单通道线基过氧化氢无膜被动式微流体燃料电池.pdf

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1、(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201911332248.7 (22)申请日 2019.12.22 (71)申请人 重庆大学 地址 400030 重庆市沙坪坝区沙正街174号 (72)发明人 叶丁丁刘振飞朱恂陈蓉 廖强李俊付乾 (74)专利代理机构 重庆市诺兴专利代理事务所 (普通合伙) 50239 代理人 卢玲 (51)Int.Cl. H01M 8/0258(2016.01) H01M 8/0202(2016.01) (54)发明名称 一种单通道线基过氧化氢无膜被动式微流 体燃料电池 (57)摘要 本发明公开。

2、了一种单通道线基过氧化氢无 膜被动式微流体燃料电池， 包括盖板、 阳极电极、 阴极电极、 棉线流道和支撑板； 其特征在于： 阳极 电极、 阴极电极按左、 右对称布置在支撑板上， 阳 极电极、 阴极电极之间留有间隙， 在阳极电极和 阴极电极上放置棉线流道； 所述棉线流道的左、 右部分分别与阴极电极和阳极电极重叠， 棉线流 道的进、 出口设置一定的高度差； 所述棉线流道 为燃料和电解液的流动通道， 棉线流道将燃料和 电解液输送到阳极电极和阴极电极表面， 燃料采 用过氧化氢， 棉线流道采用多条亲水性棉线制 成； 本发明采用单股棉线作为流道， 燃料和氧化 剂利用毛细力或者毛细力耦合重力作用实现被 动式。

3、运输， 可广泛应用在化工、 能源、 环保等领 域。 权利要求书1页 说明书3页 附图3页 CN 110993983 A 2020.04.10 CN 110993983 A 1.一种单通道线基过氧化氢无膜被动式微流体燃料电池， 包括盖板(2)、 阳极电极(4)、 阴极电极(5)、 棉线流道(6)和支撑板(3)； 其特征在于： 阳极电极(4)、 阴极电极(5)按左、 右 对称布置在支撑板(3)上， 阳极电极(4)、 阴极电极(5)之间留有间隙， 在阳极电极(4)和阴极 电极(5)上放置棉线流道(6)； 所述棉线流道(6)的左、 右部分分别与阴极电极(5)和阳极电 极(4)重叠， 棉线流道(6)的进。

4、、 出口设置一定的高度差； 所述棉线流道(6)为燃料和电解液 的流动通道， 棉线流道(6)将燃料和电解液输送到阳极电极(4)和阴极电极(5)表面， 燃料采 用过氧化氢， 棉线流道(6)采用多条亲水性棉线制成。 2.根据权利要求1所述的一种单通道线基过氧化氢无膜被动式微流体燃料电池， 其特 征在于： 所述阳极电极(4)采用金属电极。 3.根据权利要求1所述的一种单通道线基过氧化氢无膜被动式微流体燃料电池， 其特 征在于： 所述阴极电极(5)采用导电基底， 并将制备好的催化剂通过浸渍或者喷涂的方式沉 积在导电基底表面。 4.根据权利要求1所述的一种单通道线基过氧化氢无膜被动式微流体燃料电池， 其特。

5、 征在于： 所述盖板(2)和支撑板(3)均采用耐腐蚀的聚合物或玻璃材质制成。 5.根据权利要求1所述的一种单通道线基过氧化氢无膜被动式微流体燃料电池， 其特 征在于： 所述盖板(2)的底部设置有凹槽(8)， 该凹槽与棉线流道(6)对应设置。 权利要求书 1/1 页 2 CN 110993983 A 2 一种单通道线基过氧化氢无膜被动式微流体燃料电池 技术领域 0001 本发明涉及燃料电池领域， 具体涉及一种单通道线基过氧化氢无膜被动式微流体 燃料电池。 背景技术 0002 近些年来， 随着科技的发展和人民生活水平的提高， 越来越多的移动便携式电子 产品走进了人们的生活， 而这些电子产品对具有高。

6、效率高能量密度的微型化电源提出了迫 切的要求。 目前常见的微型便携式移动电源有太阳能电池， 锂电池， 微型直接甲醇燃料电池 等。 太阳能电池受环境、 天气影响较大且光电转化效率低； 锂电池的安全性较差、 成本较高 且不能实现连续运行； 而微型直接甲醇燃料电池面临着水管理问题， 催化剂易中毒以及燃 料渗透等问题。 0003 为例克服这些电源的缺陷， 有研究学者在2002年提出了无膜微流体燃料电池 (Membraneless microfluidic fuel cells， MMFCs)。 该燃料电池是基于层流效应， 可以实 现多股流体在微通道内层流流动， 从而分隔阴阳极， 去除质子交换膜及避免由。

