一种液态燃料电池的二氧化碳自呼出型电池阳极装置的制作方法

本发明属于液态燃料电池领域，尤其涉及一种液态燃料电池的二氧化碳自呼出型电池阳极装置。

背景技术：

燃料电池是一种将存在于燃料与氧化剂中的化学能直接转化为电能的发电装置，燃料和空气分别送进燃料电池，反应产生电能，它从外表上看有阴阳极和电解质等，但实质上它不能“储电”而是一个“发电厂”。

燃料电池对环境无污染。它是通过电化学反应，而不是采用燃烧或储能的方式。同时，燃料电池的发电效率可以达到50％以上，这是由燃料电池的转换性质决定的，直接将化学能转换为电能，不需要经过热能和机械能的中间变换。

对于现有技术下采用的液态有机物作为燃料的燃料电池，如直接甲醇燃料电池和直接甲酸燃料电池，在燃料电池运行过程中，在阳极表面产生大量二氧化碳气体。目前燃料电池的阳极采用封闭封装结构，主要目的在于将阳极隔绝空气，从而消除阳极表面产生氧还原寄生反应。由于阳极封闭，二氧化碳气体将聚集在燃料电池阳极催化剂表面形成气泡，阻碍燃料在催化剂表面的物质传输，随着二氧化碳气泡的聚集和长大，二氧化碳气泡将在燃料通道内形成气栓，阻塞燃料物质的输运及电荷传输，极大影响燃料电池性能。

技术实现要素：

(1)要解决的技术问题

本发明为了克服现有技术下液态燃料电池阳极产生的二氧化碳无法顺利排出从而影响燃料电池性能的缺点，本发明要解决的技术问题是提供一种能防止二氧化碳聚集的液态燃料电池的二氧化碳自呼出型电池阳极装置。

(2)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供了这样一种液态燃料电池的二氧化碳自呼出型电池阳极装置，包括有通道壁、气体扩散电极、富集腔壁、单向阀，通道壁中贯穿式地设有气体扩散电极，气体扩散电极外设有富集腔壁，富集腔壁安装在通道壁上，富集腔壁与通道壁与气体扩散电极三者之间形成二氧化碳富集腔，富集腔壁上贯穿式地设有单向阀。

优选地，所述气体扩散电极为楔形，内表面为斜边。

优选地，所述楔形气体扩散电极的斜边上设有锯齿槽。

优选地，所述气体扩散电极内表面为圆弧形。

优选地，所述二氧化碳富集腔内设有氧气吸收剂。

工作原理：本发明采用气体扩散电极作为阳极，气体扩散电极允许气体通过电极，但阻止液体通过电极，在气体扩散电极内为燃料通道，在气体扩散电极外为二氧化碳富集腔，二氧化碳富集腔外为富集腔壁，富集腔壁上设有单向阀，通过单向阀将二氧化碳排出二氧化碳富集腔，并阻止空气进入，同时保持二氧化碳富集腔内压力与外部大气压平衡。

当燃料电池运行时，阳极产生二氧化碳气体，通过气体扩散电极将二氧化碳排出至二氧化碳富集腔内，同时，通过单向阀将空气排出二氧化碳富集腔，慢慢的，二氧化碳富集腔内的二氧化碳分压不断升高，氧气的分压不断降低，总压力与大气压平衡。

所述气体扩散电极为楔形，内表面为斜边，这样增加了燃料通道内流体燃料对气体扩散电极内面的冲击作用，减少了二氧化碳气泡的聚集，同时，在楔形区间内，由于气体扩散电极尺寸变化从而提高流体流速，增加对二氧化碳气泡的清除效果。

所述楔形气体扩散电极的斜边上设有锯齿槽，一方面，可以引入二次漩涡流，促进电极表面的物质更新，强化物质传输，同时，又可以增加电极表面积，促进电化学反应的进行。

所述气体扩散电极内表面为圆弧形，这样可以增加燃料通道内流体燃料对气体扩散电极内面的冲击作用，减少了二氧化碳气泡的聚集，同时，在圆弧形区间内，由于气体扩散电极尺寸变化从而提高流体流速，增加对二氧化碳气泡的清除效果，另外，又可以增加电极表面积，促进电化学反应的进行。

所述二氧化碳富集腔内设有氧气吸收剂，可将二氧化碳富集腔内初始残留的氧气吸收，同时也将进入二氧化碳富集腔的氧气进行吸收。

(3)有益效果

本发明通过气体扩散电极和富集腔壁的设计，使燃料电池阳极产生的二氧化碳能够自行排出到二氧化碳富集腔，并且由于二氧化碳在富集腔内的聚集，富集腔内的氧气被逐渐排出，从而达到了消除二氧化碳气泡在燃料电池通道内聚集的效果，具有抑制氧气通过气体扩散电极在阳极表面发生寄生反应的优点。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明实施例2的结构示意图。

图3为本发明实施例3的结构示意图。

图4为本发明实施例4的结构示意图。

图5为本发明实施例4的结果对比图，其中(a)为采用封闭式阳极结构的微流体燃料电池在运行过程中气泡产生和脱离的过程；(b)为采用本发明二氧化碳自呼出型阳极结构的微流体燃料电池的运行过程。

