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基本信息

項目名稱：
便攜式微型空氣自呼吸直接甲酸燃料電池
小類：
能源化工
簡介：
本發(fā)明改進(jìn)和簡化了燃料電池常見結(jié)構(gòu)，使用電路板作為集電板和端板的統(tǒng)一體。以甲酸溶液為燃料、空氣為氧化劑，通過電極反應(yīng)產(chǎn)生電流，具有能量密度高、使用時間長、安全環(huán)保的優(yōu)點(diǎn)，為一種高效、緊湊、使用便利的微型燃料電池電源。該設(shè)計已成功申請國家發(fā)明專利1項，發(fā)表相關(guān)SCI論文4篇。有望在軍事、通訊、個人電子設(shè)備等領(lǐng)域有應(yīng)用前景。
詳細(xì)介紹：
燃料電池是一種能直接將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的裝置，較普通電池具有高效、環(huán)保、啟動迅速、質(zhì)量比能量高等顯著優(yōu)點(diǎn)。它無需外置電源充電，只需換用燃料即可實現(xiàn)電池的長時間工作，特別適合野外基站及軍事設(shè)備等使用。尤其是空氣自呼吸式結(jié)構(gòu)的燃料電池，因其無需附屬設(shè)備，結(jié)構(gòu)簡單且攜帶方便，正成為國內(nèi)外研究和開發(fā)的熱點(diǎn)。 本發(fā)明改進(jìn)和簡化了燃料電池常見結(jié)構(gòu)，使用電路板作為集電板和端板的統(tǒng)一體。以甲酸溶液為燃料、空氣為氧化劑，通過電極反應(yīng)產(chǎn)生電流，具有能量密度高、使用時間長、安全環(huán)保的優(yōu)點(diǎn)，為一種高效、緊湊、使用便利的微型燃料電池。該電池長4cm、寬1.8cm、高4cm，有效儲液量為3.5mL，可據(jù)需組裝成單電池或雙電池組，運(yùn)行過程無須任何附加設(shè)備供氧及燃料。室溫條件下，供用5mol/L甲酸為燃料時，電池最大功率密度為45mW/cm2。一次裝料后，電池可在恒定電流20mA維持穩(wěn)定電壓1V放電近5h，且連續(xù)多次無衰減。 目前，該設(shè)計已成功申請國家發(fā)明專利1項，發(fā)表相關(guān)SCI論文4篇。本發(fā)明可作為直接甲酸燃料電池實用化的一種概念品，適用于通訊、個人電子用品等常見小功率便攜式設(shè)備；可開發(fā)成燃料電池教學(xué)用品；也可能在軍事方面發(fā)揮作用，特別適合野外生存使用。

作品圖片

  • 便攜式微型空氣自呼吸直接甲酸燃料電池
  • 便攜式微型空氣自呼吸直接甲酸燃料電池
  • 便攜式微型空氣自呼吸直接甲酸燃料電池

作品專業(yè)信息

設(shè)計、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點(diǎn)、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)

