突破性材料开辟了在炎热干燥条件下将氢气用于燃料电池的途径

一个合作研究小组，包括洛斯阿拉莫斯国家实验室、斯图加特大学(德国)、新墨西哥大学和桑迪亚国家实验室，开发了一种基于聚苯乙烯膦酸的燃料电池质子导体，可在高达 200 C 的温度下保持高质子电导率没有水。他们在本周发表在Nature Materials上的一篇论文中描述了材料进展。可再生能源、核燃料或化石燃料生产的氢气具有碳捕获、利用和储存功能，有助于工业脱碳，并为经济中的多个部门提供环境、能源弹性和灵活性。为此，燃料电池是一种很有前途的技术，它通过电化学过程将氢气转化为电能，只排放水。

“虽然高效燃料电池电动汽车的商业化已经成功开始，”洛斯阿拉莫斯项目负责人 Yu Seung Kim 说，“但下一代燃料电池平台需要进一步的技术创新，以便向重型汽车应用发展。当前燃料电池的技术挑战之一是燃料电池放热电化学反应的散热。

“在我们于 2016 年开发出离子对配位膜后，我们一直在努力提高高温膜燃料电池的性能，”Kim 说。“离子对聚合物有利于膜的使用，但当我们将聚合物用作电极粘合剂时，高含量的磷酸掺杂剂会导致电极中毒和酸液泛滥。”

在当前的燃料电池中，通过在高电池电压下运行燃料电池来满足散热要求。为了实现高效的燃料电池驱动发动机，燃料电池堆的工作温度必须至少提高到发动机冷却液温度(100 摄氏度)。

“我们认为磷酸化聚合物将是一个很好的替代品，但由于在燃料电池工作温度下会形成不希望的酸酐，因此无法使用以前的材料。因此，我们专注于制备不会形成酸酐的磷酸化聚合物。Kerres 的团队在斯图加特大学能够通过将氟部分引入聚合物中来制备这种材料。令人兴奋的是，我们现在拥有用于高温燃料电池的膜和离聚物粘合剂，”Kim 说。

十年前，Atanasov 和 Kerres 开发了一种新的磷酸化聚(五氟苯乙烯)合成方法，该合成方法包括以下步骤：i)通过自由基乳液聚合聚合五氟苯乙烯，以及 ii)通过亲核磷酸化反应使该聚合物磷酸化。令人惊讶的是，这种聚合物在 >100°C 的温度范围内表现出比 Nafion 更高的良好质子传导率，以及 >300°C 的出乎意料的优异化学和热稳定性。

Atanasov 和 Kerres 与 Los Alamos 的 Kim 分享了他们的开发成果，Kim 的团队反过来开发了高温燃料电池，用于磷酸化聚合物。随着膜电极组件与 LANL 的离子对配位膜的集成 (Lee et al. Nature Energy, 1, 16120, 2016)，采用磷酸化聚合物的燃料电池表现出优异的功率密度(H2/ 下为 1.13 W cm-2在 160 C 下具有 > 500 小时稳定性的 O2 条件)。

下一步是什么?“达到超过 1 W cm-2 的功率密度是一个重要的里程碑，它告诉我们这项技术可能会成功商业化，”Kim 说。目前，该技术正在通过能源部的 ARPA-E 以及能源效率和可再生能源办公室 (EERE) 内的氢和燃料电池技术办公室进行商业化。