本發(fā)明屬于燃料電池領(lǐng)域，特別涉及一種基于靜電吸附的聚合物電解質(zhì)膜燃料電池。

背景技術(shù)：

燃料電池能夠?qū)崿F(xiàn)對燃料的高效清潔利用，因而是緩解日益突出的能源、環(huán)境問題的有效途徑之一。依據(jù)電解質(zhì)的不同，現(xiàn)有的燃料電池主要可歸類為：磷酸燃料電池、固體氧化物燃料電池、溶融碳酸鹽燃料電池、堿性燃料電池、聚合物電解質(zhì)膜燃料電池(PEMFC)，以及新出現(xiàn)的基于二維材料(石墨烯、氮化硼)隔膜的燃料電池；其中聚合物電解質(zhì)膜燃料電池通常具有較高的功率密度、較長的使用壽命以及應(yīng)用領(lǐng)域更廣泛等優(yōu)勢。

對于聚合物電解質(zhì)膜燃料電池，其電池隔膜是影響電池性能及實現(xiàn)規(guī)模應(yīng)用的關(guān)鍵。電池隔膜的作用主要是用于阻隔燃料滲漏以及傳導(dǎo)電極反應(yīng)產(chǎn)生的離子。基于聚合物的電池隔膜主要有質(zhì)子交換膜和陰離子交換膜。質(zhì)子交換膜的研究較多，杜邦公司的Nafion系列膜已經(jīng)實現(xiàn)了商業(yè)化，其質(zhì)子傳導(dǎo)率達(dá)到了0.1s/cm，而陰離子交換膜的離子導(dǎo)電率較低，很難滿足燃料電池的電導(dǎo)率要求。

聚合物電解質(zhì)膜的導(dǎo)電性是通過膜內(nèi)帶電離子的傳輸過程實現(xiàn)的，質(zhì)子交換膜通過質(zhì)子的傳輸過程實現(xiàn)，陰離子交換膜通過陰離子的傳輸過程實現(xiàn)，陰離子一般為OH-離子。目前提高電池隔膜電導(dǎo)率的研究主要集中于新材料開發(fā)、nm材料填充等方向，這些研究在一定程度上有利于電池隔膜電導(dǎo)率的提高，但是仍不能滿足燃料電池的電導(dǎo)率需求，尤其是陰離子交換膜燃料電池。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種基于靜電吸附的聚合物電解質(zhì)膜燃料電池，通過靜電吸附作用加快燃料電池聚合物電解質(zhì)膜的離子傳導(dǎo)速率。

為了實現(xiàn)以上目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案，一種基于靜電吸附的聚合物電解質(zhì)膜燃料電池，由陽極板、陰極板、陽極氣體擴(kuò)散層、陰極氣體擴(kuò)散層、陽極催化劑層、陰極催化劑層、離子交換膜和密封部件組成；陽極板與陰極板相對設(shè)置；所述陽極板朝向所述陰極板的一側(cè)設(shè)置有陽極氣體擴(kuò)散層；所述陰極板朝向所述陽極板的一側(cè)設(shè)置有陰極氣體擴(kuò)散層；所述陽極氣體擴(kuò)散層朝向所述陰極氣體擴(kuò)散層的一側(cè)設(shè)置有陽極催化劑層；所述陰極氣體擴(kuò)散層朝向所述陽極氣體擴(kuò)散層的一側(cè)設(shè)置有陰極催化劑層；所述陽極催化劑層與所述陰極催化劑層之間設(shè)置有離子交換膜；所述離子交換膜由靜電網(wǎng)、隔離膜和聚合物電解質(zhì)組成，靜電網(wǎng)為長方形薄片，靜電網(wǎng)一側(cè)的工作區(qū)域內(nèi)設(shè)置有均勻排列的通孔；所述隔離膜覆蓋在靜電網(wǎng)包括但不局限于所述工作區(qū)域的外表面，包含所述工作區(qū)域內(nèi)的通孔內(nèi)表面；所述聚合物電解質(zhì)覆蓋在隔離膜所述工作區(qū)域的兩側(cè)，并且充滿由氮化硅覆蓋過的靜電網(wǎng)通孔內(nèi)；所述密封部件由陽極密封墊片、陰極密封墊片、中間密封墊片和密封膠組成；所述陽極密封墊片設(shè)置在陽極催化劑層與陽極氣體擴(kuò)散層四周，朝向陽極板一側(cè)與陽極板貼合；所述陰極密封墊片設(shè)置在陰極催化劑層與陰極氣體擴(kuò)散層四周，朝向陰極板一側(cè)與陰極板貼合；所述中間密封墊片為U形，包圍在離子交換膜的反應(yīng)區(qū)域一側(cè)，所述密封膠填充在離子交換膜非反應(yīng)區(qū)域、陽極密封墊片、陰極密封墊片之間的空隙內(nèi)。

