[发明专利]一种便携式凝胶型自呼吸微型无膜燃料电池

说明书

本发明公开了一种便携式凝胶型自呼吸微型无膜燃料电池，包括相对设置的自呼吸阴极电极和自呼吸阳极电极；其特征在于：在自呼吸阴极电极与自呼吸阳极电极之间设置有阴极水凝胶和阳极水凝胶；阴极水凝胶设置在自呼吸阴极电极一侧，阳极水凝胶设置在自呼吸阳极电极一侧，所述阳极水凝胶与自呼吸阳极电极的催化层接触构成阳极反应界面，所述阴极水凝胶与自呼吸阴极电极的催化层接触构成阴极反应界面；所述阳极水凝胶由水凝胶浸没在一定浓度的燃料与电解液的混合溶液中直至水凝胶达到饱和而获得；所述阴极水凝胶由水凝胶浸没在一定浓度的电解液溶液中直至水凝胶达到饱和而获得；本发明可广泛应用在能源、化工、环保等领域。

技术领域

本发明涉及燃料电池领域，具体涉及一种便携式凝胶型自呼吸微型无膜燃料电池。

背景技术

燃料电池是一种将燃料中的化学能通过电化学反应直接转化为电能发电装置，其不受卡诺循环限制、能量转化效率高。而质子交换膜燃料电池(proton exchange membranefuel cell)是各类燃料电池中最具有应用前景的电源之一。在针对便携式电子设备的供电电源中，以液体甲醇为燃料、质子交换膜为电解质的直接甲醇燃料电池(DMFC)因具有燃料来源丰富(生物发酵，光催化还原CO2等)、运输和储存方便(常温常压)、能量密度高(为17.5J/ml)等优点而得以推广应用。但有研究表明，直接甲醇燃料电池中所使用的质子交换膜(一般为美国杜邦公司生产的Nafion膜)不仅可以传导氢离子，同时阳极水也可以透过膜到达阴极，从而加剧阴极水淹、阻碍空气传输，降低电池性能。更为严重的问题是甲醇可以渗透Nafion膜到达阴极与氧气直接发生化学反应，这不仅造成了燃料的浪费，同时燃料渗透引起的阴极混合电位降低了电池的性能。因此直接甲醇燃料电池所使用的甲醇浓度一般为2mol/L左右(低浓度导致低输出功率密度，高浓度导致燃料渗透)，同时甲醇的催化氧化动力学也比较差，在氧化过程中产生的COads等中间产物会对催化剂造成毒化作用，降低催化剂的使用寿命和催化活性。由于上述缺点，近年来利用甲酸替代甲醇作为燃料的直接甲酸燃料电池逐渐成为研究热点。相对于甲醇，甲酸无毒、不易燃，存储和运输安全方便。此外，甲酸的能量密度虽然较低，但电池的开路电压更高(1.43V vs.1.21V)，因此在实际运行过程中更有利于输出更高的功率密度。同时甲酸作为一种强酸电解质，可以增加溶液中的氢离子浓度，高的质子电导率有效降低了电池的欧姆内阻。并且甲酸的催化氧化动力学更好，其电化学氧化产物不易使Pt，Pd等催化剂中毒。甲酸对于Nafion膜的渗透率也较低，可以在高燃料浓度(10mol/L)下运行。

目前，直接甲酸燃料电池的燃料供给方式主要分为主动式和被动式，其中主动式需要用泵将燃料泵入槽道中，这一方面需要消耗泵功，从而减小了电池的净输出功率密度；另一方面由于泵等附加设备增加了电池系统的复杂性，不利于电池微型化。被动式一般以在电池外装配燃料储液罐，通过重力或毛细输运方式实现燃料的供给运输，但燃料罐与电池之间的连接及其密封设计均增加了电池的成本。此外，质子交换膜存在造价昂贵、水管理复杂、老化降解等问题。再者，在电池运行过程中，甲酸被氧化会产生大量的二氧化碳气泡，二氧化碳气泡占据阳极表面有效反应区域，堵塞阳极流道，阻碍燃料传输，恶化电池性能。

发明内容

本发明针对现有技术存在的不足，提出了一种便携式凝胶型自呼吸微型无膜燃料电池。

本发明的技术方案是：一种便携式凝胶型自呼吸微型无膜燃料电池，包括相对设置的自呼吸阴极电极和自呼吸阳极电极；所述自呼吸阴极电极和自呼吸阳极电极均包括催化层。

其特征在于：

在自呼吸阴极电极与自呼吸阳极电极之间设置有阴极水凝胶和阳极水凝胶；阴极水凝胶设置在自呼吸阴极电极一侧，阳极水凝胶设置在自呼吸阳极电极一侧，所述阳极水凝胶与自呼吸阳极电极的催化层接触构成阳极反应界面，所述阴极水凝胶与自呼吸阴极电极的催化层接触构成阴极反应界面。