粉末材料或电催化粉末材料，如电催化粉末材料可选用石墨烯材料、碳材料；更优选地，所述粉末导体为铂碳粉末或钒酸铋光催化半导体粉末。
作为优选方案，所述粉末导体由包括如下步骤的方法制备得到：
将导电金属粉末与乙醇混合，加入燃料电池分离膜，在恒温状态下超声搅拌分散均匀，得到所述粉末导体。
作为优选方案，所述导电金属粉末选自铂碳粉末、电催化粉末材料和石墨烯材料中的至少一种。即对于部分粉末导体，其可直接作为电极，也可以作为导电金属粉末制备用于电极材料的粉末导体。
作为优选方案，所述燃料电池分离膜为Nifion膜。
根据本发明一个具体的实施方式，所述粉末导体由包括如下步骤的方法制备得到：
将导电金属粉末与乙醇混合，加入燃料电池分离膜，在20-25℃的恒温状态下超声搅拌2h，得到所述粉末导体。
作为优选方案，所述阴极为p型半导体，所述阳极为n型半导体。
作为进一步的优选方案，所述p型半导体为Cu2O、CuO、BiOI、Cu2O复合材料、CuO复合材料、BiOI复合材料或Cu2O复合材料。
作为进一步的优选方案，所述n型半导体为TiO2、BiVO4、ZnO、BiOBr、TiO2复合材料、BiVO4复合材料、ZnO复合材料或BiOBr复合材料。
作为优选方案，当所述基底为Y型，所述阴极的电解液为H2O2和KCl的混合溶液，所述阳极的电解液为KCOOH和KCl的混合溶液。
作为优选方案，当所述基底为I型，所述阴极和所述阳极的电解液各自均为磷酸盐缓冲溶液和亚硫酸钠的混合中性溶液，或者均为硫酸钠中性溶液。
根据本发明，所述阳极和所述阴极可通过常规放置或涂抹的方式设置在其相应的位置上。如电极为粉末导体的，则需要通过涂抹的方式设置。
与现有技术相比，本发明的优点包括：
本发明的柔性微流体光催化燃料电池以柔性亲水性材料为基底，亲水材料孔隙为流道，以光电催化材料为电极，具有操作方便、容易搭建电池堆和能量密度大等特点，同时该柔性光电催化微流体燃料电池可折叠，不需外加设备，如泵、传质膜和电解池，易于回收，能广泛应用于各类导电材料为电极的燃料电池中。同时，该微流体燃料电池的制备工艺简单，原料廉价易得，成本低廉，组装过程中绿色环保。
本发明的柔性微流体燃料电池相比于传统微流体燃料电池，具有柔性流道基底，降低了电池制作成本，并且不用外界附属力量驱动电解液流动；柔性微流体燃料电池电极材料简单易得，可避免环境污染等负面问题，绿色环保；柔性微流体燃料电池制备工艺简单，操作便捷可控，易于规模化实施，且易于组装电池堆。
本发明的其它特征和优点将在随后具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
通过结合附图对本发明示例性实施方式进行更详细的描述，本发明的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显。
图1示出了根据本发明的一个实施例的Y型基底柔性微流体光电燃料电池的示意性结构图。
图2示出了根据本发明的一个实施例的I型基底柔性微流体光电燃料电池的示意性结构图。
图3示出了本发明测试例的电流-电压变化曲线图。
具体实施方式
下面将更详细地描述本发明的优选实施方式。虽然以下描述了本发明的优选实施方式，然而应该理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了使本发明更加透彻和完整，并且能够将本发明的范围完整地传达给本领域的技术人员。
本发明实施例中，各原料均通过商购获得。
实施例1
本实施例提供一种Y型基底柔性微流体光电燃料电池。
如图1所示，该柔性微流体光电燃料电池包括阴极、阳极以及固定阴极和阳极的基底；阴极和阳极通过铜箔导线以导电银浆连接；阴极和阳极之间的平行距离为2mm；阴极和阳极分别设置于Y型基底靠近交汇处的两侧，平行对称；电极放置的位置尽量靠近Y型流道交汇处，并在Y型流道末尾(分支)放置吸水纸巾。
基底：将Advantec品牌滤纸(其孔隙度为5微米，厚度为0.26毫米)裁剪为Y型流道，Y的两分枝尺寸为0.5cm宽；
阳极：二氧化钛纳米棒水热法生长(生长光电催化剂)在裁剪为1cm*1cm大小的FTO导电玻璃上，450℃退火待用。
阴极：含20％的Pt碳纸裁剪为1cm*1cm。
其中，喷涂光电催化剂面与喷涂Pt面的电极面对滤纸。
流经阳极的电解液：5M KCOOH溶液以及2M KOH溶液。
流经阴极的电解液：30％H2O2溶液以及2M KCl溶液。
