一种阴阳极均为穿流型电极且顺序布置的微流体燃料电池

1.本发明涉及微流体燃料电池领域，尤其涉及一种阴阳极均为穿流型电极且顺序布置的微流体燃料电池。


背景技术：

2.随着移动互联网技术的高速发展，各种便携式电子设备大量涌现，对微型电源提出了更高的要求：高能量密度、体积微型化、可长时间连续运行等。目前微电子设备大多以锂离子电池作为电源，但其存在能量密度较低、不能长期连续运行等问题，因此无法满足这些电子设备越来越高的能量需求。基于质子交换膜的微型燃料电池作为新型便携式电源，具有环境友好、方便持久、传质速度快、能量密度高等优点，得益于微加工技术的发展，微流体燃料电池利用流体在微通道内形成稳定平行层流的性质自然分隔氧化剂与燃料，去除了传统微型燃料电池内的质子交换膜，消除了由膜引起的膜降解和高成本等问题，有利于实现微型燃料电池微型化与集成化的需求。
3.在常见的微流体燃料电池结构中，采用高浓度燃料，会导致燃料渗透到阴极，渗透的燃料在阴极催化剂作用下发生反应，产生寄生电流，不仅会造成燃料利用率较低，也导致电池性能较低。
4.微流体燃料电池中的电极结构主要有穿过型和穿流型。穿过型电极即反应液从电极表面流过，而穿流型电极即反应物从电极内部流过，可以充分利用电极的内部面积，大大提升电池的性能。
5.在中国发明专利cn110459789a，《阴阳极顺流布置的单股电解液微流体燃料电池》，所采用的就是现有常见的微流体燃料电池结构，其使用的空气自呼吸阴极由疏水性碳纸、整平层和pt催化层组成，溶液不会流进阴极的内部，只会从阴极的表面流过，而其使用的可渗透多孔阳极由亲水性碳纸、pd催化层组成，溶液会直接流进阳极的内部，穿过型阴极和穿流型阳极顺流布置在主流道内，且穿过型阴极位于主流道的上游位置，穿流型阳极更靠近主流道的尾部出口。
6.该发明专利与大多数微流体燃料电池具有相同的工作原理，采用氧气作为阴极反应的氧化剂成分，从主流道的上游向穿过型阴极输送氧气和电解液，在穿过型阴极的催化剂作用下发生反应并产生氢氧根离子，然后从穿过型阴极的表面流过的溶液会与燃料溶液在主流道内汇合，再进入穿流型阳极，在穿流型阳极的催化剂作用下使燃料溶液发生反应，结合氢氧根离子并产生电子，电子通过与阴阳极闭合连通的外部电路运动，就能对外提供电能。在实际工作过程中，如果燃料溶液流动至穿过型阴极，就会在催化剂的作用下发生反应，影响穿过型阴极的反应过程，产生燃料渗透的问题，所以这种现有的微流体燃料电池在供给溶液时会控制流量，使电解液流入主流道的速度大于燃料溶液流入主流道的速度，电解液和燃料溶液汇合后就一定会继续流向穿流型阳极，不会发生燃料溶液倒流向穿过型阴极的情况，以此避免燃料渗透。
7.但是上述的这种现有的微流体燃料电池仍然具有多种不足。第一，现有的以氧气
为阴极催化剂的自呼吸微流体燃料电池，在缺氧或者少氧环境下难以使用，限制了微流体燃料电池的应用范围。
8.第二，现有的以氧气为氧化剂的微流体燃料电池，由于气态氧直接参与阴极还原反应，因此阴极电极只能采用穿过型结构电极，不能充分利用电极的内部面积，而且由于氧气的反应活性有限，必须在催化剂的作用下才能充分发生反应，因此阴极必须负载催化剂，提升了电池的制造成本，也使制造过程复杂化。
9.第三，现有的微流体燃料电池虽然能够通过控制流量来防止燃料溶液流向阴极，避免燃料渗透，但由于其采用阴极位于主流道的上游位置，阳极更靠近主流道的尾部出口的结构，因此含有氧气的电解液与燃料溶液混合后必然会流进穿流型阳极，含有氧气的电解液在催化剂的作用下会在穿流型阳极内发生反应，影响燃料溶液在穿流型阳极内的反应过程，产生氧化剂反向扩散的问题，造成燃料溶液的浪费，并且降低电池的放电性能。


