CN113437342A - 一种顺逆流微流体模块化混合式燃料电池堆及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种顺逆流微流体模块化混合式燃料电池堆及其制备方法，其技术方案是：由数块燃料单电池拼接构成电池堆，每块单电池的基板上设有十字形微流道，阴阳极电解液的两个入口端相互垂直，电解液在微流道中心各不参混，阴极电解液的流动方式为：下端进、右端出，构成微流体顺流结构。阴阳极电解液的两个入口端水平相对，阴极电解液的流动方式为：右端进、下端出，构成微流体逆流结构。阳极和阴极入口处各自设有催化层，基板的盖板下面设有集流板，连接集流板的导线通过孔道与系统外检测装置连接。本发明是基于微流体燃料单电池组成模块化电池堆，在维持原燃料消耗率基本不变的前提下，提高了电池输出性能，可以适应不同的输出电压需求。

Description

一种顺逆流微流体模块化混合式燃料电池堆及其制备方法

技术领域

本发明属于燃料电池技术领域，具体涉及一种微流体模块化混合式燃料电池堆及其制备方法。

背景技术

微流体燃料电池是一种能够将燃料和氧化剂的化学能直接转化为电能的能源装置，具有体积小、能量密度高、清洁高效、便于携带等优点。因此，微流体燃料电池有望替代锂电池成为即时检测电子设备的电源装置。然而，微流体燃料电池面临的主要技术缺陷是输出功率和燃料利用率较低，限制了其在实际中的应用。因此，国内外学者对构建性能优越的微流体电池堆作为研发重点。

为满足实际应用需求，目前已设计出4×4的平行阵列式电堆结构，以及将传统微流体燃料电池单一出口更改为阴阳极及混合物三个出口，并设计树状分支状结构电堆。但是，这些方式虽然增强了微流体燃料电池电堆性能，但是同时也增加了电堆控制复杂性。因为受限于流动的非均匀分布以及燃料氧化剂分流损失，使得燃料利用率仍相对较低。为了在实际应用中更好的控制流道内电解液流动，在不增加辅助设备和电堆控制复杂性的基础上提高燃料利用率，本发明提出了一种模块化的电堆构建方式。可通过组装不同数量和种类单电池模式满足多种多样的设备能量需求，并且显著提高了电堆性能及燃料利用率。

发明内容

为了解决微流体燃料电池供能的存在的技术缺陷，本发明的目的是，提出一种顺逆流微流体模块化混合式燃料电池堆及其制备方法。

本发明是一种顺逆流微流体模块化混合式燃料电池堆及其制备方法，其中包括：基板、阳极电极、阴极电极、阳极催化层、阴极催化层、集流板、盖板、导线、密封圈、碳纸、激光切割仪、聚二甲硅氧烷板、以及微量注射泵等。其技术方案是：由数块燃料单电池拼接构成燃料电池堆，每块单电池的基板上设有十字形微流道。微流道左端口为凹形阳极入口、上端口为凸形阳极出口、下端口为阴极入口、右端口为阴极出口。阴、阳极电解液的两个入口端相互垂直，两种电解液在微流道中心处各不参混，阴极电解液的流动方式为：下端进、右端出，构成单电池微流体顺流结构。凹形阳极入口处设有阳极催化层；阴极入口处设有阴极催化层。基板顶面设有盖板，盖板下面所对应的阴、阳极催化层处设有集流板，集流板开有孔道，连接集流板的导线通过孔道与系统外部的电化学检测装置连接。在凸形阳极出口和阴极出口处设有密封圈，密封圈的截面积与两个出口处的截面积相同，用于密封相邻电池入口和出口的接触面。

如果微流道左端口为凹形阳极入口、上端口为凸形阳极出口、右端口为阴极入口、下端口为阴极出口。阴、阳极电解液的两个入口端水平相对，两种电解液在微流道中心处各不参混，阴极电解液的流动方式为：右端进、下端出，从而则构成单电池微流体逆流结构。

作为一种顺逆流微流体模块化混合式燃料电池堆的制备方法，其方法步骤如下：

步骤(1)，用静电喷涂仪将制备好的铂炭(Pt/C)催化剂喷涂在碳纸上，并在碳纸上涂抹Nafion溶液，防止催化剂脱落。

步骤(2)，通过绘图与排版软件绘制所述微流体燃料单电池的微流道结构，调节激光切割仪激光强度在所述基板上烧蚀所述十字形微流道，并将单电池微流道切割成模块化可装配结构。