附图中的标记为：1-燃料通道，2-通道壁，3-气体扩散电极，4-富集腔壁，5-二氧化碳富集腔，6-单向阀。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

实施例1

一种液态燃料电池的二氧化碳自呼出型电池阳极装置，如图1所示，包括有通道壁2、气体扩散电极3、富集腔壁4、单向阀6，通道壁2中贯穿式地设有气体扩散电极3，气体扩散电极3外设有富集腔壁4，富集腔壁4安装在通道壁2上，富集腔壁4与通道壁2与气体扩散电极3三者之间形成二氧化碳富集腔5，富集腔壁4上贯穿式地设有单向阀6。

实施例2

一种液态燃料电池的二氧化碳自呼出型电池阳极装置，如图2所示，包括有通道壁2、气体扩散电极3、富集腔壁4、单向阀6，通道壁2中贯穿式地设有气体扩散电极3，气体扩散电极3外设有富集腔壁4，富集腔壁4安装在通道壁2上，富集腔壁4与通道壁2与气体扩散电极3三者之间形成二氧化碳富集腔5，富集腔壁4上贯穿式地设有单向阀6。

所述气体扩散电极3为楔形，内表面为斜边，这样增加了燃料通道1内流体燃料对气体扩散电极3内面的冲击作用，减少了二氧化碳气泡的聚集，同时，在楔形区间内，由于气体扩散电极3尺寸变化从而提高流体流速，增加对二氧化碳气泡的清除效果。

实施例3

一种液态燃料电池的二氧化碳自呼出型电池阳极装置，如图3所示，包括有通道壁2、气体扩散电极3、富集腔壁4、单向阀6，通道壁2中贯穿式地设有气体扩散电极3，气体扩散电极3外设有富集腔壁4，富集腔壁4安装在通道壁2上，富集腔壁4与通道壁2与气体扩散电极3三者之间形成二氧化碳富集腔5，富集腔壁4上贯穿式地设有单向阀6。

所述气体扩散电极3为楔形，内表面为斜边，这样增加了燃料通道1内流体燃料对气体扩散电极3内面的冲击作用，减少了二氧化碳气泡的聚集，同时，在楔形区间内，由于气体扩散电极3尺寸变化从而提高流体流速，增加对二氧化碳气泡的清除效果。

所述楔形气体扩散电极3的斜边上设有锯齿槽，一方面，可以引入二次漩涡流，促进电极表面的物质更新，强化物质传输，同时，又可以增加电极表面积，促进电化学反应的进行。

实施例4

一种液态燃料电池的二氧化碳自呼出型电池阳极装置，如图4所示，包括有通道壁2、气体扩散电极3、富集腔壁4、单向阀6，通道壁2中贯穿式地设有气体扩散电极3，气体扩散电极3外设有富集腔壁4，富集腔壁4安装在通道壁2上，富集腔壁4与通道壁2与气体扩散电极3三者之间形成二氧化碳富集腔5，富集腔壁4上贯穿式地设有单向阀6。

所述气体扩散电极3内表面为圆弧形，这样可以增加燃料通道1内流体燃料对气体扩散电极3内面的冲击作用，减少了二氧化碳气泡的聚集，同时，在圆弧形区间内，由于气体扩散电极3尺寸变化从而提高流体流速，增加对二氧化碳气泡的清除效果，另外，又可以增加电极表面积，促进电化学反应的进行。

所述二氧化碳富集腔5内设有氧气吸收剂，可将二氧化碳富集腔5内初始残留的氧气吸收，同时也将进入二氧化碳富集腔5的氧气进行吸收。

工作原理：本发明采用气体扩散电极3作为阳极，气体扩散电极3允许气体通过电极，但阻止液体通过电极，在气体扩散电极3内为燃料通道1，在气体扩散电极3外为二氧化碳富集腔5，二氧化碳富集腔5外为富集腔壁4，富集腔壁4上设有单向阀6，通过单向阀6将二氧化碳排出二氧化碳富集腔5，并阻止空气进入，同时保持二氧化碳富集腔5内压力与外部大气压平衡。

当燃料电池运行时，阳极产生二氧化碳气体，通过气体扩散电极3将二氧化碳排出至二氧化碳富集腔5内，同时，通过单向阀6将空气排出二氧化碳富集腔5，慢慢的，二氧化碳富集腔5内的二氧化碳分压不断升高，氧气的分压不断降低，总压力与大气压平衡。

在微流体燃料电池平台上分别采用传统封闭式阳极和二氧化碳自呼出型阳极装置构建微流体电化学反应器，进行对比，两组均采用相同的气体扩散电极3作为阳极，对于传统封闭式阳极结构，采用环氧树脂将阳极表面封闭，对于自呼出型阳极，采用本发明所述阳极结构，实验采用1mol/L甲酸作为燃料，0.5mol/L硫酸作为电解质，操作流速控制在200μL/min，阳极发生的电化学氧化反应为：HCOOH→CO₂+2H⁺+2e^-；阴极发生的还原反应为：O₂+4H⁺+4e^-→2H₂O。

两组运行过程如图5所示，对比结果表明：采用二氧化碳自呼出型阳极结构能够使得阳极产生的二氧化碳自行排出燃料电池，从而消除气泡聚集在通道内对系统性能造成的影响。

以上所述实施例仅表达了本发明的优选实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形、改进及替代，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。