7、膜引发的一 系列问题。 由于该电池具有结构简单、 能量密度高、 易于集成且运行安静等优点， 引起了众 多学者们的广泛关注和研究。 然而， 传统的无膜微流体燃料电池外置注射泵来维持微通道 内阳极液与阴极液的层流流动， 这不仅增加了系统的额外能耗， 而且也利于电池的便携式 和微型化。 0004 近几年研究学者们把目光投向了多孔且亲水材料纸， 这是因为当纸作为流道， 液体可以通过毛细作用力实现在纸上的被动式输送， 从而去除了泵的需求。 2014年， Esquivel等人首次提出了纸基无膜微流体燃料电池， 在使用甲醇做燃料， 空气中的氧气做 氧化剂时， 最大功率密度可达4.4mW cm-2。 但是纸在。

8、长期浸润下， 纸的机械性能会变差， 耐久 性差以及会发生燃料泄漏等问题。 棉线是生活中一种常见的材料， 成本低廉， 除了具有纸的 多孔和亲水性之外， 它的机械性也比纸强， 另外棉线可通过机器或手动编织成任意形状任 意尺寸， 具有较高的灵活性。 因此， 可将线作为被动式无膜微流体燃料电池中输运液体的通 道。 发明内容 0005 针对现有结构存在的缺陷及改进需求， 本发明所要解决的技术问题在于提供具体 涉及一种单通道线基过氧化氢无膜被动式微流体燃料电池。 0006 本发明的技术方案是： 一种单通道线基过氧化氢无膜被动式微流体燃料电池， 包 括盖板、 阳极电极、 阴极电极、 棉线流道和支撑板； 其特。

9、征在于： 阳极电极、 阴极电极按左、 右 对称布置在支撑板上， 阳极电极、 阴极电极之间留有间隙， 在阳极电极和阴极电极上放置棉 线流道； 所述棉线流道的左、 右部分分别与阴极电极和阳极电极重叠， 棉线流道的进、 出口 设置一定的高度差； 所述棉线流道为燃料和电解液的流动通道， 棉线流道将燃料和电解液 输送到阳极电极和阴极电极表面， 燃料采用过氧化氢， 棉线流道采用多条亲水性棉线制成。 说明书 1/3 页 3 CN 110993983 A 3 0007 本发明采用棉线作为流道， 利用毛细力或者毛细作用力耦合重力作用实现燃料和 电解液的被动式输送， 从而去除了注射泵， 不仅减少了额外的能耗， 而。

10、且更利于便携式和集 成； 本发明所制备的阴阳极催化剂对H2O2具有选择催化性， 所以在本发明所提出的燃料电池 中燃料和氧化剂均采用H2O2； 本发明中所使用的H2O2是一种不含碳的能量载体， 反应后的产 物为水和氧气， 对环境无害； 本发明所提出的燃料电池结构可以实现单股流道运行， 大大简 化了电池结构。 0008 根据本发明所述的一种单通道线基过氧化氢无膜被动式微流体燃料电池的优选 方案， 所述阳极电极采用镍、 铝等金属电极。 。 0009 根据本发明所述的一种单通道线基过氧化氢无膜被动式微流体燃料电池的优选 方案， 所述阴极电极采用碳布、 碳纸、 碳毡等导电基底， 并将制备好的催化剂PB+。

11、MWCNT通过 浸渍或者喷涂的方式沉积在碳布、 碳纸、 碳毡等导电基底表面。 0010 根据本发明所述的一种单通道线基过氧化氢无膜被动式微流体燃料电池的优选 方案， 所述盖板和支撑板均采用耐腐蚀的聚合物或玻璃材质制成。 0011 根据本发明所述的一种单通道线基过氧化氢无膜被动式微流体燃料电池的优选 方案， 所述盖板的底部设置有凹槽， 该凹槽与棉线流道对应设置， 保证棉线流道不被上盖板 压住而影响液体流动。 0012 本发明所述的一种单通道线基过氧化氢无膜被动式微流体燃料电池的有益效果 是： 本发明采用单股棉线作为流道， 燃料和氧化剂利用毛细力耦合重力作用实现被动式运 输， 去除了传统微流体燃料。

