CN214099659U - 一种基于乳酸燃料的生物燃料电池 - Google Patents

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刘宏
章于道
徐岭
成伟
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Abstract

本实用新型公开了一种基于乳酸燃料的生物燃料电池，所述生物燃料电池包括一对相对设置的叉指电极，其中一个叉指电极包括PI基底、底层铜膜、金膜、阳极岛和阳极颗粒，另一个叉指电极包括PI基底、底层铜膜、金膜、阴极岛和阴极颗粒，其中底层铜膜为岛桥结构，金膜上有随机分布的空洞，阳极岛和阴极岛交错设置。本实用新型提供的基于乳酸燃料的生物燃料电池能够以人的汗液为燃料发电，效率高，可穿戴。

Description

一种基于乳酸燃料的生物燃料电池
技术领域
本实用新型涉及燃料电池领域，特别涉及一种基于乳酸燃料的生物燃料电池。
背景技术
可穿戴电子产品因其巨大的生物医学、计算、娱乐、国防和与环境相关的应用而引起了学术界和工业界的广泛兴趣。近年来，许多嵌入纺织品或直接安装在人体皮肤上的可穿戴设备的例子已经被证明。理想情况下，可穿戴电子产品应该是薄的、紧凑的、柔软的和可伸缩的，以便在不引起体感反冲的情况下实现与人体皮肤的共形整合。由于新制造技术、材料创新和纳米技术的进步，研究人员已经成功地实现了这种可穿戴设备。然而，在实际应用中，一个关键的挑战是缺乏相应的薄可穿戴能源。大多数先前的努力依赖于大容量电池的集成，这严重损害了可穿戴性，为了解决这一问题，人们一直在努力开发薄的、可伸缩的电池和超级电容器，然而这类系统的储能能力有限，需要频繁充电；另一种方法是通过近场通信(NFC)芯片组对可穿戴设备进行无线供电，然而，这种方法需要一个大的、近距离的电源，将受试者固定在一个固定的位置(尽管是无线的)，以防止行为自由的受试者使用。因此开发一种可穿戴的能量采集器十分必要。
实用新型内容
为了解决现有技术中存在的问题，本实用新型提供了一种基于乳酸燃料的生物燃料电池，能够利用人的汗液发电。本实用新型的具体技术方案如下：
本实用新型提供了一种基于乳酸燃料的生物燃料电池，其特征在于，所述生物燃料电池包括相对设置的第一叉指电极和第二叉指电极，所述第一叉指电极包括P I基底、覆盖在所述P I基底上的第一底层铜膜、第一底层铜膜上的多个阳极列序列，所述第二叉指电极包括PI基底、覆盖在所述PI基底上的第二底层铜膜、第二底层铜膜上的多个阴极列序列，所述阳极列序列与所述阴极列序列交替排列，所述第一底层铜膜和所述第二底层铜膜上均覆盖金膜。
进一步地，每个所述阳极列序列包括一个或多个阳极岛，相邻的阳极岛之间通过岛桥连接，每个所述阴极列序列包括一个或多个阴极岛，相邻的阴极岛之间通过岛桥连接。
进一步地，所述阳极岛与所述阴极岛交错排列。
进一步地，所述阳极岛上设置有附在金膜上的阳极颗粒，所述阴极岛上设置有附在金膜上的阴极颗粒。
进一步地，所述第一叉指电极包括阳极行序列，所述多个阳极列序列通过所述阳极行序列连接，所述第二叉指电极包括阴极行序列，所述多个阴极列序列通过所述阴极行序列连接。
进一步地，所述阳极行序列包括多个阳极岛，所述阳极行序列上的阳极岛与一个或两个所述阳极列序列上的阳极岛通过岛桥连接，所述阴极行序列包括多个阴极岛，所述阴极行序列上的阴极岛与一个或两个所述阴极列序列上的阴极岛通过岛桥连接。
进一步地，所述PI基底的厚度为20μm～50μm。
进一步地，所述金膜的厚度为50nm～100nm。
进一步地，所述金膜上分布有一个或多个空洞，所述空洞的直径为5μm～10μm。
本实用新型提供的技术方案带来的有益效果如下：
a.可穿戴、可以人的汗液为原料发电；
b.阳极和阴极密排组成，能够产生最高的功率密度；