本發(fā)明一種基于靜電吸附的聚合物電解質(zhì)膜燃料電池，所述靜電網(wǎng)工作區(qū)域內(nèi)的通孔直徑小于10μm，孔隙率在50％到80％之間。

本發(fā)明一種基于靜電吸附的聚合物電解質(zhì)膜燃料電池，所述靜電網(wǎng)內(nèi)均勻排列的通孔可以布滿整個靜電網(wǎng)。

本發(fā)明一種基于靜電吸附的聚合物電解質(zhì)膜燃料電池，所述靜電網(wǎng)由導(dǎo)電材料制成，厚度在20μm到80μm之間。

本發(fā)明一種基于靜電吸附的聚合物電解質(zhì)膜燃料電池，所述隔離膜由絕緣材料制成，厚度在30nm到200nm之間。

本發(fā)明一種基于靜電吸附的聚合物電解質(zhì)膜燃料電池，所述聚合物電解質(zhì)膜可以是質(zhì)子交換膜，也可以是陰離子交換膜。

本發(fā)明一種基于靜電吸附的聚合物電解質(zhì)膜燃料電池，所述靜電網(wǎng)可以通過外加電路施加靜電和釋放靜電，對于質(zhì)子交換膜，靜電網(wǎng)施加負(fù)電，對于陰離子交換膜，靜電網(wǎng)施加正電。

由以上技術(shù)方案可知，本發(fā)明的有益效果是，通過外部電路的輸入，能夠通過兩種方式提高離子交換膜的電導(dǎo)率，具體如下：

1.通過外部電路的輸入，使靜電網(wǎng)攜帶與離子聚合物離子基團(tuán)相同屬性的大量電荷，從而提高離子交換膜的離子交換容量，提高離子交換膜的電導(dǎo)率。

2.通過外部電路的控制，實現(xiàn)靜電網(wǎng)電荷的加載與釋放，金屬網(wǎng)加載時，聚合物電解質(zhì)中的離子快速吸附到金屬網(wǎng)表面，使金屬網(wǎng)表面的離子濃度升高，而后金屬網(wǎng)釋放電荷，聚合物電解質(zhì)中的離子失去牽引力后加速傳導(dǎo)，通過這種方法，同樣能夠提高離子交換膜的電導(dǎo)率。

附圖說明

圖1為本發(fā)明一種基于靜電吸附的聚合物電解質(zhì)膜燃料電池的立體圖。

圖2為圖1的爆炸視圖。

圖3為圖1中A區(qū)域的局部放大圖。

圖4為本發(fā)明一種基于靜電吸附的聚合物電解質(zhì)膜燃料電池的靜電網(wǎng)結(jié)構(gòu)示意圖。

圖5為本發(fā)明一種基于靜電吸附的聚合物電解質(zhì)膜燃料電池的靜電網(wǎng)覆蓋隔離膜后的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖6為本發(fā)明一種基于靜電吸附的聚合物電解質(zhì)膜燃料電池的離子交換膜結(jié)構(gòu)示意圖。

圖中：1.陰極催化劑層，2.陰極氣體擴(kuò)散層，3.陰極密封墊片，4.陰極板，5.離子交換膜，6.密封膠，7.陽極密封墊片，8.陽極板，9.陽極氣體擴(kuò)散層，10.陽極催化劑層，11.中間密封墊片，12.密封部件，51.靜電網(wǎng)，52.隔離膜，53.聚合物電解質(zhì)，54.工作區(qū)域，55.通孔。

具體實施方式：

本發(fā)明一種基于靜電吸附的聚合物電解質(zhì)膜燃料電池，如圖1和圖2所示，由陽極板8、陰極板4、陽極氣體擴(kuò)散層9、陰極氣體擴(kuò)散層2、陽極催化劑層10、陰極催化劑層1、離子交換膜5和密封部件12組成；陽極板8與陰極板4相對設(shè)置；所述陽極板8朝向所述陰極板4的一側(cè)設(shè)置有陽極氣體擴(kuò)散層9；所述陰極板4朝向所述陽極板8的一側(cè)設(shè)置有陰極氣體擴(kuò)散層2；所述陽極氣體擴(kuò)散層9朝向所述陰極氣體擴(kuò)散層2的一側(cè)設(shè)置有陽極催化劑層10；所述陰極氣體擴(kuò)散層2朝向所述陽極氣體擴(kuò)散層9的一側(cè)設(shè)置有陰極催化劑層1；所述陽極催化劑層10與所述陰極催化劑層1之間設(shè)置有離子交換膜5；所述離子交換膜5由靜電網(wǎng)51、隔離膜52和聚合物電解質(zhì)53組成，如圖3所示，靜電網(wǎng)51為長方形薄片，靜電網(wǎng)51一側(cè)的工作區(qū)域54內(nèi)設(shè)置有均勻排列的通孔55，如圖4和圖5所示；所述隔離膜52覆蓋在靜電網(wǎng)51包括但不局限于所述工作區(qū)域54的外表面，包含所述工作區(qū)域54內(nèi)的通孔55內(nèi)表面；所述聚合物電解質(zhì)53覆蓋在隔離膜52所述工作區(qū)域54的兩側(cè)，并且充滿由氮化硅覆蓋過的靜電網(wǎng)51的通孔55內(nèi)；所述密封部件12由陽極密封墊片7、陰極密封墊片3、中間密封墊片11和密封膠6組成；所述陽極密封墊片7設(shè)置在陽極催化劑層10與陽極氣體擴(kuò)散層9四周，朝向陽極板8一側(cè)與陽極板8貼合；所述陰極密封墊片3設(shè)置在陰極催化劑層1與陰極氣體擴(kuò)散層2四周，朝向陰極板4一側(cè)與陰極板4貼合；所述中間密封墊片11為U形，包圍在離子交換膜5的反應(yīng)區(qū)域54一側(cè)，所述密封膠6填充在離子交換膜5的非反應(yīng)區(qū)域、陽極密封墊片7、陰極密封墊片3之間的空隙內(nèi)。

