一种基于静电吸附的聚合物电解质膜燃料电池的制作方法

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。

技术实现要素：

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。

本发明一种基于静电吸附的聚合物电解质膜燃料电池，所述隔离膜由绝缘材料制成，厚度在30nm到200nm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，所述聚合物电解质膜可以是质子交换膜，也可以是阴离子交换膜。

本发明一种基于静电吸附的聚合物电解质膜燃料电池，所述静电网可以通过外加电路施加静电和释放静电，对于质子交换膜，静电网施加负电，对于阴离子交换膜，静电网施加正电。

由以上技术方案可知，本发明的有益效果是，通过外部电路的输入，能够通过两种方式提高离子交换膜的电导率，具体如下：

1.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。

2.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。

附图说明

图1为本发明一种基于静电吸附的聚合物电解质膜燃料电池的立体图。

图2为图1的爆炸视图。

图3为图1中A区域的局部放大图。

图4为本发明一种基于静电吸附的聚合物电解质膜燃料电池的静电网结构示意图。

图5为本发明一种基于静电吸附的聚合物电解质膜燃料电池的静电网覆盖隔离膜后的结构示意图。

图6为本发明一种基于静电吸附的聚合物电解质膜燃料电池的离子交换膜结构示意图。

图中：1.阴极催化剂层，2.阴极气体扩散层，3.阴极密封垫片，4.阴极板，5.离子交换膜，6.密封胶，7.阳极密封垫片，8.阳极板，9.阳极气体扩散层，10.阳极催化剂层，11.中间密封垫片，12.密封部件，51.静电网，52.隔离膜，53.聚合物电解质，54.工作区域，55.通孔。

具体实施方式：

本发明一种基于静电吸附的聚合物电解质膜燃料电池，如图1和图2所示，由阳极板8、阴极板4、阳极气体扩散层9、阴极气体扩散层2、阳极催化剂层10、阴极催化剂层1、离子交换膜5和密封部件12组成；阳极板8与阴极板4相对设置；所述阳极板8朝向所述阴极板4的一侧设置有阳极气体扩散层9；所述阴极板4朝向所述阳极板8的一侧设置有阴极气体扩散层2；所述阳极气体扩散层9朝向所述阴极气体扩散层2的一侧设置有阳极催化剂层10；所述阴极气体扩散层2朝向所述阳极气体扩散层9的一侧设置有阴极催化剂层1；所述阳极催化剂层10与所述阴极催化剂层1之间设置有离子交换膜5；所述离子交换膜5由静电网51、隔离膜52和聚合物电解质53组成，如图3所示，静电网51为长方形薄片，静电网51一侧的工作区域54内设置有均匀排列的通孔55，如图4和图5所示；所述隔离膜52覆盖在静电网51包括但不局限于所述工作区域54的外表面，包含所述工作区域54内的通孔55内表面；所述聚合物电解质53覆盖在隔离膜52所述工作区域54的两侧，并且充满由氮化硅覆盖过的静电网51的通孔55内；所述密封部件12由阳极密封垫片7、阴极密封垫片3、中间密封垫片11和密封胶6组成；所述阳极密封垫片7设置在阳极催化剂层10与阳极气体扩散层9四周，朝向阳极板8一侧与阳极板8贴合；所述阴极密封垫片3设置在阴极催化剂层1与阴极气体扩散层2四周，朝向阴极板4一侧与阴极板4贴合；所述中间密封垫片11为U形，包围在离子交换膜5的反应区域54一侧，所述密封胶6填充在离子交换膜5的非反应区域、阳极密封垫片7、阴极密封垫片3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51工作区域内的通孔55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51内均匀排列的通孔55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51由导电材料制成，厚度在20μm到80μm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，所述隔离膜52由绝缘材料制成，厚度在30nm到200nm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，所述离子交换膜5可以是质子交换膜，也可以是阴离子交换膜。

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51可以通过外加电路施加静电和释放静电，对于质子交换膜，静电网51施加负电，对于阴离子交换膜，静电网51施加正电。

本发明一种基于静电吸附的聚合物电解质膜燃料电池，所述离子交换膜5的一种制作实施方案为：选用50μm厚的铜片作为静电网51的制作材料，裁出30mm长、20mm宽的矩形，用激光打孔方法在铜片的工作区域均匀打出10μm直径的通孔，孔隙率60％，制成静电网51；隔离膜52材料选为氮化硅，采用等离子体化学气相沉积方法在静电网51工作区域表面均匀沉积氮化硅材料，形成氮化硅层，制成厚度为90nm的隔离膜52；离子交换膜5的聚合物电解质53材料选取为阴离子交换膜材料，如季铵化聚苯醚，用季铵化聚苯醚制备长宽各21mm、厚10μm到20μm的薄膜，将进行了隔离膜涂覆的静电网51放置在所述薄膜上，静电网工作区域对应薄膜，将季铵化聚苯醚制备的涂膜液均匀涂覆在进行了隔离膜涂覆的静电网51上，经过蒸发得到离子交换膜，如图6所示。

本发明一种基于静电吸附的聚合物电解质膜燃料电池,以季铵化聚苯醚阴离子交换膜为例，对其工作原理进行说明。通过外部电路的输入，将静电网51加载大量的正电荷，金属网51携带的大量正电荷能够吸引聚合物电解质53中的氢氧根离子，使得整个离子交换膜5能够容纳的氢氧根离子数量大大提高，从而提高离子交换容量，进而大幅度提高离子交换膜5的电导率。此外，通过外部电路实现一定频率下的静电网51中电荷的加载与释放，静电网51加载时，聚合物电解质53中的氢氧根离子快速吸附到静电网51表面的隔离膜52外，使隔离膜52表面的氢氧根离子浓度升高，而后静电网51释放电荷，聚合物电解质53中的离子失去牵引力后加速传导，通过这种方法，同样能够提高阴离子交换膜5的电导率。