步骤(3)，将裁剪好的阴极电极和阳极电极分别放入所述阳、阴极微流道中。

步骤(4)，将带有所述集流板的玻璃盖板粘贴在所述基板上，并保证微流道的密封。

步骤(5)，将两个顺流结构的单电池和一个所述逆流结构的单电池，按照上一级单电池的阴、阳极出口对应下一级单电池的阴、阳极入口的方式，用密封圈组装在一起。

步骤(6)，将组装好的电池堆通过导线与系统外部的电化学检测装置连接进行性能测试，并用微量注射泵向基板上的阳极入口注入甲酸与硫酸的混合溶液；向阴极入口注入过氧化氢与硫酸的混合溶液。

作为创新，本发明包括顺流结构和逆流结构的模块化两种微流体单电池，在结构设置上均包括玻璃盖板、基板、密封圈、集流板和阴、阳极催化层，区别在于是在基板上蚀刻出不同顺、逆流微流道走向结构。

单电池微通道入口处为凹型结构，出口为凸型结构，不同单电池出口和入口可实现配合连接，通过密封垫圈实现不同单电池出入口流道的密封连接，保证流道的密封性。根据顺逆流单电池的结构，分别按照上一级的阴极出口对应下一级的阴极入口的方式，以及上一级的阳极出口对应下一级的阳极入口的方式，实现模块化燃料电池的组合堆积。

作为创新，本发明使得燃料和氧化剂分别从上一级的电池当中出口流出，并进入下一级电池继续参与反应，可根据实际电压和空间等不同需求，设计顺逆流微流体燃料电池混合电堆。燃料和氧化剂在两个电池中都进行化学反应产生电流，可以提高整体电池的燃料利用率，与此同时，多个电池的串、并联也能提升总体电池的输出功率，解决了微流体燃料电池燃料利用率低和对外输出总功率小的关键问题。

作为本发明的优选方案，阳极电极工作液采用甲酸与硫酸的混合溶液，阴极电极工作液采用过氧化氢与硫酸的混合溶液。

本发明的特点以及产生的有益效果是：(1)提出一种模块化电堆设计和控制方法，优化了电池内部燃料、氧化剂以及质子的传输及扩散，提升微流体燃料电池堆性能并优化控制策略，可有效提高燃料利用率和电池输出功率；(2)单电池设计结构及制造简单，电堆组装操作方便，可以按照实际应用需求进行拼装；(3)燃料和反应产物安全卫生，无毒无害，环境友好。

附图说明

图1是本发明顺流结构微流体燃料电池单电池结构示意图。

图2是本发明逆流结构微流体燃料电池单电池结构示意图。

图3是本发明顺-顺-逆流微流体模块化混合式微流体燃料电池堆示意图。

具体实施方式

下面参照附图并通过实施例对本发明的结构进行更详细地说明。

顺逆流微流体模块化混合式燃料电池堆及其制备方法，其结构是：由数块燃料单电池拼接构成燃料电池堆，每块单电池的基板1上设有十字形微流道2。微流道左端口为凹形阳极入口3、上端口为凸形阳极出口4、下端口为阴极入口5、右端口为阴极出口6。阴、阳极电解液的两个入口端相互垂直，两种电解液在微流道中心处各不参混，阴极电解液的流动方式为：下端进、右端出(如图1箭头所指路径)，构成单电池微流体顺流结构。凹形阳极入口处设有阳极催化层7；阴极入口处设有阴极催化层8。基板顶面设有盖板9，盖板下面所对应的阴、阳极催化层处设有集流板10，集流板开有孔道11，连接集流板的导线12通过孔道与系统外部的电化学检测装置连接。在凸形阳极出口和阴极出口处设有密封圈13(如图3)，密封圈的截面积与两个出口处的截面积相同，用于密封相邻电池入口和出口的接触面。

微流道左端口为凹形阳极入口、上端口为凸形阳极出口、右端口为阴极入口、下端口为阴极出口。阴、阳极电解液的两个入口端水平相对，两种电解液在微流道中心处各不参混，阴极电解液的流动方式为：右端进、下端出(如图2箭头所指路径)，从而构成单电池微流体逆流结构。