12、电池对注射泵的依赖， 这对整个系统而言， 减少了额外的能耗， 而且更利于便携式和集成； 本发明所提出的燃料电池中燃料和氧化剂均采用H2O2， 对整个燃 料电池而言可以实现单股流道运行， 相比于传统的微流体燃料电池这也大大简化了电池结 构； 本发明中所使用的H2O2是一种不含碳的能量载体， 反应后的产物为水和氧气， 对环境无 害； 本发明结构简单， 易于集成， 便于携带， 操作方便， 成本较低， 不仅可作为移动便携式微 型电源使用， 而且还可以作为H2O2电化学传感器使用， 具有广泛的应用前景； 可广泛应用在 化工、 能源、 环保等领域。 附图说明 0013 图1是本发明所述的一种单通道线基过氧。

13、化氢无膜被动式微流体燃料电池的结构 示意图。 0014 图2是本发明所述的一种单通道线基过氧化氢无膜被动式微流体燃料电池分解示 意图。 0015 图3是本发明所述的一种单通道线基过氧化氢无膜被动式微流体燃料电池性能 图。 具体实施方式 0016 下面结合附图和具体实施实例对本发明的技术方案进行进一步详细的说明。 但应 该指出， 本发明的实施不限于以下的实施方式。 0017 参见图1至图2， 一种单通道线基过氧化氢无膜被动式微流体燃料电池， 由螺栓1、 盖板2、 阳极电极4、 阴极电极5、 棉线流道6、 支撑板3和螺母7构成； 阳极电极4、 阴极电极5按 说明书 2/3 页 4 CN 11099。

14、3983 A 4 左、 右对称布置在支撑板3上， 阳极电极4、 阴极电极5之间留有间隙， 在阳极电极4和阴极电 极5上放置棉线流道6； 所述棉线流道6的左、 右部分分别与阴极电极5和阳极电极4重叠， 棉 线流道6的进、 出口设置一定的高度差， 比如25cm； 所述棉线流道6为燃料和电解液的流动 通道， 棉线流道6将燃料和电解液输送到阳极电极4和阴极电极5表面， 燃料采用过氧化氢， 过氧化氢既是燃料也同时作为氧化剂。 电解液既可以采用碱性电解液也可以采用酸性电解 液， 比如稀HCl、 硫酸、 氢氧化钾等。 棉线流道6采用多条亲水性棉线制成。 0018 在具体实施例中， 所述阳极电极4采用丙酮清洗。

15、后的镍、 铝等金属电极， 比如镍网 或者镍片。 所述阴极电极5采用碳布、 碳纸、 碳毡等导电基底， 并将制备好的催化剂PB+MWCNT 通过浸渍或者喷涂的方式沉积在碳布、 碳纸、 碳毡等导电基底表面， 碳布未负载有催化剂的 部分作为集流体。 催化剂PB+MWCNT的制备步骤包括： 首先将一定量的多壁碳纳米Multi- walled carbon nanotube， MWCNT分散到0.1M HCL并通过超声震荡形成悬浮浆液， 然后将一 定量的0.5M K3Fe(CN)6+0.1M HCl加入到悬浮浆液中并不断搅拌， 接着再加入一定量的 0 .5M FeCl3+0 .1M HCl， 保证MWCN。

16、T与PB的质量比为1： 2左右， 最终获得了普鲁士蓝 (Prussian Blue， PB)和MWCNT的混合浆液， 通过反复抽滤清洗获得PB+MWCNT催化剂。 阳极电 极4和阴极电极5之间的间隙设置为1mm左右。 所述棉线流道6采用的是30根左右医用纱布中 的棉线。 0019 所述盖板2和支撑板3均采用耐腐蚀的聚合物或玻璃材质制成。 微流体燃料电池通 过螺栓1和螺母7固定 0020 所述盖板2的底部设置有凹槽8， 该凹槽8与棉线流道6对应设置。 0021 本发明采用单股棉线作为流道， 在毛细作用力辅以重力的作用下， 燃料和电解液 通过棉线流道被动式输送到阴、 阳极表面， 分别被还原和氧化并。

17、产生电流， 整个电池实现无 泵驱动运行。 0022 参见图3， 图3表示当燃料和氧化剂采用0.5M H2O2， 支持电解质为0.1M HCl时， 电池 的开路电压可达0.67V， 最大电流密度和最高功率密度分别为36.93mA/cm2和5.63mW/cm2。 0023 尽管已经示出和描述了本发明的实施例， 本领域的普通技术人员可以理解： 在不 脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、 修改、 替换和变型， 本 发明的范围由权利要求及其等同物限定。 说明书 3/3 页 5 CN 110993983 A 5 图1 说明书附图 1/3 页 6 CN 110993983 A 6 图2 说明书附图 2/3 页 7 CN 110993983 A 7 图3 说明书附图 3/3 页 8 CN 110993983 A 8 。