圆管式微流体燃料电池

1.本发明属于燃料电池技术领域，具体涉及一种圆管式微流体燃料电池。


背景技术：

2.随着电子科学、物联网、大数据等现代技术相关研究的逐渐深入与融合，各领域不可缺少的便携式电子设备数量也不断增多。目前，各类便携式电子设备都正在向小型化、集成化、多功能化的方向发展。因此，这些设备的供能装置必须满足便携、能量密度大、能量效率高等，才能实现低成本、长续航、运行稳定的目标。目前锂离子电池广泛应用于便携式电子设备中，但是它存在理论能量密度低、充电时间长、正常使用温度区间窄、电解液易燃易爆等缺点(cn 109888326b，cn 109728247b)，而且锂电池大量废弃会造成严重的环境污染。为此，亟需开发一种能量密度高、小型集成化的绿色供能装置，方能满足当前之所求。
3.微流体燃料电池通常由微流体通道、阳极电极、阴极电极、液体密封结构等4部分组成，其原理是利用流体在微型通道内平行层流的流动，自然地将燃料和氧化剂分隔开，避免了常规燃料电池内的离子交换膜，简化了燃料电池的结构。
4.微流体燃料电池作为一种将化学能转化为电能的装置，具有发电效率高、无污染、制造简单、成本低等优点，在众多便携电子产品中具有广泛的应用前景(cn 108682885b)。目前，微流体燃料电池的主体结构都是平板形，平板形燃料电池的制备相当复杂，尤其是流道的设计、加工是决定微流体燃料电池性能的关键。平板形燃料电池微通道的制备方法主要有软光刻、数控加工、3d打印等，制备工序繁多、操作复杂。例如：流道板上刻蚀的流体通道作为反应区域占整个电池装置的区域较小，且需要底板和盖板进行层叠密封，造成材料的浪费。理想的微流体燃料电池必须具备制备工艺相对简单、易操作等优点才能被广泛应用。而且，上述微流体燃料电池流道均需要采用密封接头连接微型注射泵或储液槽，组装成完整电池的连接过程繁琐，由此使得电池制备工艺更为复杂。因此，如果对微流体燃料电池整体结构进行优化，则可以使微流体燃料电池制备流程得到简化。


