一种包埋棉线的纸基微流体燃料电池的制作方法

1.本发明属于燃料电池技术领域，具体涉及一种包埋棉线的纸基微流体燃料电池。


背景技术：

2.随着科技的进步，手机、笔记本、微型芯片等小型便携式设备不断兴起，并朝着低成本、多功能集成、微型化的方向发展。例如，可穿戴电子设备、血糖仪等即时检测装置可用于监测或检测人体健康指标，具有广阔的市场应用前景(cn204514931u，cn106529355a)。这些小型电子设备的高度集成化要求供电装置具有更高的电流密度、更小的体积或具有柔性等特点。目前的小型便携式供电装置主要包括锂离子电池、燃料电池等。其中锂离子纽扣电池最为常见，但其能量密度小，放电损耗较大，长期储存容易失效，随意丢弃易对环境造成较大的危害(cn101924243a)。与之相比，微型燃料电池具有功率密度高、环境污染小等优点。基于微通道的微型燃料电池，需要微型泵或其他辅助设备驱动，增加了能耗，导致净输出功率密度低，难以满足检测芯片等微型设备的供能需要，严重限制了其实际应用(cn1947296a)。
3.纸基微流体燃料电池在柔性电子设备或医学即时检测设备有广泛的应用前景，是当前研发的热点及重点(cn111916809a)。纸基微流体燃料电池通过纸基材料提供的毛细吸力，可实现燃料和氧化剂的自然分层，同时为燃料和氧化剂的运输提供驱动力，无需质子交换膜和微型泵，具有结构简单、可折叠、易于集成的优点。但是这种燃料电池所存在的最大问题是，电池仅依靠纸基实现燃料氧化剂层流流动，阴阳两电极容易产生燃料或氧化剂交叉混杂的问题，从而严重影响电池的性能。
4.因此，开发一种能避免燃料交叉问题的纸基微流体燃料电池，是进一步提升该纸基微流体燃料电池电池性能的关键。


