[发明专利]一种基于静电吸附的聚合物电解质膜燃料电池

说明书

本发明公开了一种基于静电吸附的聚合物电解质膜燃料电池，由阳极板、阴极板、阳极气体扩散层、阴极气体扩散层、阳极催化剂层、阴极催化剂层、离子交换膜和密封部件组成；其中，离子交换膜由静电网、隔离膜和聚合物电解质组成。本发明通过外部电路的输入，使静电网携带与离子聚合物离子基团相同属性的大量电荷，从而提高离子交换膜的离子交换容量，提高离子交换膜的电导率。本发明还可以通过外部电路的控制，实现静电网电荷的加载与释放，金属网加载时，聚合物电解质中的离子快速吸附到金属网表面，使金属网表面的离子浓度升高，而后金属网释放电荷，聚合物电解质中的离子失去牵引力后加速传导，通过这种方法，同样能够提高离子交换膜的电导率。

技术领域

本发明属于燃料电池领域，特别涉及一种基于静电吸附的聚合物电解质膜燃料电池。

背景技术

燃料电池能够实现对燃料的高效清洁利用，因而是缓解日益突出的能源、环境问题的有效途径之一。依据电解质的不同，现有的燃料电池主要可归类为：磷酸燃料电池、固体氧化物燃料电池、溶融碳酸盐燃料电池、碱性燃料电池、聚合物电解质膜燃料电池(PEMFC)，以及新出现的基于二维材料(石墨烯、氮化硼)隔膜的燃料电池；其中聚合物电解质膜燃料电池通常具有较高的功率密度、较长的使用寿命以及应用领域更广泛等优势。

对于聚合物电解质膜燃料电池，其电池隔膜是影响电池性能及实现规模应用的关键。电池隔膜的作用主要是用于阻隔燃料渗漏以及传导电极反应产生的离子。基于聚合物的电池隔膜主要有质子交换膜和阴离子交换膜。质子交换膜的研究较多，杜邦公司的Nafion系列膜已经实现了商业化，其质子传导率达到了0.1s/cm，而阴离子交换膜的离子导电率较低，很难满足燃料电池的电导率要求。

聚合物电解质膜的导电性是通过膜内带电离子的传输过程实现的，质子交换膜通过质子的传输过程实现，阴离子交换膜通过阴离子的传输过程实现，阴离子一般为OH-离子。目前提高电池隔膜电导率的研究主要集中于新材料开发、nm材料填充等方向，这些研究在一定程度上有利于电池隔膜电导率的提高，但是仍不能满足燃料电池的电导率需求，尤其是阴离子交换膜燃料电池。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于静电吸附的聚合物电解质膜燃料电池，通过静电吸附作用加快燃料电池聚合物电解质膜的离子传导速率。

为了实现以上目的，本发明采用以下技术方案，一种基于静电吸附的聚合物电解质膜燃料电池，由阳极板、阴极板、阳极气体扩散层、阴极气体扩散层、阳极催化剂层、阴极催化剂层、离子交换膜和密封部件组成；阳极板与阴极板相对设置；所述阳极板朝向所述阴极板的一侧设置有阳极气体扩散层；所述阴极板朝向所述阳极板的一侧设置有阴极气体扩散层；所述阳极气体扩散层朝向所述阴极气体扩散层的一侧设置有阳极催化剂层；所述阴极气体扩散层朝向所述阳极气体扩散层的一侧设置有阴极催化剂层；所述阳极催化剂层与所述阴极催化剂层之间设置有离子交换膜；所述离子交换膜由静电网、隔离膜和聚合物电解质组成，静电网为长方形薄片，静电网一侧的工作区域内设置有均匀排列的通孔；所述隔离膜覆盖在静电网包括但不局限于所述工作区域的外表面，包含所述工作区域内的通孔内表面；所述聚合物电解质覆盖在隔离膜所述工作区域的两侧，并且充满由氮化硅覆盖过的静电网通孔内；所述密封部件由阳极密封垫片、阴极密封垫片、中间密封垫片和密封胶组成；所述阳极密封垫片设置在阳极催化剂层与阳极气体扩散层四周，朝向阳极板一侧与阳极板贴合；所述阴极密封垫片设置在阴极催化剂层与阴极气体扩散层四周，朝向阴极板一侧与阴极板贴合；所述中间密封垫片为U形，包围在离子交换膜的反应区域一侧，所述密封胶填充在离子交换膜非反应区域、阳极密封垫片、阴极密封垫片之间的空隙内。

本发明一种基于静电吸附的聚合物电解质膜燃料电池，所述静电网工作区域内的通孔直径小于10μm，孔隙率在50％到80％之间。

本发明一种基于静电吸附的聚合物电解质膜燃料电池，所述静电网内均匀排列的通孔可以布满整个静电网。

本发明一种基于静电吸附的聚合物电解质膜燃料电池，所述静电网由导电材料制成，厚度在20μm到80μm之间。