[发明专利]容积式三维阳极催化的自呼吸微流体燃料电池

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。