c.金膜的空洞提供更好的电子传输路径，提高生物燃料电池的效率；
d.基底用柔性材料制成，便于穿戴。
附图说明
为了更清楚地说明本实用新型实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本实用新型实施例提供的生物燃料电池的第一示意图；
图2是本实用新型实施例提供的生物燃料电池的第二示意图；
图3是本实用新型实施例提供的生物燃料电池的金膜的SEM图像；
图4是本实用新型实施例提供的生物燃料电池的阴极颗粒的第一SEM图像；
图5是本实用新型实施例提供的生物燃料电池的阴极颗粒的第二SEM图像；
图6是本实用新型实施例提供的生物燃料电池的阳极颗粒的第一SEM图像；
图7是本实用新型实施例提供的生物燃料电池的阳极颗粒的第二SEM图像；
图8是本实用新型实施例提供的生物燃料电池的性能测试结果。
其中，附图标记分别为：1-阳极岛、2-阴极岛、3-岛桥。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本实用新型方案，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本实用新型保护的范围。
需要说明的是，本实用新型的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本实用新型的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、装置、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其他步骤或单元。
在本实用新型的一个实施例中，如图1-图8所示，提供了一种基于乳酸燃料的生物燃料电池，其特征在于，所述生物燃料电池包括相对设置的第一叉指电极和第二叉指电极，所述第一叉指电极包括PI基底、覆盖在所述PI基底上的第一底层铜膜、第一底层铜膜上的多个阳极列序列，所述第二叉指电极包括PI基底、覆盖在所述PI基底上的第二底层铜膜、第二底层铜膜上的多个阴极列序列，所述阳极列序列与所述阴极列序列交替排列，所述第一底层铜膜和所述第二底层铜膜上均覆盖金膜。
所述的叉指电极为岛桥结构布置。
在本实用新型的一个实施例中，每个所述阳极列序列包括一个或多个阳极岛1，相邻的阳极岛1之间通过岛桥3连接，每个所述阴极列序列包括一个或多个阴极岛2，相邻的阴极岛2之间通过岛桥3连接。
在本实用新型的一个实施例中，所述阳极岛1与所述阴极岛2交错排列，形成类似于二维密置的排布，每个阳极岛1为另两个阳极岛1和四个阴极岛2组成的六边形所包围，每个阴极岛2为另两个阴极岛2和四个阳极岛1组成的六边形所包围，所述的六边形优选为正六边形。
在本实用新型的一个实施例中，所述阳极岛1上设置有附在金膜上的阳极颗粒，所述阴极岛2上设置有附在金膜上的阴极颗粒。所述的阳极颗粒如图4、图5所示，所述的阴极颗粒如图6、图7所示。
在本实用新型的一个实施例中，所述第一叉指电极包括阳极行序列，所述多个阳极列序列通过所述阳极行序列连接，所述第二叉指电极包括阴极行序列，所述多个阴极列序列通过所述阴极行序列连接。
在本实用新型的一个实施例中，所述阳极行序列包括多个阳极岛1，所述阳极行序列上的阳极岛1与一个或两个所述阳极列序列上的阳极岛1通过岛桥3连接，所述阴极行序列包括多个阴极岛2，所述阴极行序列上的阴极岛2与一个或两个所述阴极列序列上的阴极岛2通过岛桥3连接。
在本实用新型的优选实施例中，所述PI基底的厚度为20μm～50μm，并且在300℃温度下可连续工作1小时无软化变形，冷却后无硬化现象。
在本实用新型的优选实施例中，所述金膜的厚度为50nm～100nm。
在本实用新型的一个实施例中，如图3所示，所述金膜上分布有一个或多个空洞，所述空洞的直径为5μm～10μm，且空洞的分布是随机的。
