容积式三维阳极催化的自呼吸微流体燃料电池

摘要

本发明提供一种容积式三维阳极催化的自呼吸微流体燃料电池，包括底板、顶板、阴极电极、阳极电极、隔离棒、进口端板和出口端板；其中，进口端和出口端板分别设置在底板的前后两端，顶板设置在底板的顶部，其特征在于：在底板上设有槽道，进口端板上设有电解液进口和燃料进口，出口端板上设有出口，出口、电解液进口和燃料进口均与槽道相通，电解液通过电解液进口进入槽道，燃料通过燃料进口进入槽道，在槽道的下部放置阳极电极，该阳极电极包括阳极棒，该阳极棒采用导电材料作为基体，并在导电材料表面沉积有催化剂；在阳极电极的上部放置有隔离棒，在顶板上设有空气呼吸孔，空气呼吸孔与槽道相对，阴极电极设置在隔离棒的上方。

说明书

技术领域

本发明涉及微流体燃料电池,具体涉及容积式三维阳极催化的自呼吸微流体燃料电池。

背景技术

微流体燃料电池（Microfluidic fuel cell），也称基于层流的燃料电池（Laminar flow-based fuel cell）或无膜燃料电池（Membraneless fuel cell），它是利用流体在微尺度下层流流动的特点，使得分别包含燃料和氧化剂的两股流体自然分开，可在常温常压下工作。与传统的燃料电池相比，微流体燃料电池不需要质子交换膜，不但具有结构紧凑、成本低的优势，而且避免了与膜相关的燃料渗透、膜干涸、膜退化以及阴极水管理等问题，使其成为便携式电子设备、微型传感器、微型机器人等领域极具潜力的替代电源，然而，现有微流体燃料电池的性能及燃料利用率均较低，严重制约了其发展和应用。

在微流体燃料电池中，电极通常采用位于微通道壁面的平板式结构(US2006003217, WO2006031268-A2, US20060210867)，在微尺度下流体的粘性效应远大于惯性效应，表面力大大超过了体积力，因此，随着反应的进行，阴阳极反应物不断消耗，使得在电极附近反应物浓度不断降低，形成耗尽边界层（Depletion boundary layer），严重制约了阴阳极反应物向电极的传输，降低了燃料利用率和电池性能。采用石墨棒的三维电极结构被应用于全钒氧化还原微流体燃料电池(E. Kjeang, J. McKechnie, D. Sinton, et al. J. Power Sources, 2007, 168(2): 379-390.)，采用氧化还原电对V²⁺/V³⁺和VO²⁺/VO₂⁺ 溶解于稀硫酸中分别作为燃料和氧化剂，与平板式电极设计相比，增大了反应电极的比表面积，使得电池性能和燃料利用率均得到一定程度的提高。但由于含钒废水和废弃物是土壤钒污染的重要来源，为减少钒污染必须对全钒氧化还原微流体燃料电池的废液进行处理，这就增加了整个系统的复杂性和辅助能耗，不利于电池的微型化。相比之下，甲酸、甲醇等有机物作为燃料具有能量密度高、价格低廉、来源更丰富等优点，被广泛应用于微流体燃料电池中，而目前还未见到采用此类燃料的容积式三维阳极结构的微流体燃料电池出现。

由于氧气具有氧化还原电位较高、易获取、反应产物为水、无需进行后处理等优点，在微流体燃料电池的阴极侧大多采用溶解氧作为氧化剂(US7435503, US20060003217, WO2006031268-A2, US20060228622, US20060210867, US20040058217)，但其较小的扩散系数和较低的氧气浓度严重限制了电池阴极侧氧气的传质，极大地降低了电池性能。考虑到氧气在空气中的扩散系数比在溶液中高四个数量级，其浓度也高于氧气在溶液中的浓度，研究者提出了空气自呼吸式阴极结构的微流体燃料电池(R.S. Jayashree, L. Gancs, E.R. Choban, et al. JACS, 2005, 127(48): 16758-16759.)，阴极采用气体扩散电极，直接暴露于空气中，不仅增强了阴极侧的氧气传质，还降低了整个电池系统的寄生能耗，电池性能也大大提高，在同样条件下是采用溶解氧为氧化剂的5倍，但由于阳极侧仍采用平板式电极结构，随着反应的进行，在阳极电极附近仍会形成耗尽边界层，这大大限制了阳极侧反应物的传质，严重影响自呼吸微流体燃料电池的性能。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供容积式三维阳极催化的自呼吸微流体燃料电池，以获得更高的燃料利用率及电池性能。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是，一种容积式三维阳极催化的自呼吸微流体燃料电池，包括底板、顶板、阴极电极、阳极电极、隔离棒、进口端板和出口端板；其中，进口端板和出口端板分别设置在底板的前后两端，顶板设置在底板的顶部，其特点是：在底板上设有槽道，进口端板上设有电解液进口和燃料进口，出口端板上设有出口，出口作为未反应完的燃料、反应产物及电解液的排出口；出口、电解液进口和燃料进口均与槽道相通，电解液通过电解液进口进入槽道，燃料通过燃料进口进入槽道，在槽道的下部放置阳极电极，该阳极电极包括阳极棒，该阳极棒采用导电材料作为基体，并在导电材料表面沉积有催化剂；在阳极电极的上部放置有隔离棒，在顶板上设有空气呼吸孔，空气呼吸孔与槽道相对，阴极电极设置在隔离棒的上方，在靠近隔离棒的阴极电极的一面喷涂有电催化剂，阴极电极的另一面通过空气呼吸孔直接暴露于空气中。 