本發(fā)明一種基于靜電吸附的聚合物電解質(zhì)膜燃料電池，所述靜電網(wǎng)51工作區(qū)域內(nèi)的通孔55直徑小于10μm，孔隙率在50％到80％之間。

本發(fā)明一種基于靜電吸附的聚合物電解質(zhì)膜燃料電池，所述靜電網(wǎng)51內(nèi)均勻排列的通孔55可以布滿整個靜電網(wǎng)。

本發(fā)明一種基于靜電吸附的聚合物電解質(zhì)膜燃料電池，所述靜電網(wǎng)51由導(dǎo)電材料制成，厚度在20μm到80μm之間。

本發(fā)明一種基于靜電吸附的聚合物電解質(zhì)膜燃料電池，所述隔離膜52由絕緣材料制成，厚度在30nm到200nm之間。

本發(fā)明一種基于靜電吸附的聚合物電解質(zhì)膜燃料電池，所述離子交換膜5可以是質(zhì)子交換膜，也可以是陰離子交換膜。

本發(fā)明一種基于靜電吸附的聚合物電解質(zhì)膜燃料電池，所述靜電網(wǎng)51可以通過外加電路施加靜電和釋放靜電，對于質(zhì)子交換膜，靜電網(wǎng)51施加負(fù)電，對于陰離子交換膜，靜電網(wǎng)51施加正電。

本發(fā)明一種基于靜電吸附的聚合物電解質(zhì)膜燃料電池，所述離子交換膜5的一種制作實施方案為：選用50μm厚的銅片作為靜電網(wǎng)51的制作材料，裁出30mm長、20mm寬的矩形，用激光打孔方法在銅片的工作區(qū)域均勻打出10μm直徑的通孔，孔隙率60％，制成靜電網(wǎng)51；隔離膜52材料選為氮化硅，采用等離子體化學(xué)氣相沉積方法在靜電網(wǎng)51工作區(qū)域表面均勻沉積氮化硅材料，形成氮化硅層，制成厚度為90nm的隔離膜52；離子交換膜5的聚合物電解質(zhì)53材料選取為陰離子交換膜材料，如季銨化聚苯醚，用季銨化聚苯醚制備長寬各21mm、厚10μm到20μm的薄膜，將進(jìn)行了隔離膜涂覆的靜電網(wǎng)51放置在所述薄膜上，靜電網(wǎng)工作區(qū)域?qū)?yīng)薄膜，將季銨化聚苯醚制備的涂膜液均勻涂覆在進(jìn)行了隔離膜涂覆的靜電網(wǎng)51上，經(jīng)過蒸發(fā)得到離子交換膜，如圖6所示。

本發(fā)明一種基于靜電吸附的聚合物電解質(zhì)膜燃料電池,以季銨化聚苯醚陰離子交換膜為例，對其工作原理進(jìn)行說明。通過外部電路的輸入，將靜電網(wǎng)51加載大量的正電荷，金屬網(wǎng)51攜帶的大量正電荷能夠吸引聚合物電解質(zhì)53中的氫氧根離子，使得整個離子交換膜5能夠容納的氫氧根離子數(shù)量大大提高，從而提高離子交換容量，進(jìn)而大幅度提高離子交換膜5的電導(dǎo)率。此外，通過外部電路實現(xiàn)一定頻率下的靜電網(wǎng)51中電荷的加載與釋放，靜電網(wǎng)51加載時，聚合物電解質(zhì)53中的氫氧根離子快速吸附到靜電網(wǎng)51表面的隔離膜52外，使隔離膜52表面的氫氧根離子濃度升高，而后靜電網(wǎng)51釋放電荷，聚合物電解質(zhì)53中的離子失去牽引力后加速傳導(dǎo)，通過這種方法，同樣能夠提高陰離子交換膜5的電導(dǎo)率。