[发明专利]一种仿鱼类鳃丝结构的空气阴极

说明书

一种仿鱼类鳃丝结构的空气阴极属空气阴极燃料电池领域。本发明在传统空气阴极基础上，针对空气燃料电池在空气阴极催化层催化性能方面存在的局限，设计了空气阴极催化层的结构，加速电解液中质子的传输，增大催化剂与电解质中氧气和质子的接触面积，提高空气阴极的性能。本发明将阴极的催化层设计为一层有催化剂吸附的绒毛状碳纤维，钢网由不锈钢丝和碳纤维组成的碳纤维束编织而成，碳纤维束上的碳纤维长度为5mm，当电池中的电解液有一定流动时，吸附有催化剂的碳纤维会随流体发生摆动，提高电解液中质子的交换速率；吸附有催化剂的碳纤维束能大大增加催化剂与电解质中氧气和质子的接触面积，加快催化层的反应速率。

技术领域

本发明属空气阴极燃料电池领域，具体涉及一种新型仿生空气阴极的结构设计。

背景技术

日益严重的能源危机和环境污染问题迫使人类寻找可持续、可再生的新型清洁能源。空气阴极燃料电池是新能源研究的焦点之一，有望应用于新能源汽车、临时供电装置等领域。

电池阴极氧化还原反应发生的快慢决定着电池的性能。当催化剂催化性能一定时，氧化还原反应的快慢取决于空气阴极结构导致的溶解氧，质子、电子的供给速率及催化剂层与反应物的接触面积。研究发现，鳃丝在鱼类呼吸过程中起着重要的作用，当水流流经鱼鳃时，大量的鳃丝会随着水流不停摆动，增大了鳃丝与水中含量稀少的氧气接触的几率。同时，大量的鳃丝在水中呈分散状态，增大了鳃丝与水的接触面积，从而提高氧气的交换效率，增强鱼类的呼吸能力。

基于鱼类鳃丝的优异结构，本发明设计一种新型仿生空气阴极的结构，增大催化剂层与电解液中溶解氧和质子的接触面积、接触几率，增强氧还原反应发生部位的电子输送能力，进而提高空气阴极的性能，最终提高电池的整体性能，对空气燃料电池性能的提高具有重要意义。

发明内容

本发明目的在于提供一种能够提高氧气、质子、电子等物质传质性能的空气阴极。基于鱼类鳃丝的优异结构，设计该仿生空气阴极的催化层结构。当电解液腔体中的电解液有一定流动时，吸附有催化剂的绒毛状碳纤维能在电解液中发生摆动，提高电解液中质子的交换速率。同时，大量吸附有催化剂的绒毛状碳纤维在电解液中呈分散状态，增大了催化剂与电解液中氧气和质子的接触面积。最后，碳纤维具有着优异的导电特性，能够快速向氧还原反应发生部位长程输送电子。所以，此种新型空气阴极提高了氧气、质子、电子等物质传质性能，促进空气阴极催化层氧化还原反应发生的速率，进而提高电池的整体性能。

本发明的催化层和集流板是由吸附有催化剂的碳纤维束通过编织得到的网状结构。

每一根碳纤维束由两根不锈钢丝和若干根10mm长度的碳纤维通过捆绑缠绕的方式得到，每两根100mm长度的不锈钢丝对应10000根10mm长度的碳纤维，每两根100mm长度的不锈钢丝相互缠绕20圈。所得碳纤维束上绒毛状碳纤维的长度为5mm。

选取不锈钢丝的直径为0.3mm至0.5mm。

附图说明

图1为空气阴极结构。

图2为仿鱼类鳃丝结构的空气阴极。

图3为不锈钢丝和碳纤维的初始排布方式。

图4为两根不锈钢丝的捆绑缠绕方式。

图5为碳纤维束。

图6为碳纤维束编织为类钢网结构的方式。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细阐述：