技术实现要素：

5.为解决微流体燃料电池存在的工艺结构复杂等问题，本发明提供了一种圆管式微流体燃料电池。
6.以下对本发明的原理和技术方案进行说明。圆管式微流体燃料电池包括：圆管通道、y型三通管、密封胶套、排液管、导线和多孔电极、以及碳纸，其机构方案是：圆管通道由两个大小不一、截面积为扇形的空心圆柱体组合而成，其中左半空心圆柱体的横截面积大于右半空心圆柱体。左半空心圆柱体沿轴向的两侧设有凹形通槽，右半空心圆柱体沿轴向的两侧设有凸台，凹形通槽与凸台相互配合，无缝隙组装为一体。左、右两个半空心圆柱体内分别对称设有电极凹槽，左半空心圆柱体电极凹槽内设置多孔阴电极；右半空心圆柱体电极凹槽内设置多孔阳电极，两侧电极凹槽的底部中心对称开有通孔用以放置导线。左半空心圆柱体内导线的一端与多孔阴电极连接；右半空心圆柱体内导线的一端与多孔阳电极
连接，两根导线的另一端均与负载相接。
7.作为本发明主要的技术方案组成之一，y型三通管一路管道作为燃料进口；另一路管道作为氧化剂进口；第三路管道作为混合流体出口。第三路管道与圆管通道的进口端采用密封胶套连接，圆管通道的出口端与排液管连接，由此构成圆管式微流体燃料电池。
8.作为本发明另外的主要技术方案之一，将多孔阳电极和多孔阴电极分别放置在对应的电极凹槽内构成阳极流场板和阴极流场板，多孔阳电极与多孔阴电极的基底材料均为碳纸，在碳纸上喷涂pt/c(铂/碳)或pd/c(钯/碳)催化剂构成阳、阴极催化层。
9.本发明的创新之处还在于：将微流体燃料电池的燃料流道、氧化剂流道、以及发生电化学反应的主流道设计成y型三通管，作为微流体燃料电池主要结构的圆管通道，由左、右两个半空心圆柱体组合而成。多孔电极置于圆管通道内壁两侧的电极凹槽内，导线则通过电极凹槽正中心的通孔与电极和负载相连，为电子设备供电。由此使得微流体燃料电池制备工艺流程得到简化，而且便于携带。
10.微流体燃料电池的理论工作原理为：向y型三通管的燃料进口通入含有燃料的电解质溶液，在氧化剂进口通入含有氧化剂的溶液，两者同时进入主流道(圆管通道)并以平行层流的形式流动。燃料和氧化剂分别被主流道中的多孔阳电极以及多孔阴电极的催化剂催化，发生电化学反应。反应过程中产生的离子在圆管通道内的电解液中移动，电子则通过与多孔电极连接的导线进行传导，导线外接负载，为小型电子设备供电。
11.本发明的特点以及产生的有益效果是：(1)y型三通管通过3d打印技术制得，加工工艺简单。(2)将微流体燃料电池的流体通道设计成截面为圆形的组合式圆管通道，并在内部设有凹槽和通孔，有利于电极材料的放置，避免了传统同类型电池中沉积电极的繁琐过程。(3)在简化微流体燃料电池结构和组装的条件下，流体在圆管通道内的密封性能得到保证。本发明降低了微流体燃料电池复杂的制备过程，并非常便于在小型便携式设备上的广泛应用。
附图说明
12.图1是本发明的外观结构示意图。
13.图2是本发明中左半空心圆柱体内部的立体剖面结构简图。
14.图3是本发明中右半空心圆柱体内部的立体剖面结构简图。
15.图4是本发明左、右半空心圆柱体组合成圆管通道后的立体结构示意图。
16.图5是本发明中y型三通管的外观结构示意图。
具体实施方式
17.以下参照各附图并通过实施例对本发明的原理结构进行详细地说明。需要说明的是所提出的实施例是为了清楚解释本发明的结构原理，并不构成对权利要求技术特征的限定。
18.圆管式微流体燃料电池，其技术结构是：圆管通道1由两个大小不一、截面积为扇形的空心圆柱体组合而成，其中左半空心圆柱体1
‑
1的横截面积大于右半空心圆柱体1
‑
2。左半空心圆柱体沿轴向的两侧设有凹形通槽2
‑
1(如图2)，右半空心圆柱体沿轴向的两侧设有凸台2
‑
2(如图3)，凹形通槽与凸台相互配合，无缝隙组装为一体(如图4)。左、右两个半空
心圆柱体内部分别对称设有电极凹槽3，左半空心圆柱体电极凹槽内设置多孔阴电极3
‑
1；右半空心圆柱体电极凹槽内设置多孔阳电极3
‑
2。两侧电极凹槽的底部中心对称开有通孔4用以放置导线，左半空心圆柱体内导线5
‑
1的一端与多孔阴电极连接；右半空心圆柱体内导线5
‑
2的一端与多孔阳电极连接，两根导线的另一端均与负载相接。
19.y型三通管一路管道作为氧化剂进口6
‑
1；另一路管道作为燃料进口6
‑
2；第三路管道作为混合流体出口6
‑
3(如图5)。第三路管道与圆管通道的进口端采用密封胶套7连接，圆管通道的出口端与排液管8连接，由此构成圆管式微流体燃料电池(如图1)。
20.多孔阳电极和多孔阴电极分别放置在对应的电极凹槽内构成阳极流场板和阴极流场板，多孔阳电极与多孔阴电极的基底材料均为碳纸，在碳纸上喷涂pt/c或pd/c催化剂构成阴、阳极催化层，在碳纸上涂抹nafion溶液，以防止催化剂脱落。
21.左、右两个半空心圆柱体的电极凹槽尺寸完全相同，深度为0.2～0.5mm，长度为5～15mm，弧长为2.24～4.48mm，弧度为60
°
～120
°
。
22.圆管通道内径为4～10mm，外径为7～13mm，长度为20mm～40mm。左半空心圆柱体横截面外径对应扇形的圆心角为180
°
～240
°
，内径对应扇形的圆心角为120
°
～160
°
，左半空心圆柱体凹形通槽的深度为0.89
±
0.1mm。右半空心圆柱体横截面外径所对应扇形的圆心角为120
°
～180
°
，内径对应扇形的圆心角为200
°
～240
°
，右半空心圆柱体内凸台的高度为0.89
±
0.1mm，两者扣合为一体。
23.y型三通管反应液进口段长度为12～15mm，混合流体出口段长度为10～15mm，出口段的内径与圆管通道内径相同。第三路管道出口段与圆管通道进口相接，组成微流体燃料电池燃料和氧化剂流动的通道。y型三通管采用透明树脂材料通过3d打印技术制成。
24.作为实施例，该微流体燃料电池根据与其它用电设备装配的需要，具体尺寸可以在规定的范围内进行调整。本实施例给出一个通用的参考尺寸，左右两个半空心圆柱体的电极凹槽尺寸为：深度为0.4mm，长度为12mm，弧长为2.24mm，弧度为60
°
。
25.圆管通道内径为4.28mm，外径为7.24mm，长度为30mm。左半空心圆柱体横截面外径对应扇形的圆心角为220
°
，内径对应扇形的圆心角为140
°
，凹形通槽的深度为0.89
±
0.1mm。右半空心圆柱体横截面外径所对应扇形的圆心角为140
°
，内径对应扇形的圆心角为220
°
，右半空心圆柱体内凸台的厚度为0.89
±
0.1mm。该尺寸也可以调整，只要使两者严丝合缝扣合为一体即可。y型三通管反应液进口段长度为12mm，混合流体出口段长度为10mm，出口段的内径与圆管通道内径相同。
26.选择碳纸作为多孔阳电极与多孔阴极的基底材料，在碳纸上喷涂催化剂pt/c(铂/碳)或pd/c(钯/碳)构成催化层，同时在碳纸上涂抹nafion(全氟磺酸膜)溶液，以防止催化剂脱落。将多孔阳电极和多孔阴电极分别放置在阳极凹槽和阴极凹槽内，采用导电胶将(未涂有催化剂)碳纸的一面紧贴电极凹槽内壁。导线穿过凹槽中心的通孔被导电胶粘贴在各自的电极上。
27.本实施例以甲酸溶液为燃料、氧气为氧化剂。该微流体燃料电池运行时，向y型三通管的燃料进口通入2mol/l甲酸溶液和1mol/l稀硫酸溶液混合后的溶液，在氧化剂进口通入1mol/l稀硫酸溶液。稀硫酸溶液中溶解有氧气，燃料和氧化剂分别被主流道(圆管通道)中的多孔阳电极以及多孔阴电极的催化剂催化，发生电化学反应，甲酸发生氧化反应生成的二氧化碳气体随废液一同从圆管通道的出口排出至废液槽。反应过程中氢离子在圆管通
道内的电解液中进行移动，电子则通过与多孔电极连接的导线进行传导，导线外接负载，从而为小型便携式电子设备供电。