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突破性材料为燃料电池在高温干燥条件下使用氢气提供了一种途径

导读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在内的合作研究小组开发了一种基于聚苯乙烯膦酸的燃料电

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在内的合作研究小组开发了一种基于聚苯乙烯膦酸的燃料电池质子导体,该质子导体可以在无水的情况下保持高达200度的高质子传导率C。他们在本周发表于《自然材料》的一篇论文中描述了材料的进展。

由具有碳捕获、利用和储存功能的可再生、核能或化石燃料生产的氢气可以帮助工业脱碳,并在经济的各个部门之间提供环境和能源弹性和灵活性。因此,燃料电池是一种很有前途的技术,它可以通过电化学过程将氢气转化为电能,并且只排放水。

洛斯阿拉莫斯项目负责人Yu Seung Kim表示:“高效燃料电池电动汽车的商业化已经成功启动,面向重型汽车的下一代燃料电池平台的开发还需要进一步的技术创新。目前,燃料电池的技术挑战之一是燃料电池放热化学反应的散热。

“自2016年研发出离子对配位膜以来,我们一直在努力提高高温膜燃料电池的性能,”金说。“离子对聚合物非常适合做膜,但当我们使用聚合物作为电极粘合剂时,高含量的磷酸掺杂剂会导致电极中毒和酸驱。”

在当前的燃料电池中,通过在高电池电压下操作燃料电池来满足散热的要求。为了实现高效的燃料电池驱动的发动机,燃料电池堆的工作温度必须至少升高到发动机冷却剂温度(100摄氏度)。

“我们认为膦酸酯化聚合物将是一个很好的选择,但由于在燃料电池的工作温度下会形成不希望的酸酐,因此不能使用以前的材料。因此,我们一直致力于制备不形成酸酐的磷酸化聚合物。斯图加特大学可以通过在聚合物中引入氟来制备这种材料。令人兴奋的是,我们现在有了用于高温燃料电池的膜和离聚物粘合剂,”金说。

十年前,Atanasov和Kerres开发了一种膦酸酯化聚(五氟苯乙烯)的新合成方法,包括以下步骤:(I)通过自由基乳液聚合聚合五氟苯乙烯,和(ii)通过亲核磷酸化对聚合物进行磷酸化。令人惊讶的是,在100的温度范围内,该聚合物显示出比Nafion更好的质子传导性,并且在300下具有出乎意料的优异的化学和热稳定性。

阿塔纳索夫和凯尔斯在洛斯阿拉莫斯与金分享了他们的发展,金的团队反过来开发了一种可以与膦酸酯聚合物一起使用的高温燃料电池。通过将膜电极组件与LANL的离子对配位膜集成(Lee等,Nature Energy,1,16120,2016),使用膦酸酯聚合物的燃料电池表现出优异的功率密度(1.13 Wcm-2)/O2条件,在160下具有500小时的稳定性。

下一步是什么?Kim说,“实现1 W cm -2的功率密度是一个关键的里程碑,这告诉我们这项技术可能会成功商业化。”目前,这项技术正在通过能源部的ARPA-E和能源效率和可再生能源办公室的氢和燃料电池技术办公室商业化。

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