[发明专利]一种内嵌阳极的空气自呼吸纸基微流体燃料电池

说明书

本发明公开了一种内嵌阳极的空气自呼吸纸基微流体燃料电池，包括空气自呼吸阴极、流道、阳极和底板；其特征在于：所述流道设置为”Y”型，并由双层或者多层纸基堆叠而成，各层纸基之间留有一定间隙；所述空气自呼吸阴极和阳极分别设置在流道两侧，所述阳极由亲水性电极组成，一端沿水平方向嵌入流道内，并与流道形成楔形间隙；在阳极嵌入流道部分设置有催化层；空气自呼吸阴极设置在阳极的上方并位于流道的另一侧，空气自呼吸阴极的一端放置在顶层纸基上方；所述空气自呼吸阴极由疏水性多孔电极构成，且与顶层纸基接触部分设置有催化层，该催化层面向流道布置；本发明可广泛应用在能源等领域。

技术领域

本发明涉及流体燃料电池领域，具体涉及一种内嵌阳极的空气自呼吸纸基微流体燃料电池。

背景技术

现代社会对环境保护、公共卫生、个人健康的重视程度不断提高，然而目前对环境和体液中各种生化物质浓度检测通常采用大型分析仪器，存在成本高、检测样本需求量大、操作复杂繁琐、检测速度慢、移动困难等缺点。近年来，新一代基于电化学原理的纸基微流体芯片可实现高灵敏度、高特异性的定量检测，被广泛应用于环境保护、生物医学等领域。纸基微流体芯片具有成本低、样品量少、操作简单、分析速度快、结果易读取等特点，较好地符合即时检测技术(point-of-care testing，POCT)现场采样、即时检测并立刻得到检测结果的要求，应用范围不断扩大，产业前景持续向好。然而，上述基于电化学原理的纸基微流体芯片对微型移动电源提出了更高的要求。传统锂离子电池存在能量密度低、自放电损耗大、运行温区小、集成难等缺点，不适用于此类纸基微流体芯片。作为一种新型微型燃料电池，纸基微流体燃料电池利用燃料和氧化剂流体在纸基多孔介质内自发的毛细渗流分隔阴/阳极反应物并允许离子传输，去除了质子交换膜和微泵，使电池设计、制造、加工、运行都更为简单，且更易于实现系统集成。此外，微流体燃料电池能够灵活调控阴/阳极反应物组分，可以使用血糖(葡萄糖)、尿液(尿素)、汗液(乙酸盐)等生物燃料，有望利用体液中化学物质同时实现产电和检测，进一步提高系统集成度，使其成为纸基微流体分析芯片微型电源的最佳选择。

J.P.Esquivel等人于2014年首次提出基于纸内毛细渗流的被动式纸基微流体燃料电池。多孔结构的纤维素层析滤纸经切割为Y形纸基流道，液相反应物(燃料和电解液)依靠纸多孔介质内自发的毛细渗流实现被动输运。由于层析滤纸平均孔径较小(约1～10μm)，使得Re数仅为10^-3左右，燃料和电解液在纸基流道内形成平行毛细流动，两股流体之间物质传递仅为液-液界面处横向扩散。通过适当设计流道几何尺寸能够将混合区域限制在流道中部而不接触两侧电极，实现燃料/电解液自然分隔，从而去除质子交换膜，简化了结构。

目前纸基微流体燃料电池存在的主要问题是阳极侧燃料传质限制。在传统纸基微流体燃料电池中，阳极催化层紧贴纸基流道，燃料以毛细渗流在纸基流道内被动输运，流动速度较低，且主要以扩散方式从纸多孔介质侧传输至阳极多孔催化层，传质速率较低。高电流密度时消耗的燃料不能及时被补充，会在阳极表面附近纸多孔介质内形成燃料浓度较低的区域，即燃料浓度边界层，会显著增大燃料传质阻力，引起浓差极化、限制电池性能。

发明内容

本发明针对现有技术存在的不足，提出了一种内嵌阳极的空气自呼吸纸基微流体燃料电池。