由于阳极电极包括阳极棒，该阳极棒采用导电材料作为电极基体，并通过电化学沉积法将催化剂沉积于导电材料表面而制成；将阳极棒分层规则布置于槽道内作为阳极电极，因此，在槽道内形成容积式三维阳极催化结构，燃料通过阳极棒之间的微小孔隙流动，电解液在隔离棒之间的微小孔隙内流动，燃料与电解液在形成的液/液界面处靠扩散作用混合，控制燃料和电解液的流速使得两股流体在槽道内形成层流流动，同时保证燃料不会扩散至阴极电极而发生燃料渗透现象，燃料在阳极电极表面被氧化，并同时释放质子和电子，质子通过电解液到达阴极电极，电子通过外电路到达阴极电极，未反应完的燃料、反应产物及电解液通过出口端板上的出口排出电池。在阴极侧，采用碳纸或碳布作为阴极电极，在靠近隔离棒的阴极电极一面喷涂电催化剂Pt/C，将阴极电极另一面通过空气呼吸孔直接暴露于空气中，空气中的氧气通过扩散和自然对流方式传递到阴极电极的催化剂表面，与质子和电子发生电化学还原反应生成水。

本发明在阳极侧采用容积式三维阳极催化结构，增加了电极反应的比表面积，同时，在阴极侧采用自呼吸式电极结构，利用氧气在空气中较高的扩散系数和浓度的优势，从而达到强化阴阳极反应物传质、加快电化学反应速率的目的；

根据本发明所述的容积式三维阳极催化的自呼吸微流体燃料电池的优选方案，所述隔离棒是石墨棒或碳棒。

根据本发明所述的容积式三维阳极催化的自呼吸微流体燃料电池的优选方案，阳极棒用石墨棒或碳棒作为基体，并通过电化学沉积法将催化剂沉积于石墨棒或碳棒表面。

根据本发明所述的容积式三维阳极催化的自呼吸微流体燃料电池的优选方案，底板、顶板、进口端板和出口端板均采用透明材料制成。

根据本发明所述的容积式三维阳极催化的自呼吸微流体燃料电池的优选方案，所述燃料采用甲酸、甲酸盐、甲醇或乙醇。

本发明所述的容积式三维阳极催化的自呼吸微流体燃料电池的有益效果是：本发明在阳极侧采用容积式三维阳极催化结构，增加了电极反应的比表面积，同时，在阴极侧采用自呼吸式电极结构，利用氧气在空气中较高的扩散系数和浓度的优势，从而达到强化阴阳极反应物传质、加快电化学反应速率的目的；本发明提高了微流体燃料电池的性能及燃料利用率，并可以通过改变阳极棒和隔离棒的根数及排列来增加电池组布置的灵活性，同时，本发明所涉及的微流体燃料电池不需要质子交换膜，不但具有结构紧凑、成本低的优势，而且可避免与膜相关的燃料渗透、膜干涸、膜退化以及阴极水管理等问题，具有良好的应用前景。

附图说明

图1是本发明所述的容积式三维阳极催化的自呼吸微流体燃料电池结构示意图。

图2是本发明所述的容积式三维阳极催化的自呼吸微流体燃料电池装配关系图。

图3是进口端板9的主视图。

图4是图3的剖视图。

图5是出口端板6的主视图。

图6是实施例一中槽道内阳极棒15与隔离棒5的布置示意图。

图7是容积式三维阳极催化的自呼吸微流体燃料电池与平板式燃料电池的性能比较图。

图8是容积式三维阳极催化的自呼吸微流体燃料电池与平板式燃料电池的燃料利用率比较图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步的具体描述，但本发明的实施方式不限于此。