本發(fā)明的目的： 制作一種可廣泛使用于軍事、通訊、個人電子用品的新型便攜式高性能電源，該電源以甲酸溶液為燃料，以空氣為氧化劑，通過電極反應(yīng)產(chǎn)生電流，具有比通常的原電池及二次電池更高的能量密度、更長的使用時間、更加環(huán)保安全的優(yōu)點(diǎn)，為一種高效、緊湊、使用便利的微型燃料電池電源。 基本思路： 液體燃料電池?zé)o需外接電源充電，只需換用燃料即可實現(xiàn)長時間工作，且安全環(huán)保、無噪音，特別適合在特殊場合使用。然而常見的燃料電池因燃料易燃不安全、電池結(jié)構(gòu)復(fù)雜等不足，在商業(yè)化過程中困難重重。因此，我們嘗試簡化電池結(jié)構(gòu)并提高電池安全穩(wěn)定性能。該設(shè)計成功地將印刷電路板技術(shù)應(yīng)用到直接甲酸燃料電池中。電池結(jié)構(gòu)見附圖1。電池由兩個對等單電池組成，兩單電池共用一個儲液腔。甲酸和空氣通過擴(kuò)散作用分別從陽、陰極集電板中小孔進(jìn)入膜電極陽、陰極側(cè)，產(chǎn)生的二氧化碳和水分自然揮發(fā)。電子經(jīng)外接電路產(chǎn)生電流供設(shè)備使用。電池裝配好后，連接在集電板上導(dǎo)線分別為負(fù)、正極，兩單電池可串、并聯(lián)或單獨(dú)使用。 創(chuàng)新點(diǎn)： 1.電池燃料廉價易得，加注方便； 2.采用印刷電路板作為集電板和端板的統(tǒng)一體，簡化了結(jié)構(gòu)，減輕了重量； 3.雙側(cè)單電池獨(dú)立設(shè)計，可串聯(lián)、并聯(lián)或單獨(dú)使用，適用性強(qiáng)； 4.電池材料安全環(huán)保、易得、加工技術(shù)成熟。 技術(shù)指標(biāo)： 電池最大功率密度為44.5mW/cm2，可恒定電流20mA并維持穩(wěn)定電壓1.1V近5小時，且重復(fù)多次電池性能幾乎無衰減。

科學(xué)性、先進(jìn)性

普通電池中常含鐵、鋅及汞等金屬，經(jīng)使用 后會對環(huán)境造成污染。且二次電池對外接電源依耐性強(qiáng)。燃料電池?zé)o需外置電源充電，只需換用燃料即可實現(xiàn)長時間工作，特別適合在野外生存及軍事領(lǐng)域使用。然而常見的燃料電池結(jié)構(gòu)復(fù)雜，一般都需附屬設(shè)備用于供應(yīng)燃料和空氣以及冷卻等。電池通常采用金屬鈦板或石墨板作為集電板，然而前者易腐蝕而后者加工性能差。以上諸多不足難適合便攜式設(shè)備對輕便耐用的需求。人們研究認(rèn)為直接甲酸燃料電池是最有可能率先實現(xiàn)商業(yè)化。我們嘗試采用印刷電路板作為集電板和端板的統(tǒng)一體來簡化電池結(jié)構(gòu)，以液體甲酸為燃料，同時選用合適催化劑達(dá)到提高電池穩(wěn)定耐久性能的目的。 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下特點(diǎn)： （1）采用鍍金印刷電路板為集電板，有效簡化結(jié)構(gòu)（示意圖見附圖7）并減小腐蝕； （2）電池裝卸簡單，可適性強(qiáng)，安全環(huán)保，可串聯(lián)、并聯(lián)或單獨(dú)使用； （3）采用易加工、隔熱性能良好的材料加工制作集電板和儲液腔，可有效收集廢熱； （4）燃料被動供應(yīng)，產(chǎn)物自動排除。

獲獎情況及鑒定結(jié)果

該作品曾先后獲得2011年挑戰(zhàn)杯校內(nèi)賽一等獎和挑戰(zhàn)杯省賽特等獎。并于2010年10月在第11屆全國氫能會議暨第3屆兩岸三地氫能研討會及2010年11月第十五屆全國催化學(xué)術(shù)會議上進(jìn)行了展示。 基于該作品已成功申請國家發(fā)明專利1項（附加材料1），以第一作者在《Journal of Power Sources》(SCI 1區(qū)TOP，IF：3.792 )及《International Journal of Hydrogen Energy》(SCI 1區(qū)TOP，IF：3.945 )共發(fā)表相關(guān)論文4篇（附加材料2-5）。

作品所處階段

實驗室階段

技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式

合作生產(chǎn)

作品可展示的形式

實物、產(chǎn)品、模型、現(xiàn)場演示、樣品

使用說明,技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢,適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說明,市場分析,經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測