电池运行时，将相应电解液分别由Y型基底的分支流经阳极和阴极，产生层流界面。
实施例2
本实施例提供一种I型基底柔性微流体光电燃料电池。
如图2所示，该柔性微流体光电燃料电池包括阴极、阳极以及固定阴极和阳极的基底；阴极和阳极通过铜箔导线连接；阴极和阳极之间的距离为2mm；
基底：将Advantec品牌(110mm)滤纸(其孔隙度为5微米，厚度为0.26毫米)裁剪为I型流道，控制I型流道的长度L为8.3cm，宽度W为1.5cm；
阳极：钒酸铋半导体材料水热法生长在裁剪为1cm*1cm大小的FTO导电玻璃上，450℃退火待用。
阴极：含20％的Pt碳纸裁剪为1cm*1cm。
阴极和阳极分别平行对称设置于I型基底一端的两侧；
流经阳极和流经阴极的电解液均为0.5M硫酸钠溶液。
电池运行时，将相应电解液分别由I型基底一端的两侧流经阳极和阴极，不产生层流界面。
测试例：
对实施例1的柔性微流体光电燃料电池进行性能测试，方案及测试结果如下：
使用电化学工作站(Solartron)对电池进行性能测试：
首先，将电极夹阳极和阴极分别夹在电池的阳极和阴极两端；
其次，将Y型电池分叉两端分别同时浸渍于配好电解液溶液中；
待电解液溶液均匀汇于Y型交汇处，形成层流状态；当双侧电解液完全流经电极材料时，可开始进行性能测试；
光源为300W氙灯，将电池电极放置于照射强度为100mW/cm2处
将电化学工作站选择线性伏安扫描功能，测试电池开路电压和短路电流，得到电流-电压变化曲线。如图3所示，该电池显现出了能量密度大的特点。
以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。

Claims (10)

1.一种柔性微流体光电燃料电池，其特征在于，该柔性微流体光电燃料电池包括阴极、阳极以及固定所述阴极和阳极的基底；
所述阴极和所述阳极通过铜箔导线连接；
所述阴极和所述阳极之间存在距离，且距离为5mm以下；
所述基底为亲水性、对液体吸收有自驱动力的有孔隙的柔性材料；
所述基底的形状为Y型或I型；
当所述基底为Y型时，所述阴极和所述阳极分别平行对称设置于Y型基底靠近交汇处的两侧；
当所述基底为I型时，所述阴极和所述阳极分别平行对称设置于所述I型基底一端的两侧；
当所述基底为Y型时，流经所述阴极和流经所述阳极的电解液为不同的酸性或碱性的电解液；
当所述基底为I型时，流经所述阴极和流经所述阳极的电解液为相同的电解液。
2.根据权利要求1所述的柔性微流体光电燃料电池，其中，所述基底的材质为滤纸、碳纸、碳布、棉麻织布、泡沫镍、生活用纸或海绵制品。
3.根据权利要求2所述的柔性微流体光电燃料电池，其中，所述基底的孔隙度为0.1-120微米，厚度≤1厘米。
4.根据权利要求1所述的柔性微流体光电燃料电池，其中，
所述阴极和所述阳极的材料各自为具有导电性的柔性薄膜、粉末导体或半导体材料。
5.根据权利要求4所述的柔性微流体光电燃料电池，其中，所述具有导电性的柔性薄膜为掺铂碳纸、TCO导电膜、PET导电膜或粉末材料压片膜。
6.根据权利要求4所述的柔性微流体光电燃料电池，其中，所述粉末导体为光电催化粉末材料或电催化粉末材料。
7.根据权利要求4所述的柔性微流体光电燃料电池，其中，所述粉末导体由包括如下步骤的方法制备得到：
将导电金属粉末与乙醇混合，加入燃料电池分离膜，在恒温状态下超声搅拌分散均匀，得到所述粉末导体；
所述导电金属粉末选自铂碳粉末、电催化粉末材料和石墨烯材料中的至少一种；
所述燃料电池分离膜为Nifion膜。
8.根据权利要求4所述的柔性微流体光电燃料电池，其中，
所述阴极为p型半导体，所述阳极为n型半导体。
9.根据权利要求7所述的柔性微流体光电燃料电池，其中，
所述P型半导体为Cu2O、CuO、BiOI、Cu2O复合材料、CuO复合材料、BiOI复合材料或Cu2O复合材料；
所述n型半导体为TiO2、BiVO4、ZnO、BiOBr、TiO2复合材料、BiVO4复合材料、ZnO复合材料或BiOBr复合材料。
10.根据权利要求1所述的柔性微流体光电燃料电池，其中，
当所述基底为Y型，所述阴极的电解液为H2O2和KCl的混合溶液，所述阳极的电解液为KCOOH和KCl的混合溶液；
当所述基底为I型，所述阴极和所述阳极的电解液均为磷酸盐缓冲溶液和亚硫酸钠的混合中性溶液，或者均为硫酸钠中性溶液。
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