技术实现要素：

5.为解决纸基微流体燃料电池存在的燃料交叉问题，同时对离子传输速率不产生影响，本发明的目的是提供了一种包埋棉线的纸基微流体燃料电池。
6.包埋棉线的纸基微流体燃料电池的技术方案是：电池包括吸水纸、亲水棉线、碳纸、紧固装置、吸收垫、燃料、氧化剂、钯/碳催化剂、全氟磺酸膜、异丙醇、以及导线等。将吸水纸设计成y型结构的燃料和氧化剂流道，将亲水棉线置于吸水纸内燃料和氧化剂两种流体结合段中心位置，吸水纸将亲水棉线包埋，棉线内装载有na2so4固体粉末。将喷涂有钯/碳催化剂的碳纸对称布置在燃料、氧化剂流道的两侧作为阴、阳极催化层，采用紧固装置将两侧碳纸固定。将吸收垫固定在燃料、氧化剂混合流道废液出口位置。
7.本发明亲水棉线内含有na2so4固体粉末，可在电池工作时增加离子侧向传导能力；吸收垫设计在流道废液出口位置，可以为电池内液体持续提供毛细驱动力并存储使用后的液体。
8.含有na2so4溶液的棉线结构，有效防止发生阴、阳极电极发生燃料交叉混杂，使燃
料和氧化剂的流动更稳定，强化了电池性能。
9.根据本发明所提出的亲水棉线优选方案，将亲水棉线浸泡在na2so4进行烘干处理后的棉线。
10.根据本发明所提出的吸水纸优选方案，在两层吸水纸的中间加入含有na2so4的亲水棉线，即将处理后的棉线固定在2张湿纸页中，进行脱水和干燥得到包埋棉线的吸水纸。
11.本发明的特点以及产生的有益效果是：
12.(1)发明设计包埋棉线的吸水纸作为阴阳极流道，流道中间棉线可有效隔离阴阳极电解液渗透，从而免燃料交叉混杂问题；棉线内部遇水na2so4溶解可确保阴阳极电解液离子横向传输，最终实现电池性能的有效提升。
13.(2)本发明的阳极反应中产物为常见的碳酸盐和水，对环境无影响；阴极反应中产物为水同样无污染，对环境无影响。
14.(3)本发明提出的包埋棉线的纸基微流体燃料电池结构简单、取材成本低，易于实现大规模生产制造。
附图说明
15.图1是包埋棉线的纸基微流体燃料电池原理与结构示意图。
16.图2是本发明实施例纸基微流体燃料电池性能对比结果曲线图。
具体实施方式
17.为便于对本发明原理以及实施效果的理解，下面将结合附图以具体实施例作进一步的解释说明，且所示附图1并不构成对本发明实施例的限定。
18.一种包埋棉线的纸基微流体燃料电池，其结构组成为(如图1)：将吸水纸(1)设计成y型结构的燃料和氧化剂流道，将亲水棉线(2)置于吸水纸内燃料和氧化剂两种流体结合段中心位置，吸水纸将亲水棉线包埋，棉线内装载有na2so4固体粉末，可在电池工作时增加离子侧向传导能力。将喷涂有钯/碳(pd/c)催化剂的碳纸(3)对称布置在燃料、氧化剂流道的两侧作为阴、阳极催化层，采用紧固装置(4)将两侧碳纸固定。将吸收垫(5)固定在燃料、氧化剂混合流道废液出口位置。吸收垫可为电池内液体持续提供毛细驱动力并存储使用后的液体。
19.在两层吸水纸的中间加入含有na2so4的亲水棉线，亲水棉线是被na2so4溶液浸泡过烘干后，包含na2so4固体粉末的棉线。
20.纸基微流体燃料电池的碳纸是表面喷涂钯/碳催化剂、全氟磺酸膜(nafion)、及异丙醇的混合溶液干燥后的碳纸，可作为阴、阳极催化层催化燃料和氧化剂发生电化学反应。
21.紧固装置将阴、阳极碳纸固定的同时，可收集碳纸内电化学反应产生的电能，并通过导线传递到外部用电器。
22.作为具体实施例，吸水纸、碳纸、吸收垫裁剪出所需形状和大小，其中各材料的长度和宽度分别为：纸基6cm
×
1cm；吸收垫1cm
×
1cm；碳纸3mm
×
5mm。
23.阳极采用koh/ch3cooh的混合溶液，阴极采用h2o2/h2so4混合溶液。燃料和氧化剂同时在纸基中以自发被动的方式流动。阳极侧燃料和阴极侧氧化剂向催化层传输；经过反应区后液体进入吸收垫5。
24.阳极反应失去电子，生成co
32-和h2o，阴极得到电子与氢离子结合生成h2o，碳酸盐和废液被尾部吸收垫吸收。反应的化学方程式如下：
25.阳极：
26.阴极：h2o2 2h

2e-——
→
2h2o
27.图2是包埋亲水棉线吸水纸和普通吸水纸(未包埋亲水棉线)的纸基微流体燃料电池性能对比曲线。在相同环境条件下，在组装好的包埋棉线吸水纸和普通吸水纸的纸基微流体燃料电池中，向阳极燃料入口通入2mol/l ch3cooh和4mol/l koh的混合溶液，阴极氧化剂入口通入2mol/l h2so4稀溶液和1mol/lh2o2的混合溶液，然后分别测试两种燃料电池性能，并得到实验曲线。由图2中可以看出，包埋棉线的纸基微流体燃料电池相比于未包埋亲水棉线吸水纸的纸基微流体燃料电池，最大电压提升了20％左右，最大电流密度提升了一倍左右，最大功率密度提升了两倍以上。
28.以上尽管结合附图对本发明的实施方案进行了描述，但本发明并不局限于上述的具体实施方案和应用领域，上述的具体实施方案仅仅是示意性的、指导性的，而不是限制性的。本领域的普通技术人员在本说明书的启示下和在不脱离本发明权利要求所保护的范围的情况下，还可以做出很多种的形式，这些均属于本发明保护之列。