一种基于纸包电极的自吸式微流体燃料电池

技术领域

本发明涉及燃料电池技术领域，特别是涉及一种基于纸包电极的自吸式微流体燃料电池。

背景技术

燃料电池是将燃料具有的化学能直接变为电能的发电装置，燃料电池其原理是一种电化学装置，其组成与一般电池相同。其单体电池是由正负两个电极(负极即燃料电极和正极即氧化剂电极)以及电解质组成。不同的是一般电池的活性物质贮存在电池内部，因此，限制了电池容量。而燃料电池的正、负极本身不包含活性物质，只是个催化转换元件。因此燃料电池是名符其实的把化学能转化为电能的能量转换机器。电池工作时，燃料和氧化剂由外部供给，进行反应。原则上只要反应物不断输入，反应产物不断排除，燃料电池就能连续地发电。

作为一种新型微型电源，微流体燃料电池在便携式电子设备领域具有良好的应用前景，然而大部分微流体燃料电池都需要外泵来维持反应液的层流。外泵的存在，增加了系统的复杂度，限制了微流体燃料电池在便携式电子设备中的应用。为摆脱外泵的限制，近年来，研究者们提出将微流体燃料电池安装在纸基材料中，相关研究表明，利用毛细作用可实现反应液的自动进液，并在纸基流道中形成稳定层流，但所设计的纸基微流体燃料电池普遍内阻较大，且反应液在纸基流道中的流速较低。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：为了克服现有技术中的不足，本发明提供一种基于纸包电极的自吸式微流体燃料电池。

本发明解决其技术问题所要采用的技术方案是：一种基于纸包电极的自吸式微流体燃料电池，包括从上向下依次设置的储液箱、纸包电极和吸收箱，所述纸包电极包括阳极和阴极，所述阳极和阴极相互贴合，所述阳极和阴极内部为石墨芯，所述阳极和阴极外壁面上包覆有多孔滤纸，所述阳极包括主体部，所述阳极主体部远离阴极的一侧延伸有梳齿部，所述阴极与阳极结构相同，所述阴极上梳齿部的延伸方向与阳极上梳齿部的延伸方向相反，所述阳极和阴极梳齿部外壁面包覆有催化剂层，所述催化剂层设于多孔滤纸内侧，

所述储液箱内设有阳极液贮存区、电解液贮存区和阴极液贮存区，所述阳极液贮存区位置与所述阳极梳齿部位置对应，所述阴极液贮存区位置与所述阴极梳齿部位置对应，所述电解液贮存区与所述阳极和阴极的主体部位置对应，所述储液箱下端设有与所述纸包电极相配合的第一限位槽，所述吸收箱上端设有与所述纸包电极相配合的第二限位槽，所述吸收箱前端设有开口，所述吸收箱内设有集流器，所述集流器一端设于吸收箱内侧，另一端穿过开口延伸至所述吸收箱外侧，所述集流器包括阳极集流器和阴极集流器，所述阳极集流器设于吸收箱内侧的一端设于吸收箱内侧顶壁上与阳极主体部内的石墨芯接触，所述阴极集流器设于吸收箱内侧的一端设于吸收箱内侧顶壁上与阴极主体部内的石墨芯接触，所述吸收箱内填充有吸水性材料。

储液箱、纸包电极和吸收箱从上向下依次设置，第一限位槽和第二限位槽相互配合限制纸包电极位置，阳极集流器和阴极集流器支撑于阳极和阴极下方，防止纸包电极落入吸收箱内，在阳极液贮存区、电解液贮存区和阴极液贮存区内分别注入阳极液、电解液和阴极液，基于毛细流动及重力作用，实现了微流体燃料电池的自动进液，相较于单纯的毛细流动，反应液的流速得到提高；利用纸包电极梳齿部外立面的多孔滤纸相贴及高电导率电解液形成燃料电池内部的离子运动通道，在有效控制燃料扩散，避免寄生电流产生的同时减小了阴阳极之间的距离，缩短了离子运动路径，降低了燃料电池内阻；阳极和阴极梳齿状石墨芯的使用在增大有效电极反应面积的同时，实现了燃料电池内阻的进一步降低。吸收箱内的吸水性材料将反应后的液体吸收，在吸水性材料吸收饱和后更换新的吸水性材料。

进一步，所述储液箱和吸收箱材料为聚甲基丙烯酸甲酯。

进一步，所述多孔滤纸厚度为0.15mm-0.3mm。

进一步，所述催化剂层为铂或钯催化剂。

进一步，所述阳极液为燃料和支持电解质的水溶液，所述阴极液为氧化物和支持电解质的水溶液，所述电解液为支持电解质的高浓度水溶液。

阳极液为燃料和支持电解质的水溶液，如甲酸与氯化钾的混合溶液；阴极液为氧化物和支持电解质的水溶液，如双氧水与氯化钾的混合溶液；电解液为支持电解质的高浓度水溶液，如氯化钾水溶液。

进一步，所述吸收箱中的吸水性材料为吸水纸等。

进一步，所述集流器采用铜等导电金属。集流器对纸包电极有支撑作用，防止纸包电极从第二限位槽出落入吸收箱内。

进一步，所述储液箱与吸收箱大小一致，所述吸收箱开口侧长度为2.5cm-2.7cm，高度为0.3-0.8cm，相邻侧壁长度为2.25-2.45cm，吸收箱壁厚为0.2mm-0.4mm。

