突破性材料為燃料電池在高溫干燥條件下使用氫氣提供了一種途徑

包括洛斯阿拉莫斯國家實(shí)驗(yàn)室、斯圖加特大學(xué)(德國)、新墨西哥大學(xué)和桑迪亞國家實(shí)驗(yàn)室在內(nèi)的合作研究小組開發(fā)了一種基于聚苯乙烯膦酸的燃料電池質(zhì)子導(dǎo)體，該質(zhì)子導(dǎo)體可以在無水的情況下保持高達(dá)200度的高質(zhì)子傳導(dǎo)率C。他們?cè)诒局馨l(fā)表于《自然材料》的一篇論文中描述了材料的進(jìn)展。

由具有碳捕獲、利用和儲(chǔ)存功能的可再生、核能或化石燃料生產(chǎn)的氫氣可以幫助工業(yè)脫碳，并在經(jīng)濟(jì)的各個(gè)部門之間提供環(huán)境和能源彈性和靈活性。因此，燃料電池是一種很有前途的技術(shù)，它可以通過電化學(xué)過程將氫氣轉(zhuǎn)化為電能，并且只排放水。

洛斯阿拉莫斯項(xiàng)目負(fù)責(zé)人Yu Seung Kim表示：“高效燃料電池電動(dòng)汽車的商業(yè)化已經(jīng)成功啟動(dòng)，面向重型汽車的下一代燃料電池平臺(tái)的開發(fā)還需要進(jìn)一步的技術(shù)創(chuàng)新。目前，燃料電池的技術(shù)挑戰(zhàn)之一是燃料電池放熱化學(xué)反應(yīng)的散熱。

“自2016年研發(fā)出離子對(duì)配位膜以來，我們一直在努力提高高溫膜燃料電池的性能，”金說?！半x子對(duì)聚合物非常適合做膜，但當(dāng)我們使用聚合物作為電極粘合劑時(shí)，高含量的磷酸摻雜劑會(huì)導(dǎo)致電極中毒和酸驅(qū)。”

在當(dāng)前的燃料電池中，通過在高電池電壓下操作燃料電池來滿足散熱的要求。為了實(shí)現(xiàn)高效的燃料電池驅(qū)動(dòng)的發(fā)動(dòng)機(jī)，燃料電池堆的工作溫度必須至少升高到發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻劑溫度(100攝氏度)。

“我們認(rèn)為膦酸酯化聚合物將是一個(gè)很好的選擇，但由于在燃料電池的工作溫度下會(huì)形成不希望的酸酐，因此不能使用以前的材料。因此，我們一直致力于制備不形成酸酐的磷酸化聚合物。斯圖加特大學(xué)可以通過在聚合物中引入氟來制備這種材料。令人興奮的是，我們現(xiàn)在有了用于高溫燃料電池的膜和離聚物粘合劑，”金說。

十年前，Atanasov和Kerres開發(fā)了一種膦酸酯化聚(五氟苯乙烯)的新合成方法，包括以下步驟：(I)通過自由基乳液聚合聚合五氟苯乙烯，和(ii)通過親核磷酸化對(duì)聚合物進(jìn)行磷酸化。令人驚訝的是，在100的溫度范圍內(nèi)，該聚合物顯示出比Nafion更好的質(zhì)子傳導(dǎo)性，并且在300下具有出乎意料的優(yōu)異的化學(xué)和熱穩(wěn)定性。

阿塔納索夫和凱爾斯在洛斯阿拉莫斯與金分享了他們的發(fā)展，金的團(tuán)隊(duì)反過來開發(fā)了一種可以與膦酸酯聚合物一起使用的高溫燃料電池。通過將膜電極組件與LANL的離子對(duì)配位膜集成(Lee等，Nature Energy，1，16120，2016)，使用膦酸酯聚合物的燃料電池表現(xiàn)出優(yōu)異的功率密度(1.13 Wcm-2)/O2條件，在160下具有500小時(shí)的穩(wěn)定性。

下一步是什么？Kim說，“實(shí)現(xiàn)1 W cm -2的功率密度是一個(gè)關(guān)鍵的里程碑，這告訴我們這項(xiàng)技術(shù)可能會(huì)成功商業(yè)化?！蹦壳埃@項(xiàng)技術(shù)正在通過能源部的ARPA-E和能源效率和可再生能源辦公室的氫和燃料電池技術(shù)辦公室商業(yè)化。

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