[发明专利]一种具有水凝胶固态电解质的微型无膜液体燃料电池

说明书

本发明公开了一种具有水凝胶固态电解质的微型无膜液体燃料电池，包括相对设置的自呼吸阴极电极和阳极电极；所述自呼吸阴极电极和阳极电极均包括催化层；其特征在于：在自呼吸阴极电极与阳极电极之间设置有阴极水凝胶和阳极水凝胶；阴极水凝胶设置在自呼吸阴极电极一侧，阳极水凝胶设置在阳极电极一侧，所述阳极水凝胶与阳极电极的催化层接触构成阳极反应界面，所述阴极水凝胶与自呼吸阴极电极的催化层接触构成阴极反应界面；所述阳极水凝胶由水凝胶浸没在一定浓度的燃料与电解液的混合溶液中直至水凝胶达到饱和而获得；所述阴极水凝胶由水凝胶浸没在一定浓度的电解液溶液中直至水凝胶达到饱和而获得；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，具体涉及一种具有水凝胶固态电解质的微型无膜液体燃料电池。

背景技术

燃料电池是一种将燃料中的化学能通过电化学反应直接转化为电能发电装置，其不受卡诺循环限制、能量转化效率高(理论上燃料电池的能量转化效率可高达85％-90％)。根据所使用的电解质，常用的燃料电池包括质子交换膜燃料电池、固体氧化物燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池、磷酸燃料电池和碱性燃料电池等。

目前，氢氧质子交换膜燃料电池是车用燃料电池的首选，但氢气密度低，其存储和运输以及电池的小型化仍然存在技术挑战。直接甲醇燃料电池(Micro direct methanolfuel cell，也是质子交换膜燃料电池的一种)则是便携式电子设备(如笔记本电脑、微型摄像机、微小型电子设备等)的优选供电电源，且甲醇在常温下为液态，便于储存和使用。但这些燃料电池均采用质子交换膜作为电解质传导质子和分隔燃料/氧化剂，而质子交换膜存在的固有缺点(如膜的水管理复杂，膜的物理化学老化，膜成本高昂等问题)严重制约了微型燃料电池的发展。

近年来得益于微加工技术的发展，微流体燃料电池首次被美国哈佛大学Ferrigno等人首次提出。微流体燃料电池(Microfluidic fuel cells)又称为无膜燃料电池(Membraneless fuel cells)或层流流动燃料电池(Co-laminar flow based fuelcells)，它是基于流体在微尺度(1-1000μm)下具有的粘性力大于惯性力、表面力大于体积力、多股流体或两股流体可自然形成平行层流的特点，实现燃料和氧化剂的自然分隔，从而无需质子交换膜，完全消除了由膜引起的相关问题。微流体燃料电池早期研究表明电池的输出功率密度已达到了微型直接甲醇燃料电池的水平，有望成为下一代微型电子设备的供电电源。微流体燃料电池常用燃料一般有甲酸，甲醇，硼氢化钠，钒氧化还原电对等，由于硼氢化钠溶于水后生成的硼氢根离子在常温常压下易自分解，钒离子对环境有害等问题。甲酸和甲醇性质较为稳定，反应生成物对环境无污染，并且甲酸和甲醇可以由生物质发酵或光催化还原二氧化碳加氢制得，是良好的二次可再生燃料。微流体燃料电池常用氧化剂一般为溶解氧，过氧化氢，高锰酸钾等，但由于氧气在水溶液中溶解度较低，限制了阴极性能；而过氧化氢在被还原过程中会发生自分解降低电池开路电压；高锰酸钾在反应过程中会生成二氧化锰沉淀物附着在电极表面影响电池性能。

有学者提出空气自呼吸阴极微流体燃料电池，利用空气中的氧气通过多孔扩散电极到达阴极催化层作为氧化剂，相对于溶解氧，极大提高了电池的产电性能。但是，空气自呼吸阴极直接甲酸微流体燃料电池，阳极燃料/电解液和阴极电解液通过一定方式通入微通道中形成层流流动，燃料甲酸在阳极电极表面被氧化生成二氧化碳、质子和电子，二氧化碳随溶液排出，质子通过电解液传递到阴极，电子通过外电路到达阴极产生电流。氧气依次通过气体扩散层，微孔层到达阴极催化层结合质子和电子生成水。在电池内整个反应发生过程中，燃料和氧化剂层流流动需要泵维持，两侧流体流速越慢甚至静止时，会造成严重的燃料渗透问题。也有研究表明电池的放置位置/角度即流体重力因素同样会影响层流流动，降低电池性能。外界晃动同样会干扰层流界面。泵的使用存在泵功的损耗问题，降低了电池的净输出功率。燃料储液罐无泵功损失，但增加了电池的整体体积，不利于电池微型化。同时电池内阴极电解液和阳极支持电解液一般为硫酸溶液，具有强酸性和腐蚀性，对于电池的密封及装配提出更高的技术要求。

发明内容