[发明专利]一种仿鱼鳃表面微纳结构的空气阴极

说明书

一种仿鱼鳃表面微纳结构的空气阴极属空气阴极燃料电池领域。本发明在传统空气阴极基础上，针对空气燃料电池在空气阴极扩散层氧气传质方面存在的局限，结合氧气供给时产生的速度，基于鱼鳃表面微纳机构的启示，设计了空气阴极的扩散层微纳机构表面，加速气体传质速率，提高空气阴极的性能。本发明在阴极扩散层上每平方厘米设有16个大凹槽，半径为1mm，深度为0.1mm，排布于扩散层一侧，每个大凹槽内部排布有25个小凹槽，半径为0.1mm，深度为0.1mm。在有一定的风速流过空气阴极表面时，凹槽能改变气体流场的分布，延长气体在阴极表面的停留时间；形成湍流，产生垂直于阴极表面的分速度，从而加快空气透过扩散层，达到提高电池反应速率的效果。

技术领域

本发明属空气燃料电池领域，具体涉及一种仿生空气阴极扩散层的结构设计。

背景技术

空气燃料电池是新能源研究的焦点之一，有望应用于新能源汽车、临时供电装置等领域。一般空气阴极燃料电池由空气阴极、电解液腔体、阳极三部分组成，每一部分的性能均会影响电池的功率输出，因此空气阴极的优化和改进亦是至关重要。空气阴极由空气扩散层、集流板、催化层三部分组成，在其气/液/固三相界面上发生氧还原反应，氧还原反应发生的快慢和多寡决定着空气阴极提供电子的能力。氧气传质的效率与催化剂催化氧还原反应的速率双重决定着空气阴极的性能。本发明旨在通过设计扩散层表面结构，影响氧气在其表面的流动，提高氧气传质效率。

鱼类能在氧含量稀少的水中自由呼吸并完成各项生命活动，研究发现鱼鳃表面存在大量凹槽和凸包结构，在呼吸过程中，鱼鳃表面的这些结构能够改变流体的流场分布，形成湍流，延长鱼鳃与水中氧分子的接触时间，提高氧气的交换效率，从而增强鱼类的呼吸能力。

基于鱼鳃表面优异结构，本发明设计一种扩散层的仿生表面结构，增强空气阴极的传质效率，具有重要意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能提高空气阴极扩散层氧气传输效率的空气阴极。基于鱼鳃表面存在大量凹槽凸包结构，设计该仿生空气阴极的扩散层表面结构。在空气阴极表面存在一定的风速时，扩散层表面的结构能改变其附近流动空气的流场，形成湍流，进而提高扩散层氧气的交换速率，提高电池的性能。

本发明在每平方厘米即边长为10mm_×10mm扩散层的外表面设置有两层圆柱形凹槽，外层设置有16个大凹槽，半径为1mm，深度为0.1mm，且均匀分布于扩散层外表面；内层设置有16_×25个小凹槽，每个大凹槽内部设置有25个小凹槽，半径为0.1mm,深度为0.1mm，分四圈排布。

每平方厘米即边长为10mm_×10mm扩散层外层设置有16个大凹槽，且大凹槽规则排布，每一横排的大凹槽圆心的水平距离L1为2.5mm，每一竖排的大凹槽圆心之间的距离L2为2.5mm，且每一竖排相邻竖排的大凹槽的圆心位于该竖排两圆心所连线段的垂直平分线上。

每个大凹槽的内部排布有25个小凹槽，即每平方厘米内层设置有16_×25个小凹槽，小凹槽分四圈排布，第一圈只有1个小凹槽，位于大凹槽的圆心位置；第二圈有4个小凹槽，四个小凹槽的圆心位于以大凹槽的中心为圆心，半径为0.3mm的圆周上，且相邻两个小凹槽之间的角度为90°；第三圈有4个小凹槽，4个小凹槽的圆心位于以大凹槽的中心为圆心，半径为0.5mm的圆周上，相邻两个小凹槽之间的角度为90°，且四个小凹槽的圆心位于第二圈相邻两个小凹槽圆心的角平分线上；第四圈有16个小凹槽，16个小凹槽的圆心位于以大凹槽的中心为圆心，半径为0.75mm的圆周上，且相邻两个小凹槽之间的角度为22.5°。

附图说明

图1为常见空气阴极。

图2为仿鱼鳃表面微纳结构空气阴极的纵向剖面图。

图3为每平方厘米空气阴极大凹槽的排布图。

图4为每个大凹槽内部小凹槽的排布图。