使用說明：采用注射器注入甲酸溶液，連接電路即可使用。待使用至電池性能下降嚴(yán)重時，倒出廢液并換用甲酸溶液，即可繼續(xù)工作。斷開兩極即停止工作。 技術(shù)特點(diǎn)及優(yōu)勢：電池結(jié)構(gòu)簡單，續(xù)航能力強(qiáng)，適應(yīng)范圍廣，自呼吸結(jié)構(gòu)設(shè)計，無需附屬設(shè)備。制備電池材料環(huán)保、易得且加工方便。 適用范圍：本發(fā)明可作為直接甲酸燃料電池實用化的一種概念品，可適用于通訊、個人電子用品等小功率便攜式設(shè)備；其續(xù)航能力強(qiáng)、無需外置電源充電等優(yōu)勢可能在軍事方面發(fā)揮作用，特別適合野外生存使用；同時其制作簡單，可開發(fā)成燃料電池教學(xué)用品。 市場分析和經(jīng)濟(jì)預(yù)測：據(jù)Frost&Sullivan調(diào)查，2010年便攜式微型燃料電池市場規(guī)模達(dá)16億美元。開發(fā)基于燃料電池的電源市場前景廣闊，在軍事、通訊、個人便攜式設(shè)備等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景。本電池結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉。同時，電池各部件加工方法簡單、技術(shù)成熟，適合大規(guī)模生產(chǎn)。因此，電池經(jīng)過外觀包裝及性能優(yōu)化后，可以加工成適應(yīng)不同設(shè)備使用的電源。

同類課題研究水平概述

燃料電池作為一種能直接將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的裝置，具有高效、環(huán)保、啟動迅速、質(zhì)量比能量高等顯著優(yōu)點(diǎn)。目前的研究主要致力于質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）和直接甲醇燃料電池（DMFC）。2008年全球生產(chǎn)的便攜式設(shè)備用燃料電池中兩者94%。但PEMFC中氫氣存儲困難及攜帶不安全。甲醇燃料毒性大、易燃、易揮發(fā)、膜滲透率高。 直接甲酸燃料電池（DFAFC）被認(rèn)為最有可能率先實現(xiàn)商業(yè)化的燃料電池[1]。甲酸在室溫下為液體，不易燃，存儲和運(yùn)輸安全。低濃度的甲酸被美國FDA列為食品添加劑。人們[2]總結(jié)出了DFAFC的四大優(yōu)點(diǎn)：易被氧化、可燃性低、環(huán)境毒性低、膜穿透率低。主要研究機(jī)構(gòu)包括： Illinois大學(xué)、韓國科學(xué)技術(shù)燃料電池研究中心、南京師范大學(xué)等。附表1列出了針對DFAFC的主要研究成果。目前已有單位進(jìn)行了小功率電池的測試和電源的研究工作。Illinois大學(xué)從2002年開始DFAFC研究[3.4]。設(shè)計出了3款測試用單電池，包括主動式、主動式吸、被動式吸空DFAFC。KIST 2004年開始DFAFC研究[5]，主要致力于主動式DFAFC。2006年該中心Miesse et al.[6] 研制出一款供筆記本電腦使用的混合動力電源，最大輸出功率為30W，280ml 50%甲酸能使筆記本正常工作2.5h。 然而，對小型電池由于采用的電極板材料及主動供料需附加設(shè)備等問題，普遍存在著甲酸腐蝕、加工難度大、不易攜帶等問題，這些都將直接影響到電池的壽命和實用型。 參考文獻(xiàn)：[1] 陸天虹. 高技術(shù)與工業(yè), 2008, 11: 70-71；[2] Demirci U B. Env. Int. 2009, 35:626–631；[3] Rice C. J. Power Sources 2002, 111: 83–89；[4] Rice C. . Power Sources 2003, 115: 229–235；[5]Kim J S. Korean J.Chem. Eng. 2005, 22: 661-665；[6] Miesse C M. J.Power Sources 2006, 162:532–540
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