技术实现要素：

10.为解决上述现有的微流体燃料电池存在的问题，本发明提供了一种阴阳极均为穿流型电极且顺序布置的微流体燃料电池。
11.本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是：一种阴阳极均为穿流型电极且顺序布置的微流体燃料电池，包括盖板和底板，底板上设有供溶液流动的主流道，主流道内间隔布置有穿流型阳极和穿流型阴极，穿流型阳极和穿流型阴极均为能够供溶液从其内部流过的可渗透多孔电极，穿流型阳极上负载有催化剂，穿流型阴极未负载催化剂，盖板或底板上开设有与主流道连通的燃料进口、氧化剂进口和废液出口，燃料进口位于穿流型阳极远离穿流型阴极的一侧，使燃料溶液能够流入主流道并进入穿流型阳极，氧化剂进口位于穿流型阳极和穿流型阴极之间，废液出口位于穿流型阴极远离穿流型阳极的一侧，使氧化剂溶液能够流入主流道并和从穿流型阳极流出的燃料溶液混合，然后进入穿流型阴极并从废液出口排出。
12.优选的，所述穿流型阳极由亲水性碳纸和pd催化剂层制成。
13.优选的，所述穿流型阴极由亲水性碳纸制成。
14.优选的，所述盖板和底板均为长条形，燃料进口、氧化剂进口和废液出口沿主流道的长度方向间隔开设在盖板上。
15.优选的，所述盖板和底板均由耐腐蚀性的材料制成。
16.根据上述技术方案，本发明的有益效果是：1、本发明将现有采用的穿过型阴极改为了穿流型阴极，通过氧化剂进口向主流道内通入氧化剂溶液，使氧化剂溶液进入穿流型阴极进行反应，而不再采用氧气作为阴极反应的氧化剂成分，使微流体燃料电池能够在缺氧或者少氧的环境中使用，提升了微流体燃料电池的应用范围。
17.2、由于将氧气改为了反应活性更强的液态氧化剂，液态的氧化剂溶液在无催化剂作用下也可以进行阴极还原反应，因此本发明省去了现有的穿过型阴极所必须负载的催化剂，采用了未负载催化剂的穿流型阴极，不仅能降低微流体燃料电池的制造成本，也能简化微流体燃料电池的制造过程，而且穿流型阴极能够比穿过型阴极更加充分地利用电极的内部面积。
18.3、本发明改变了现有的微流体燃料电池的阴极位于主流道的上游位置、阳极更靠近主流道的尾部出口的结构，将废液出口设置更靠近穿流型阴极而相对远离穿流型阳极的一侧，因此溶液在主流道内的流动方向为，燃料溶液先流进穿流型阳极，从穿流型阳极流出后与氧化剂溶液汇合，再流进穿流型阴极，最终从废液出口排出。这种结构使得部分燃料溶液必然会流进穿流型阴极，但由于本发明的穿流型阴极未负载催化剂，因此燃料溶液不会在穿流型阴极发生反应，而只会在负载了催化剂的穿流型阳极发生反应，所以燃料溶液就绝不会影响穿流型阴极的反应过程，能够彻底避免发生燃料渗透的问题。
19.而且，本发明可以通过控制燃料溶液和氧化剂溶液的流量，使燃料溶液流入主流道的速度大于氧化剂溶液流入主流道的速度，燃料溶液和氧化剂溶液汇合后就一定会继续流向穿流型阴极，不会发生氧化剂溶液倒流向穿流型阳极的情况，氧化剂溶液就不会在穿流型阳极内发生反应，也就不会影响燃料溶液在穿流型阳极内的反应过程，与现有的微流体燃料电池相比，不仅能防止燃料溶液向阴极渗透，还能有效避免氧化剂溶液向阳极反向扩散的问题，保证燃料溶液的充分高效反应，防止燃料溶液浪费，提高了燃料溶液的利用率，提升电池的放电性能。