阳极采用甲酸与硫酸的混合溶液，阴极采用过氧化氢与硫酸的混合溶液。

盖板为玻璃材质，所述底板由耐腐蚀的材料制成。阳极催化层和阴极催化层均是含有铂炭催化剂的多孔纤维炭纸构成。

单电池基板的长×宽×高为50×50×1mm；凸型阳极出口段的长×宽×高为10×8×5mm；凸型阴极出口段的长×宽×高为10×8×5mm；阳极电极的长×宽×高为4.5×1.25×5mm；阴极电极的长×宽×高为4.5×1.25×5mm。十字形微流道截面的高×宽为4.5×1.25mm。基板材料是PDMS聚二甲基硅氧烷。

顺逆流微流体模块化混合式燃料电池堆的制备方法，其方法步骤如下：

(1)将碳纸在制备好的铂炭催化剂溶液中充分浸润，放置在65℃烘干箱中烘干3小时，裁剪成阴极电极和阳极电极的多孔纤维电极。

(2)通过绘图与排版软件绘制所述微流体燃料单电池的微流道结构，调节激光切割仪激光强度在所述基板上烧蚀所述十字形微流道，并将单电池微流道切割成模块化可装配结构。

(3)将裁剪好的阴极电极和阳极电极分别放入所述阳、阴极微流道中。

(4)将带有所述集流板的玻璃盖板粘贴在所述基板上，并保证微流道的密封。

(5)将两个所述顺流结构的单电池和一个所述逆流结构的单电池，按照上一级单电池的阴、阳极出口对应下一级单电池的阴、阳极入口的方式，用所述密封圈组装在一起。

(6)将组装好的电池堆通过导线与系统外部的电化学检测装置连接进行性能测试，并用微量注射泵向基板上的阳极入口注入甲酸与硫酸的混合溶液；向阴极入口注入过氧化氢与硫酸的混合溶液。

图3是由两个顺流结构的单电池(图1)和一个逆流结构的单电池(图2)，按照上一级的阴阳极出口对应下一级阴阳极入口的方式组合构成，接口处均由密封圈密封。

本实施例中，采用CorelDRAW软件绘制微流体燃料电池流道结构，调节激光切割仪激光强度在聚二甲硅氧烷板(PDMS)上烧蚀微流道，并将其切割成模块化可装配结构，可获得不同厚度截面宽度及厚度的微流道。然后将准备好的催化层电极裁剪好后分别放入相应的微流道阴阳极流道中，将带集流板的玻璃盖板粘在PDMS基板上并保证微流道的密封。通过与集流板连接的导线与电池堆系统外部的电化学检测装置进行连接，对微流体燃料电池进行输出电压、电流的检测。达标后采用微量注射泵向阴阳极入口分别注入氧化剂和燃料，同时使用储液器皿收集阴阳极出口溶液。

作为实施例，催化剂用喷涂法制备，用静电喷涂仪将制备好的铂炭(Pt/C)催化剂喷涂在碳纸上，并在碳纸上涂抹Nafion溶液，防止催化剂脱落。Nafion溶液是全氟磺酸型聚合物溶液，Nafion溶液作为催化剂的涂层和载体，可以降低了物质的传输阻力和电极的电阻。

本实施例中，采用密封圈连接相邻两个单电池上级出口及下级入口，保证密封垫片与微流体尺寸一致不影响液体的流动。

在制备方法中，电池堆使用储液器皿收集阴、阳极出口溶液。

本发明对微流体燃料单电池进行优化，设计出电池堆的模块化组合方式，在维持原燃料消耗率基本不变的前提下，提高了电池输出性能。

作为实施例：采取串联的电路连接方式保证同一输出电流密度(100A/m²)时，顺流单电池输出电压为1.73V，逆流单电池输出电压为1.71V，顺-顺-逆流电池组输出电压为5.09V，电池组达到了倍数于单电池电压的电压输出，还可以适应不同的输出电压需求。

作为实施例：采用并联电路连接方式保证同一输出电压(1.6V)时。顺流单电池输出电流密度为143.66A/m2，逆流单电池输出电流密度为144.97A/m2，顺-顺-逆流电池组输出电流密度为424.72A/m2，电池组几乎达到了倍数于单电池电压的电流输出。使用者也可以按照自己的需求，遵循一定的规则自行将单电池组装成不同于(图3的)其他形式电池堆，因此微流体模块化燃料电池堆在便携式电子设备领域具有广泛的应用前景。

