[发明专利]具有一体式圆柱阳极的空气自呼吸无膜微流体燃料电池

说明书

本发明公开了一种具有一体式圆柱阳极的空气自呼吸无膜微流体燃料电池，包括阴极盖板、流道和电池底板，在阴极盖板上设置有阴极空气呼吸孔，该阴极空气呼吸孔的下方设置有空气自呼吸阴极；其特征在于：流道设置在阴极盖板与电池底板之间；该流道内设置有金属圆管；该金属圆管的外表面涂覆有催化层；所述金属圆管与空气自呼吸阴极平行设置；该金属圆管的前部为空心管，其余部分为实心管；在空心管与实心管的交界处的管壁上沿圆周方向设置有若干溢流口；所述金属圆管的前端设置有燃料进口；所述电池底板上设置有废液出口；该废液出口与流道相连通；本发明可以强化燃料传输，有利于系统集成，提高了电池性能；可广泛应用在可广泛应用在能源、化工、环保等领域。

技术领域

本发明涉及燃料电池领域，具体涉及具有一体式圆柱阳极的空气自呼吸无膜微流体燃料电池。

背景技术

目前广泛使用的锂离子电池存在理论能量密度低、充电时间长、正常使用温度区间窄等缺点。微型燃料电池常用高能量密度的甲醇或甲酸等作为燃料，显著高于锂电池的理论能量密度上限；运行环境适应性强、使用温度区间宽；将化学能直接转化为电能，理论能量转化效率高；产物对环境无污染。因此，微型燃料电池(如微型直接甲醇或甲酸燃料电池)在新一代微型电子设备和便携式即时检测装置中具有独特的优势和广泛的应用前景。此外，甲醇或甲酸等可以通过生物质转化、还原CO₂等途径获得，是可再生、环境友好的近零碳循环燃料。然而，微型燃料电池常用离子交换膜分隔液态燃料和氧化剂，存在成本高、水管理困难、欧姆损失大、燃料渗透严重、膜老化降解等技术挑战，严重限制了微型燃料电池的发展和应用。

无膜微流体燃料电池(Membraneless microfluidics fuel cells)利用微通道(特征尺寸为1～1000μm)中流体粘性力大于惯性力、表面力大于体积力(如重力)的特点，使两股或多股流体在微通道中形成平行层流流动，实现了燃料和氧化剂的自然分隔，并可通过层流分界面传导离子，从而去除了离子交换膜，简化结构、降低成本、避免了与膜相关的缺点。空气自呼吸阴极的引入则进一步消除了液态氧化剂引起的阴极传质限制，提高了电池性能。无膜微流体燃料电池将流道、电极等主要部件都包含在一个微通道内，并与现有的微加工工艺兼容，有利于系统集成和大规模制造。

在典型的空气自呼吸无膜微流体燃料电池中，燃料和阴极电解液在微通道中形成平行层流流动，并在层流分界面附近形成扩散混合区。在酸性电解液中，燃料在阳极催化层发生氧化反应生成电子、质子和CO₂，电子通过外电路经负载到达阴极，质子主要以电迁移方式到达阴极与氧气发生还原反应生成水，而CO₂生成聚并为气泡后会对层流分界面造成扰动，影响电池性能。而在碱性电解液中，燃料在阳极催化层发生氧化反应生成电子、水和碳酸盐，碳酸盐随废液排出，电子通过外电路经负载到达阴极结合氧气和水生成氢氧根离子。

当前限制无膜微流体燃料电池性能进一步提高的主要因素是阳极表面燃料浓度边界层。无膜微流体燃料电池中流体为层流流动，燃料扩散传输方向垂直于流动方向。而无膜微流体燃料电池中佩克莱特(Peclet)数一般较高(2000)，使得沿流动方向的对流传输远强于横向的扩散传输。受此影响，阳极表面由于电化学反应消耗引起的燃料浓度降低不能被有效补充，使得阳极表面沿流动方向出现燃料浓度逐渐降低的区域(即燃料浓度边界层)，严重限制燃料传输，限制了电池性能进一步提高。