附图说明
20.图1为本发明的微流体燃料电池的分解示意图图2为本发明的微流体燃料电池的主视图；图3为本发明的微流体燃料电池的俯视图；图中标记：1、盖板，2、底板，3、燃料进口，4、氧化剂进口，5、废液出口，6、穿流型阳极，7、穿流型阴极，8、主流道。
具体实施方式
21.参见附图，具体实施方式如下：一种阴阳极均为穿流型电极且顺序布置的微流体燃料电池，包括盖板1和底板2，底板2上设有供溶液流动的主流道8，主流道8内间隔布置有穿流型阳极6和穿流型阴极7，穿流型阳极6和穿流型阴极7均为能够供溶液从其内部流过的可渗透多孔电极，穿流型阳极6上负载有催化剂，由亲水性碳纸和pd催化剂层制成，采用亲水性碳纸为基底，通过电化学沉积pd在三维穿流型碳纸内部；穿流型阴极7未负载催化剂，由亲水性碳纸制成。
22.盖板1或底板2上开设有与主流道8连通的燃料进口3、氧化剂进口4和废液出口5，燃料进口3位于穿流型阳极6远离穿流型阴极7的一侧，使燃料溶液能够流入主流道8并进入穿流型阳极6，氧化剂进口4位于穿流型阳极6和穿流型阴极7之间，废液出口5位于穿流型阴极7远离穿流型阳极6的一侧，使氧化剂溶液能够流入主流道8并和从穿流型阳极6流出的燃料溶液混合，然后进入穿流型阴极7并从废液出口5排出。
23.如图所示，盖板1和底板2均为长条形，燃料进口3、氧化剂进口4和废液出口5沿主流道8的长度方向间隔开设在盖板1上。盖板1和底板2均由耐腐蚀性的材料制成，如采用有机玻璃，燃料进口3、氧化剂进口4和废液出口5可使用激光切割机加工，底板2上主流道8的深度为0.15mm，穿流型阳极6和穿流型阴极7均嵌入在主流道8中，穿流型阳极6和穿流型阴极7的间距为12mm。
24.在电池工作时，通过燃料进口3和氧化剂进口4分别向主流道8内通入燃料溶液和氧化剂溶液，并且控制燃料溶液流入主流道8的速度大于氧化剂溶液流入主流道8的速度，燃料溶液会先流进穿流型阳极6，在穿流型阳极6的催化剂作用下发生反应，结合氢氧根离子并产生电子，电子通过与阴阳极闭合连通的外部电路运动，就能对外提供电能。
25.反应后的燃料溶液从穿流型阳极6流出并与氧化剂溶液汇合，由于两者的流速关系，混合后的溶液会流进穿流型阴极7，避免氧化剂溶液向穿流型阳极6反向扩散。由于穿流型阴极7未负载催化剂，所以燃料溶液不会在穿流型阴极7发生反应，避免发生燃料渗透，而氧化剂溶液在无需催化剂的情况下，就能在穿流型阴极7充分反应并产生氢氧根离子。
26.本发明阴阳极所涉及的反应如下所示：阳极反应：hcoo-+3oh-ꢀ→ꢀ
co
32-+2h2o+2e
‑ e0=-1.05v vs she阴极反应：[fe(cn)6]
3-+e-ꢀ→ꢀ
[fe(cn)6]4‑ e0=0.36v vs she本发明的燃料溶液可采用甲酸钠溶液，氧化剂溶液可采用铁氰化钾溶液，使微流体燃料电池能够在缺氧或少氧的环境中工作，拓宽了微流体燃料电池的应用范围。