基本信息
- 项目名称：
- 便携式微型空气自呼吸直接甲酸燃料电池
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”作品
- 小类：
- 能源化工
- 大类：
- 科技发明制作B类
- 简介：
- 本发明改进和简化了燃料电池常见结构，使用电路板作为集电板和端板的统一体。以甲酸溶液为燃料、空气为氧化剂，通过电极反应产生电流，具有能量密度高、使用时间长、安全环保的优点，为一种高效、紧凑、使用便利的微型燃料电池电源。该设计已成功申请国家发明专利1项，发表相关SCI论文4篇。有望在军事、通讯、个人电子设备等领域有应用前景。
- 详细介绍：
- 燃料电池是一种能直接将化学能转化为电能的装置，较普通电池具有高效、环保、启动迅速、质量比能量高等显著优点。它无需外置电源充电，只需换用燃料即可实现电池的长时间工作，特别适合野外基站及军事设备等使用。尤其是空气自呼吸式结构的燃料电池，因其无需附属设备，结构简单且携带方便，正成为国内外研究和开发的热点。 本发明改进和简化了燃料电池常见结构，使用电路板作为集电板和端板的统一体。以甲酸溶液为燃料、空气为氧化剂，通过电极反应产生电流，具有能量密度高、使用时间长、安全环保的优点，为一种高效、紧凑、使用便利的微型燃料电池。该电池长4cm、宽1.8cm、高4cm，有效储液量为3.5mL，可据需组装成单电池或双电池组，运行过程无须任何附加设备供氧及燃料。室温条件下，供用5mol/L甲酸为燃料时，电池最大功率密度为45mW/cm2。一次装料后，电池可在恒定电流20mA维持稳定电压1V放电近5h，且连续多次无衰减。 目前，该设计已成功申请国家发明专利1项，发表相关SCI论文4篇。本发明可作为直接甲酸燃料电池实用化的一种概念品，适用于通讯、个人电子用品等常见小功率便携式设备；可开发成燃料电池教学用品；也可能在军事方面发挥作用，特别适合野外生存使用。
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作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 本发明的目的： 制作一种可广泛使用于军事、通讯、个人电子用品的新型便携式高性能电源，该电源以甲酸溶液为燃料，以空气为氧化剂，通过电极反应产生电流，具有比通常的原电池及二次电池更高的能量密度、更长的使用时间、更加环保安全的优点，为一种高效、紧凑、使用便利的微型燃料电池电源。 基本思路： 液体燃料电池无需外接电源充电，只需换用燃料即可实现长时间工作，且安全环保、无噪音，特别适合在特殊场合使用。然而常见的燃料电池因燃料易燃不安全、电池结构复杂等不足，在商业化过程中困难重重。因此，我们尝试简化电池结构并提高电池安全稳定性能。该设计成功地将印刷电路板技术应用到直接甲酸燃料电池中。电池结构见附图1。电池由两个对等单电池组成，两单电池共用一个储液腔。甲酸和空气通过扩散作用分别从阳、阴极集电板中小孔进入膜电极阳、阴极侧，产生的二氧化碳和水分自然挥发。电子经外接电路产生电流供设备使用。电池装配好后，连接在集电板上导线分别为负、正极，两单电池可串、并联或单独使用。 创新点： 1.电池燃料廉价易得，加注方便； 2.采用印刷电路板作为集电板和端板的统一体，简化了结构，减轻了重量； 3.双侧单电池独立设计，可串联、并联或单独使用，适用性强； 4.电池材料安全环保、易得、加工技术成熟。 技术指标： 电池最大功率密度为44.5mW/cm2，可恒定电流20mA并维持稳定电压1.1V近5小时，且重复多次电池性能几乎无衰减。
科学性、先进性
