[發(fā)明專利]一種基于靜電吸附的聚合物電解質(zhì)膜燃料電池

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201710167695.6
• 申請日: 2017-03-21
• 公開（公告）號: CN106784948B
• 公開（公告）日: 2023-03-21
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 楊衛(wèi)民;劉海超;程禮盛;丁玉梅
• 申請（專利權(quán)）人: 北京化工大學(xué)
• 主分類號: H01M8/1065
• 分類號: H01M8/1065
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本發(fā)明公開了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；其中，離子交換膜由靜電網(wǎng)、隔離膜和聚合物電解質(zhì)組成。本發(fā)明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。本發(fā)明還可以通過外部電路的控制，實(shí)現(xiàn)靜電網(wǎng)電荷的加載與釋放，金屬網(wǎng)加載時(shí)，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。

技術(shù)領(lǐng)域

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(shí)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(shí)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(shí)現(xiàn)的，質(zhì)子交換膜通過質(zhì)子的傳輸過程實(shí)現(xiàn)，陰離子交換膜通過陰離子的傳輸過程實(shí)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。

發(fā)明內(nèi)容

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(shí)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(gè)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。