一种高性能径向微流体燃料电池的制作方法

本发明涉及燃料电池技术领域，具体涉及一种高性能径向微流体燃料电池。

背景技术：

微流体燃料电池是一种无需使用质子交换膜的新型燃料电池，其利用微流通道内低雷诺数流动的物理特点，使阳极液和阴极液在同一微流通道中平行层流流动而较少混合。微流体燃料电池与传统的有膜燃料电池相比，减少或消除了由于膜的使用而存在的水管理、热管理等技术问题，结构简单，成本低，具有良好的应用前景。然而，研究中发现，阳极液与阴极液交界面由于扩散作用会产生一个混合区，该混合区中同时含有燃料和氧化物，且随着微流通道长度的增加，混合区的宽度会不断增大。当微流通道的长度增大到某一程度时，混合区中的燃料或氧化物扩散到对方电极，会造成电池电压的下降。因此，为了避免混合区对电池性能的影响，微流体燃料电池的尺寸通常受到限制，这也导致了微流体燃料电池的单池输出功率通常都比较低，无法满足电子设备的实际需求。

技术实现要素：

本发明提供一种高性能径向微流体燃料电池，用以解决现有的微流体燃料电池由于混合区的存在而尺寸受到限制，单池输出功率较低的问题。

一种高性能径向微流体燃料电池，由隔板与覆盖在隔板上的上、下两个盖板热压封装而成，其特征在于，所述隔板上开设有两个轴对称分布的凹形流道；

所述上、下两个盖板上分别设置有电极凹槽，电极凹槽内嵌入多孔电极，多孔电极通过金属导线与外电路相连，所述电极凹槽的底部中心开有通孔作为电极液入口，所述上盖板的电极凹槽的两侧开有通孔作为反应液的出口；

所述凹形流道由平底部和两个侧壁组成，两个凹形流道的侧壁相靠近设置；凹形流道设置在多孔电极的外周，且凹形流道的侧壁及部分平底部与多孔电极重合。

上盖板上为多孔阳极，下盖板上为多孔阴极，均为正方形，且阳极液入口和阴极液入口均为方形。

进一步的，所述隔板与上、下两个盖板的材料均为pmma，隔板厚度为0.2～0.4mm，盖板的厚度为0.5～1mm。

进一步的，上盖板上的阳极凹槽与下盖板上的阴极凹槽尺寸相同，深度均为0.2～0.4mm，长度和宽度均为0.5～2cm；当反应液的流速为300μl/min时，优选的，其长度和宽度可设为1cm。

进一步的，所述多孔阳极与多孔阴极材料均为碳纸，尺寸与阳极凹槽和阴极凹槽的尺寸相配合，多孔阳极嵌入在阳极凹槽内，多孔阴极嵌入在阴极凹槽内。

进一步的，阳极液为二价钒的硫酸溶液，阴极液为五价钒的硫酸溶液。

进一步的，所述凹型流道距离多孔电极的边缘0.08～1.2mm。

进一步的，阳极液入口与阴极液入口均为边长1～3mm的方形。

进一步的，反应液的出口为直径0.5～1mm的圆形。

优选的，隔板厚度为0.3mm，盖板的厚度为1mm；阳极凹槽与阴极凹槽尺寸相同，深度均为0.3mm，当反应液的流速为300μl/min时，其长度和宽度均为1cm；凹型流道的平底部与多孔电极有1mm的重合；阳极液入口与阴极液入口均为边长2mm的方形；反应液的出口为直径1mm的圆形。

有益效果：本发明提供的高性能径向微流体燃料电池，通过反应液在多孔电极内的径向流动，有效提高了微流体燃料电池的电池性能；通过在阴阳极中间加入开有“凹”形流道的隔板，将阳极液与阴极液的层流界面限制在多孔电极的电极边缘，极大的减小了层流界面混合区对微流体燃料电池尺寸的限制，单电池输出功率可达数百毫瓦。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。

在附图中：

图1为本发明的高性能径向微流体燃料电池的组装机理图；

图2为本发明的高性能径向微流体燃料电池的工作机理图；

图3为本发明的高性能径向微流体燃料电池内部流场的流线分布图；

图4为本发明的高性能径向微流体燃料电池内部阳极燃料的浓度分布图；

图5为本发明一种高性能径向微流体燃料电池在反应液流速为300μl/min，反应物浓度为2m时，不同电极尺寸下电池的输出性能，包括极化曲线与燃料利用率。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例

一种高性能径向微流体燃料电池，由隔板2与覆盖在隔板上的上、下两个盖板热压封装而成，隔板2上开设有两个轴对称分布的凹形流道12；

上盖板1上设有阳极凹槽4，阳极凹槽4内嵌入正方形多孔阳极5，多孔阳极5通过导线接口6处用金属导线与外电路相连，阳极凹槽4的底部中心开有方形通孔作为阳极液入口7，阳极凹槽4的两侧开有圆形通孔作为反应液的出口8，下盖板3上设有阴极凹槽9，阴极凹槽9内嵌入正方形多孔阴极10，多孔阴极10通过导线接口6处用金属导线与外电路相连，阴极凹槽9的底部开有方形通孔作为阴极液入口11。

多孔阳极与多孔阴极材料均为碳纸，尺寸与阳极凹槽和阴极凹槽的尺寸相配合，多孔阳极嵌入在阳极凹槽内，多孔阴极嵌入在阴极凹槽内。

所述凹形流道由平底部和两个侧壁组成，两个凹形流道的侧壁相靠近设置；凹形流道设置在多孔电极的外周，且凹形流道的侧壁及部分平底部与多孔电极重合，凹型流道的平底部与多孔电极有1mm的重合；所述隔板与上、下两个盖板的材料均为pmma，隔板厚度为0.3mm，盖板的厚度为1mm；阳极凹槽与阴极凹槽尺寸相同，深度均为0.3mm，当反应液的流速为300μl/min时，其长度和宽度均为1cm；凹型流道的平底部与多孔电极有1mm的重合；阳极液入口与阴极液入口均为边长2mm的方形；反应液的出口为直径1mm的圆形。

阳极液为二价钒的硫酸溶液，阴极液为五价钒的硫酸溶液。

本发明提供的高性能径向微流体燃料电池，通过反应液在多孔电极内的径向流动，有效提高了微流体燃料电池的电池性能；通过在阴阳极中间加入开有“凹”形流道的隔板，将阳极液与阴极液的层流界面限制在多孔电极的电极边缘，极大的减小了层流界面混合区对微流体燃料电池尺寸的限制，单电池输出功率有效提高。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：

技术总结
本发明公开一种高性能径向微流体燃料电池，由隔板与覆盖在隔板上的上、下两个盖板热压封装而成，隔板上开设有两个轴对称分布的凹形流道；上、下两个盖板上分别设置有电极凹槽，电极凹槽内嵌入多孔电极，多孔电极通过金属导线与外电路相连，电极凹槽的底部中心开有通孔作为电极液入口，上盖板的电极凹槽的两侧开有通孔作为反应液的出口；两个凹形流道围绕在多孔电极的外周；通过反应液在多孔电极内的径向流动，有效提高了微流体燃料电池的电池性能；通过在阴阳极中间加入开有“凹”形流道的隔板，将阳极液与阴极液的层流界面限制在多孔电极的电极边缘，极大的减小了层流界面混合区对微流体燃料电池尺寸的限制，单电池输出功率可达数百毫瓦。

技术研发人员：李丽;郑燕丽;倪彰;贝绍轶;李波;郑焱;刘冉冉
受保护的技术使用者：江苏理工学院
技术研发日：2019.01.25
技术公布日：2019.06.07