- 普通电池中常含铁、锌及汞等金属，经使用 后会对环境造成污染。且二次电池对外接电源依耐性强。燃料电池无需外置电源充电，只需换用燃料即可实现长时间工作，特别适合在野外生存及军事领域使用。然而常见的燃料电池结构复杂，一般都需附属设备用于供应燃料和空气以及冷却等。电池通常采用金属钛板或石墨板作为集电板，然而前者易腐蚀而后者加工性能差。以上诸多不足难适合便携式设备对轻便耐用的需求。人们研究认为直接甲酸燃料电池是最有可能率先实现商业化。我们尝试采用印刷电路板作为集电板和端板的统一体来简化电池结构，以液体甲酸为燃料，同时选用合适催化剂达到提高电池稳定耐久性能的目的。 与现有技术相比，本发明具有如下特点： （1）采用镀金印刷电路板为集电板，有效简化结构（示意图见附图7）并减小腐蚀； （2）电池装卸简单，可适性强，安全环保，可串联、并联或单独使用； （3）采用易加工、隔热性能良好的材料加工制作集电板和储液腔，可有效收集废热； （4）燃料被动供应，产物自动排除。
获奖情况及鉴定结果
- 该作品曾先后获得2011年挑战杯校内赛一等奖和挑战杯省赛特等奖。并于2010年10月在第11届全国氢能会议暨第3届两岸三地氢能研讨会及2010年11月第十五届全国催化学术会议上进行了展示。 基于该作品已成功申请国家发明专利1项（附加材料1），以第一作者在《Journal of Power Sources》(SCI 1区TOP，IF：3.792 )及《International Journal of Hydrogen Energy》(SCI 1区TOP，IF：3.945 )共发表相关论文4篇（附加材料2-5）。
作品所处阶段
- 实验室阶段
技术转让方式
- 合作生产
作品可展示的形式
- 实物、产品、模型、现场演示、样品
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 使用说明：采用注射器注入甲酸溶液，连接电路即可使用。待使用至电池性能下降严重时，倒出废液并换用甲酸溶液，即可继续工作。断开两极即停止工作。 技术特点及优势：电池结构简单，续航能力强，适应范围广，自呼吸结构设计，无需附属设备。制备电池材料环保、易得且加工方便。 适用范围：本发明可作为直接甲酸燃料电池实用化的一种概念品，可适用于通讯、个人电子用品等小功率便携式设备；其续航能力强、无需外置电源充电等优势可能在军事方面发挥作用，特别适合野外生存使用；同时其制作简单，可开发成燃料电池教学用品。 市场分析和经济预测：据Frost&Sullivan调查，2010年便携式微型燃料电池市场规模达16亿美元。开发基于燃料电池的电源市场前景广阔，在军事、通讯、个人便携式设备等领域有广泛的应用前景。本电池结构简单、成本低廉。同时，电池各部件加工方法简单、技术成熟，适合大规模生产。因此，电池经过外观包装及性能优化后，可以加工成适应不同设备使用的电源。
同类课题研究水平概述
- 燃料电池作为一种能直接将化学能转化为电能的装置，具有高效、环保、启动迅速、质量比能量高等显著优点。目前的研究主要致力于质子交换膜燃料电池（PEMFC）和直接甲醇燃料电池（DMFC）。2008年全球生产的便携式设备用燃料电池中两者94%。但PEMFC中氢气存储困难及携带不安全。甲醇燃料毒性大、易燃、易挥发、膜渗透率高。 直接甲酸燃料电池（DFAFC）被认为最有可能率先实现商业化的燃料电池[1]。甲酸在室温下为液体，不易燃，存储和运输安全。低浓度的甲酸被美国FDA列为食品添加剂。人们[2]总结出了DFAFC的四大优点：易被氧化、可燃性低、环境毒性低、膜穿透率低。主要研究机构包括： Illinois大学、韩国科学技术燃料电池研究中心、南京师范大学等。附表1列出了针对DFAFC的主要研究成果。目前已有单位进行了小功率电池的测试和电源的研究工作。Illinois大学从2002年开始DFAFC研究[3.4]。设计出了3款测试用单电池，包括主动式、主动式吸、被动式吸空DFAFC。KIST 2004年开始DFAFC研究[5]，主要致力于主动式DFAFC。2006年该中心Miesse et al.[6] 研制出一款供笔记本电脑使用的混合动力电源，最大输出功率为30W，280ml 50%甲酸能使笔记本正常工作2.5h。 然而，对小型电池由于采用的电极板材料及主动供料需附加设备等问题，普遍存在着甲酸腐蚀、加工难度大、不易携带等问题，这些都将直接影响到电池的寿命和实用型。 参考文献：[1] 陆天虹. 高技术与工业, 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
