[实用新型]一种基于有序纤维基膜的IPMC能量收集器

说明书

技术领域

本实用新型涉及能量收集器，尤其是涉及一种基于有序纤维基膜的IPMC能量收集器。

背景技术

离子聚合物金属复合物(IPMC)是在全氟磺酸树脂(Nafion)表面镀上金属铂电极，形成一种“三明治”结构的智能材料；IPMC在一定频率(<100HZ)的负载变形下，会在其厚度方向产生电压和电流。

基于IPMC这种力电输出特性，国内外研究人员已开展IPMC的能量收集应用研究，目前的研究主要集中于探索适合的能量收集模式，如美国纽约大学Porfiri^[1]课题组将IPMC贴于柔性旗摆上，通过水流带动旗帜摆动使IPMC产生变形来研究IPMC的能量输出特性，但是目前IPMC功率输出普遍较低，因此研究学者们致力于如何提高IPMC的能量输出。

现有的IPMC基膜材料主要选用全氟磺酸树脂基膜，该基膜主要通过流延工艺和浇铸工艺进行制备。

参考文献：

[1]Giacomello A.,Porfiri M.Energy harvesting from flutter instabilities of heavy flags in water through ionic polymer metal composites[C]//SPIE Smart Structures and Materials Nondestructive Evaluation and Health Monitoring.International Society for Optics and Photonics,2011:797608-7976089。

发明内容

本实用新型的目的是提供一种基于有序纤维基膜的离子聚合物金属复合物(IPMC)能量收集器。

本实用新型设有全氟磺酸树脂(Nafion)有序纤维柱、聚二甲基硅氧烷(PDMS)弹性壳体、金属电极和阳离子溶液。

所述全氟磺酸树脂(Nafion)有序纤维柱外部包裹聚二甲基硅氧烷(PDMS)弹性壳体，聚二甲基硅氧烷(PDMS)弹性壳体外形呈阶梯状，全氟磺酸树脂(Nafion)有序纤维柱内部充满离子溶液，全氟磺酸树脂(Nafion)有序纤维柱内部上下两端分别与金属电极相连。

当全氟磺酸树脂(Nafion)有序纤维柱受压变形时，纤维柱内阳离子发生迁移，导致纤维柱内局部阳离子浓度发生改变，在纤维柱两端产生电势差。

所述弹性壳体材料包裹于纤维柱四周，弹性壳体可反复变形且不易损坏，解决了Nafion纤维柱变形回弹性差的问题。

所述金属电极与纤维柱两端直接相连，用于外部电路的连接，通过导线连接外部设备，实现能量收集过程。

现有的全氟磺酸树脂基膜的内部通道错综复杂不利于离子的传输，因此本实用新型提出采用有序纤维基膜制备IPMC能量收集器，利于IPMC内部离子的传输，提高IPMC的能量输出。

本实用新型的优点在于：

(1)相比于传统的IPMC器件，输出功率提高。本实用新型通过使Nafion基膜纤维化，使离子迁移具有方向性，缩短了阳离子的迁移路径，提高了基膜的质子电导率；

(2)由于IPMC工作过程需要水分，现有IPMC能量收集应用主要局限在水环境中，本实用新型采用纤维封装方式，实现IPMC能量收集在空气环境中的应用；

(3)相比于传统的IPMC器件，由于采用弹性壳体，本实用新型可以承受较大负载力，负载频率也得到提高；

(4)本实用新型结构简单，易于实现；可用作微型能量收集装置，环保、无噪声、便携。

附图说明

图1为本实用新型实施例的结构及尺寸参数。

具体实施方式

本实用新型基于有序纤维基膜的IPMC能量收集器实施例如图1所示。

本实用新型设有Nafion有序纤维柱1、PDMS弹性壳体2、铂电极3以及氯化锂溶液4。能量收集器中心为Nafion有序纤维柱1，纤维柱直径4mm，高5mm，Nafion纤维柱外部包裹PDMS弹性壳体2，弹性壳体2外形呈阶梯状，总高5mm，阶梯上端直径6mm，下端直径9mm，下端高3mm。纤维柱1上下两端与铂电极3相连，内部充满氯化锂溶液4。铂电极3与纤维柱1上下两端直接相连，通过导线连接外部设备，实现能量收集。