参见图1至图6，一种容积式三维阳极催化的自呼吸微流体燃料电池，包括底板2，顶板7，阴极电极1，阳极电极4，隔离棒5，进口端板9和出口端板6；其中，底板2、顶板7、进口端板9和出口端板6均采用透明材料如聚碳酸酯、聚甲基丙烯酸甲酯等制成；其中，进口端板9和出口端板6分别设置在底板2的前后两端，顶板7设置在底板2的顶部，在底板2上沿纵向设有槽道12，进口端板9上设有电解液进口10和燃料进口11，出口端板6上设有出口3，在进口端板9和出口端板6上设置有多个定位孔16，定位孔16的数量按阳极棒15与隔离棒5数量之和设置，定位孔16用于固定阳极棒15和隔离棒5；出口3、电解液进口10和燃料进口11均与槽道12相通，电解液通过电解液进口10以及通道13进入槽道12，燃料通过燃料进口11以及通道14进入槽道12，在槽道12的下部放置阳极电极4，该阳极电极4由N根阳极棒15分层规则设置构成，其中，N为大于等于2的自然数；该阳极棒15采用导电材料作为基体，并通过电化学沉积法将催化剂沉积于导电材料表面而制成；在阳极电极4的上部放置有M根隔离棒5，其中，M为大于等于2的自然数；阳极棒15和隔离棒5的设置，必须保证燃料通过阳极棒15之间的微小孔隙流动，电解液在隔离棒5之间的微小孔隙内流动，燃料与电解液在形成的液/液界面处靠扩散作用混合，并控制燃料和电解液的流速使得两股流体在槽道内形成层流流动，同时保证燃料不会扩散至阴极电极而发生燃料渗透现象；可以设置棒与棒之间微小孔隙的当量直径为0.1毫米至2毫米；在顶板7上设有空气呼吸孔8，空气呼吸孔8与槽道12相对，阴极电极1设置在隔离棒5的上方，可以采用碳纸或碳布作为阴极电极1，在靠近隔离棒5的阴极电极1的一面喷涂电催化剂，阴极电极1的另一面通过空气呼吸孔8直接暴露于空气中。

为方便安装和连接，所述阳极电极4的两端分别伸出进口端板9和出口端板6外，并将阴极电极1的一端引出。

在具体实施例中，隔离棒5与阳极棒15基体材料直径相等；由于石墨棒和碳棒成本低，所述隔离棒5与阳极棒15的基体材料均采用石墨棒或碳棒，并且，阳极棒15还通过电化学沉积法将催化剂沉积于石墨棒或碳棒表面；隔离棒5也可以采用金属棒或其他非金属棒，阳极棒15也可以采用导电金属棒。

本发明所述的一种容积式三维阳极催化的自呼吸微流体燃料电池可采用多种燃料，如甲酸、甲酸盐、甲醇、乙醇等来源丰富的液态有机物，阳极催化剂依据燃料而定，以酸类物质为燃料时需用酸性电解质，以碱类物质为燃料时可用碱性电解质，以醇类或盐类物质为燃料时可用酸性或碱性电解质，阴极电极1喷涂的电催化剂可以采用Pt/C。

下面结合具体实施例，并参见图7和图8，说明本发明的性能及燃料利用率。其中：

图7是容积式三维阳极催化的自呼吸微流体燃料电池与平板式燃料电池的性能比较图。其中，A线是平板式燃料电池的性能曲线；B线 是采用酸性电解质时容积式三维阳极催化的自呼吸微流体燃料电池的性能曲线；C线是采用碱性电解质时容积式三维阳极催化的自呼吸微流体燃料电池的性能曲线

图8是容积式三维阳极催化的自呼吸微流体燃料电池与平板式燃料电池的燃料利用率比较图。其中，A线是平板式燃料电池的燃料利用率曲线；B线是采用酸性电解质时容积式三维阳极催化的自呼吸微流体燃料电池的燃料利用率曲线；C线是采用碱性电解质时容积式三维阳极催化的自呼吸微流体燃料电池的燃料利用率曲线

实施实例一：

在本实施实例中，槽道12长40 mm，其横截面为2.5 mm×6.3 mm，槽道12中布置有12根阳极棒15作为阳极电极4，在阳极棒15的上方布置有8根隔离棒5，阳极棒15与隔离棒5的布置见图6；两根相邻的阳极棒之间、两根相邻的隔离棒5之间以及相邻的阳极棒与隔离棒5之间的中心距均为0.9 mm，并采用直径为0.5 mm的石墨棒作为隔离棒5及阳极棒15的基体，并通过电化学沉积法将催化剂Pd沉积于石墨棒表面制成阳极电极4；采用1 M甲酸溶液作为燃料、0.5 M硫酸溶液作为电解质。本实施例的电池的性能和燃料利用率分别如图7和图8中B线所示。从图中可以看出，在同等条件下，采用本发明的容积式三维阳极催化的自呼吸微流体燃料电池的性能约为采用平板式阳极的自呼吸微流体燃料电池的性能的2.5倍；采用本发明的容积式三维阳极催化的自呼吸微流体燃料电池燃料利用率比采用平板式阳极的自呼吸微流体燃料电池的燃料利用率也有所提高。

实施实例二

与实施例一的不同之处是：采用0.5 M甲酸钠溶液作为燃料、1 M氢氧化钠溶液作为电解质，本实施例的电池的性能和燃料利用率分别如图7和图8中C线所示。从图中可以看出，采用本发明的容积式三维阳极催化的自呼吸微流体燃料电池的性能比平板式微流体燃料电池的性能如图7中A线提高了约50%；采用本发明的容积式三维阳极催化的自呼吸微流体燃料电池的燃料利用率约为平板式微流体燃料电池的燃料利用率如图8中A线的2倍。

从实施例一和实施例二可以得出，本发明提高了微流体燃料电池的性能及燃料利用率。