下面提供一种本实用新型的可选实施例：
一种基于乳酸燃料的生物燃料电池，生物燃料电池是由一对叉指电极构成，叉指电极由多层不同组分材料级联成型，包括PI(聚酰亚胺)可伸展基底、岛桥构形的底层铜膜、铜膜上方为电化学沉积形成的金薄膜，两个叉指电极金膜上方分别为用于阳极发生氧化反应和阴极发生还原反应的基于碳纳米管构架形成的阳极颗粒和阴极颗粒。
所述的阳极颗粒是由SWCNTs(单壁碳纳米管)、NQ、戊二醛(1％)、壳聚糖和乙酸混合得到的复合材料，所述的阴极颗粒是由MWCNTs(多壁碳纳米管)、Ag2O、乙醇和Nafion溶液混合得到的复合材料。
本实用新型提供的生物燃料电池是一种柔性电极生物燃料电池芯片，采用柔性的PI基底，岛-桥结构的叉指电极组合形成的高密度阴阳电极，特定组分材料配方和加工工艺制备的阴阳材料形成的柔性电极生物燃料电池芯片，其性能如图8的测试数据。此燃料电池具有以下优点：
a.阳极和阴极密排组成，它将产生最高的功率密度；
b.空洞金膜提供更好的电子传输路径；
c.碳纳米管构架的阳极颗粒和阴极颗粒提供更大的活性反应截面。
d.阳极、阴极颗粒分别采用SWNT、MWNT，实现氧化反应和还原反应的接近相等的反应截面，获得较大的功率密度输出。
本实用新型是一种基于乳酸燃料的生物燃料电池，通过采用柔性的PI基底，岛-桥结构的叉指电极组合形成的高密度阴阳电极，特定比例和加工工艺制备的阴阳颗粒材料形成的柔性电极生物燃料电池芯片，该实用新型可用于人体汗液等含有乳酸成分的生物燃料到电能的转换，是一个可拉伸、高功率密度可穿戴基于皮肤人体汗液中获取能量的生物燃料电池电子产品。
以上所述仅为本实用新型的较佳实施例，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于乳酸燃料的生物燃料电池，其特征在于，所述生物燃料电池包括相对设置的第一叉指电极和第二叉指电极，所述第一叉指电极包括PI基底、覆盖在所述PI基底上的第一底层铜膜、第一底层铜膜上的多个阳极列序列，所述第二叉指电极包括PI基底、覆盖在所述PI基底上的第二底层铜膜、第二底层铜膜上的多个阴极列序列，所述阳极列序列与所述阴极列序列交替排列，所述第一底层铜膜和所述第二底层铜膜上均覆盖金膜。
2.如权利要求1所述的生物燃料电池，其特征在于，每个所述阳极列序列包括一个或多个阳极岛(1)，相邻的阳极岛(1)之间通过岛桥(3)连接，每个所述阴极列序列包括一个或多个阴极岛(2)，相邻的阴极岛(2)之间通过岛桥(3)连接。
3.如权利要求2所述的生物燃料电池，其特征在于，所述阳极岛(1)与所述阴极岛(2)交错排列。
4.如权利要求2所述的生物燃料电池，其特征在于，所述阳极岛(1)上设置有附在金膜上的阳极颗粒，所述阴极岛(2)上设置有附在金膜上的阴极颗粒。
5.如权利要求2所述的生物燃料电池，其特征在于，所述第一叉指电极包括阳极行序列，所述多个阳极列序列通过所述阳极行序列连接，所述第二叉指电极包括阴极行序列，所述多个阴极列序列通过所述阴极行序列连接。
6.如权利要求5所述的生物燃料电池，其特征在于，所述阳极行序列包括多个阳极岛(1)，所述阳极行序列上的阳极岛(1)与一个或两个所述阳极列序列上的阳极岛(1)通过岛桥(3)连接，所述阴极行序列包括多个阴极岛(2)，所述阴极行序列上的阴极岛(2)与一个或两个所述阴极列序列上的阴极岛(2)通过岛桥(3)连接。
7.如权利要求1所述的生物燃料电池，其特征在于，所述PI基底的厚度为20μm～50μm。
8.如权利要求1所述的生物燃料电池，其特征在于，所述金膜的厚度为50nm～100nm。
9.如权利要求1所述的生物燃料电池，其特征在于，所述金膜上分布有一个或多个空洞，所述空洞的直径为5μm～10μm。
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