Claims (8)

1.一种顺逆流微流体模块化混合式燃料电池堆，包括：基板、阳极电极、阴极电极、阳极催化层、阴极催化层、集流板、盖板、导线、密封圈、碳纸、激光切割仪、聚二甲硅氧烷板、微量注射泵，甲酸与硫酸的混合溶液、过氧化氢与硫酸的混合溶液、Nafion溶液、以及系统外部的电化学检测装置，其特征在是：由数块燃料单电池拼接构成燃料电池堆，每块单电池的基板(1)上设有十字形微流道(2)，微流道左端口为凹形阳极入口(3)、上端口为凸形阳极出口(4)、下端口为阴极入口(5)、右端口为阴极出口(6)，阴、阳极电解液的两个入口端相互垂直，两种电解液在微流道中心处各不参混，阴极电解液的流动方式为：下端进、右端出，从而构成单电池微流体顺流结构，凹形阳极入口处设有阳极催化层(7)；阴极入口处设有阴极催化层(8)，基板顶面设有盖板(9)，盖板下面所对应的阴、阳极催化层处设有集流板(10)，集流板开有孔道(11)，连接集流板的导线(12)通过孔道与系统外部的电化学检测装置连接，在凸形阳极出口和阴极出口处设有密封圈(13)，密封圈的截面积与两个出口处的截面积相同，用于密封相邻电池入口和出口的接触面。

2.按照权利要求1所述的一种顺逆流微流体模块化混合式燃料电池堆，其特征是：所述微流道左端口为凹形阳极入口、上端口为凸形阳极出口、右端口为阴极入口、下端口为阴极出口，阴、阳极电解液的两个入口端水平相对，两种电解液在微流道中心处各不参混，阴极电解液的流动方式为：右端进、下端出，从而构成单电池微流体逆流结构。

3.按照权利要求1所述的一种顺逆流微流体模块化混合式燃料电池堆，其特征是：阳极采用甲酸与硫酸的混合溶液，阴极采用过氧化氢与硫酸的混合溶液。

4.按照权利要求1所述的一种顺逆流微流体模块化混合式燃料电池堆，其特征是：所述盖板为玻璃材质，所述底板由耐腐蚀的材料制成。

5.按照权利要求1或2所述的一种顺逆流微流体模块化混合式燃料电池堆，其特征是：所述阳极催化层和阴极催化层均是含有铂炭催化剂的多孔纤维炭纸构成。

6.根据权利要求1所述的一种顺逆流微流体模块化混合式燃料电池堆，其特征是：所述单电池基板的长×宽×高为50×50×1mm；凸型阳极出口段的长×宽×高为10×8×5mm；凸型阴极出口段的长×宽×高为10×8×5mm；阳极电极的长×宽×高为4.5×1.25×5mm；阴极电极的长×宽×高为4.5×1.25×5mm，所述十字形微流道截面的高×宽为4.5×1.25mm。

7.按照权利要求1所述的一种顺逆流微流体模块化混合式燃料电池堆，其特征是：所述基板材料为聚二甲硅氧烷板。

8.一种如权利要求1-7中任一项所述的一种顺逆流微流体模块化混合式燃料电池堆的制备方法，其特征是：方法步骤如下：

步骤(1)，用静电喷涂仪将制备好的铂炭催化剂喷涂在碳纸上，并在碳纸上涂抹Nafion溶液，防止催化剂脱落；

步骤(2)，通过绘图与排版软件绘制所述微流体燃料单电池的微流道结构，调节激光切割仪激光强度在所述基板上烧蚀所述十字形微流道，并将单电池微流道切割成模块化可装配结构；

步骤(3)，将裁剪好的阴极电极和阳极电极分别放入所述阳、阴极微流道中；

步骤(4)，将带有所述集流板的玻璃盖板粘贴在所述基板上，并保证微流道的密封；

步骤(5)，将两个所述顺流结构的单电池和一个所述逆流结构的单电池，按照上一级单电池的阴、阳极出口对应下一级单电池的阴、阳极入口的方式，用所述密封圈组装在一起；

步骤(6)，将所述组装好的电池堆通过所述导线与系统外部的电化学检测装置连接进行性能测试，然后用微量注射泵向所述基板上的阳极入口注入所述甲酸与硫酸的混合溶液；向阴极入口注入过氧化氢与硫酸的混合溶液。

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