进一步，所述储液箱内通过两隔板将储液箱内分为阳极液贮存区、电解液贮存区和阴极液贮存区，两所述隔板间隔为0.2cm-0.4cm。

进一步，所述阳极和阴极高度为0.5cm-2cm，主体部长度为1cm-3cm，主体部加梳齿部宽度为0.5cm-2cm，梳齿部齿宽为0.1cm-0.3cm，齿距为0.05cm-0.3cm，齿长为0.3cm-1.8cm。

本发明的有益效果是：本发明提供的一种基于纸包电极的自吸式微流体燃料电池，基于毛细流动及重力作用实现了微流体燃料电池的自动进液，相较于单纯的毛细流动，反应液的流速得到提高；利用纸包电极主体部外立面的多孔滤纸相贴及高电导率电解液形成燃料电池内部的离子运动通道，在有效控制燃料扩散，避免寄生电流产生的同时减小了阴阳极之间的距离，缩短了离子运动路径，降低了燃料电池内阻；梳齿状石墨芯的使用在增大有效电极反应面积的同时，实现了燃料电池内阻的进一步降低。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1是本发明最佳实施例的结构示意图；

图2是本发明最佳实施例的爆炸示意图；

图3是纸包电极的结构示意图；

图4是纸包电极的剖面示意图。

图中：1、储液箱，101、阳极液贮存区，102、电解液贮存区，103、阴极液贮存区，104、第一限位槽，2、纸包电极，201、阳极，202、阴极，211、石墨芯，212、催化剂层，213、多孔滤纸，221、主体部，222、梳齿部，3、吸收箱，301、第二限位槽，4、阳极集流器，5、阴极集流器。

具体实施方式

现在结合附图对本发明作详细的说明。此图为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。

如图1-4所示，本发明的一种基于纸包电极的自吸式微流体燃料电池，包括从上向下依次设置的储液箱1、纸包电极2和吸收箱3，所述纸包电极2包括阳极201和阴极202，所述阳极201和阴极202相互贴合，所述阳极201和阴极202内部为石墨芯211，所述阳极201和阴极202外壁面上包覆有多孔滤纸213，所述阳极201包括主体部221，所述阳极201主体部221远离阴极202的一侧延伸有梳齿部222，所述阴极202与阳极201结构相同，所述阴极202上梳齿部222的延伸方向与阳极201上梳齿部222的延伸方向相反，所述阳极201和阴极202梳齿部222外壁面包覆有催化剂层212，所述催化剂层212设于多孔滤纸213内侧，

所述储液箱1内设有阳极液贮存区101、电解液贮存区102和阴极液贮存区103，所述阳极液贮存区101位置与所述阳极201梳齿部222位置对应，所述阴极液贮存区103位置与所述阴极202梳齿部222位置对应，所述电解液贮存区102与所述阳极201和阴极202的主体部221位置对应，所述储液箱1下端设有与所述纸包电极2相配合的第一限位槽104，所述吸收箱3上端设有与所述纸包电极2相配合的第二限位槽301，所述吸收箱3前端设有开口，所述吸收箱3内设有集流器，所述集流器一端设于吸收箱3内侧，另一端穿过开口延伸至所述吸收箱3外侧，所述集流器包括阳极集流器4和阴极集流器5，所述阳极集流器4设于吸收箱3内侧的一端设于吸收箱3内侧顶壁上与阳极201主体部221内的石墨芯211接触，所述阴极集流器5设于吸收箱3内侧的一端设于吸收箱3内侧顶壁上与阴极202主体部221内的石墨芯211接触，所述吸收箱3内填充有吸水性材料。

所述储液箱1和吸收箱3材料为聚甲基丙烯酸甲酯。

所述多孔滤纸213厚度为0.15mm-0.3mm。

所述催化剂层212为铂或钯催化剂。

所述阳极液为燃料和支持电解质的水溶液，所述阴极液为氧化物和支持电解质的水溶液，所述电解液为支持电解质的高浓度水溶液。

所述吸收箱3中的吸水性材料为吸水纸等。

所述集流器采用铜等导电金属。

所述储液箱1与吸收箱3大小一致，所述吸收箱3开口侧长度L1为2.5cm-2.7cm，高度H1为0.3-0.8cm，相邻侧壁长度W1为2.25-2.45cm，吸收箱3壁厚为0.2mm-0.4mm。

所述储液箱1内通过两隔板将储液箱1内分为阳极液贮存区101、电解液贮存区102和阴极液贮存区103，两所述隔板间隔D1为0.2cm-0.4cm。

所述阳极201和阴极202高度H2为0.5cm-2cm，主体部221长度L2为1cm-3cm，主体部221加梳齿部222宽度W2为0.5cm-2cm，梳齿部222齿宽D2为0.1cm-0.3cm，齿距D3为0.05cm-0.3cm，齿长D4为0.3cm-1.8cm。

操作中，当储液箱1中的反应液高度降低到0.1cm时，需向储液箱1中补充反应液以维持电池的稳定运行；当吸收箱3中的吸水性材料饱和时，需及时更换，以维持稳定的层流。

相较于传统的纸基微流体燃料电池，本发明所提供的基于纸包电极2的自吸式微流体燃料电池欧姆损失明显降低。

本发明中方向和参照(例如，上、下、左、右、等等)可以仅用于帮助对附图中的特征的描述。因此，并非在限制性意义上采用以下具体实施方式，并且仅仅由所附权利要求及其等同形式来限定所请求保护的主题的范围。

以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关的工作人员完全可以在不偏离本发明的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。