[发明专利]具有浸没微射流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浸没微射流的空气自呼吸无膜微流体燃料电池，包括按从左往右或从上往下顺序设置的阴极盖板、阴极电极、阳极电极和阳极底板；其特征在于：阴极电极与阳极电极之间设置有毛细管，该毛细管设置有中心通孔；该毛细管与阴极电极之间设置有阴极流道，该阴极流道与电解液进口和废液出口相连通；该毛细管与阳极电极之间设置有阳极流道；该阳极流道与燃料进口和废液出口相连通；所述毛细管与阳极流道相邻的侧壁上设置有若干射流孔，部分燃料从毛细管一侧流入，经射流孔以浸没微射流形式传输至阳极电极表面，并在阳极电极表面形成燃料薄膜层；本发明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，具体涉及具有浸没微射流的空气自呼吸无膜微流体燃料电池。

背景技术

电子科技的不断进步促进了移动便携式微电子设备的快速普及，如移动手机、平板电脑、智能手表等。此外，快速发展的生物医学即时检验装置、微量测试分析等微型器件(如微传感器等)也对高效微型电源提出了更高的要求。传统电池如锂离子电池存在着诸多问题，如能量密度低、不能长时间连续运行等缺点。而微型燃料电池(如微型直接甲醇燃料电池)相对于传统锂离子电池具有能量密度高、可靠性好、可长期连续运行的突出优点。但微型燃料电池中质子交换膜具有一些固有缺点，如膜引起水管理困难、膜老化、燃料渗透、膜引起较大的欧姆损失等。

近年来得益于光刻/软光刻技术和激光加工技术的不断进步，微流体器件得到了较大发展。微流体有着粘性力大于惯性力、表面力大于体积力、多股流体可形成平行层流流动的特点，从而实现燃料/氧化剂的自然分隔，去除质子交换膜。2002年Ferrigno等人首先提出无膜微流体燃料电池(Membraneless microfluidic fuel cell)，氧化剂和燃料在微通道中形成了平行层流流动并产生了较高的电流密度，证明了去除质子交换膜的可行性。无膜微流体燃料电池又称为基于层流流动的燃料电池(Laminar flow fuel cell)，它是将反应物传递、反应区域、电极都包含在一个微通道中的燃料电池，其优点是降低了成本、无膜相关问题、适应性好等。在研究初期，微流体燃料电池主要采用溶解氧作为氧化剂，但溶解氧的扩散系数以及浓度都较低，使得电池性能受阴极传质限制。Choban等人研究表明阴极电极表面的溶解氧浓度边界层会严重影响氧化剂传质，限制电池性能。针对阴极传质限制，Jayashree等人首次提出空气自呼吸阴极无膜微流体燃料电池，利用空气中扩散系数及浓度均较溶解氧高的氧气消除了阴极侧传质限制，提高了电池性能。以空气自呼吸阴极微流体燃料电池为例，在酸性电解液条件下以甲酸作燃料为例，发生的反应如下，

阳极甲酸氧化反应：

HCOOH→CO2↑+2H++2e-，E0＝－0.198V vs.SHE(标准氢电极)

阴极氧气还原反应：

O2+4H++4e-→2H2O，E0＝1.229V vs.SHE

总反应：

2HCOOH+O2→2CO2↑+2H2O，△E＝1.427V

当燃料和电解液通入电池流道时，燃料和阴极电解液形成平行层流流动，并在液-液界面附近形成扩散混合区。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，质子通过电迁移方式到达阴极与氧气发生还原反应生成水，而CO生成聚并为气泡后会对层流界面造成扰动，影响电池性能。当电流密度增大时，由于燃料在电极表面消耗速率大于燃料向电极的扩散传输速率，反应物得不到及时补充，阳极表面会形成燃料浓度边界层，浓度边界层的存在会限制燃料向阳极表面传输，极大限制了电池性能，并降低了燃料利用率，从而限制了无膜微流体燃料电池的发展应用。