新型可持续燃料电池膜克服了关键的环境障碍

名古屋大学（Nagoya University）的研究人员开发了一种磷酸聚合物，该聚合物带有疏水间隔剂，可用于燃料电池电解质，使其能够在高温、低湿度下运行。

日本名古屋大学的Atsushi Noro领导的一个研究小组推出了一种突破性的燃料电池电解质设计，其特点是带有碳氢化合物间隔剂的膦酸聚合物。这种创新的方法使燃料电池能够在高温（100°C以上）和低湿度下有效工作，克服了广泛采用的重大障碍。研究结果发表在《ACS应用高分子材料》杂志上。

燃料电池通过氢和氧的电化学结合来发电，只产生水作为副产品，使其成为一种清洁能源解决方案。然而，在传统燃料电池中使用全氟磺酸聚合物 —— 分类为全氟烷基物质和多氟烷基物质（PFAS） —— 引起了关注。这些物质在环境中持续存在并在生物体中积累，导致许多国家实行管制限制。

膦酸聚合物的优势与挑战

与PFAS不同，膦酸烃聚合物不含氟，因此不太可能在环境中持续存在。这些聚合物在高温和低湿条件下也表现出适度的化学稳定性。尽管有这些优点，但传导性差和磷酸基团的亲水性限制了它们的使用，可能导致在潮湿环境中溶解。

为了克服这些挑战，Atsushi Noro在聚合物主链和磷酸类烃聚合物的磷酸基团之间引入了疏水间隔剂。这使得即使在高温和低湿度下，也能实现水不溶性、化学稳定性和中等导电性。此外，疏水间隔物有效地排斥了水，确保了材料的稳定性。

提高膜的性能

与无疏水间隔剂的聚苯乙烯膦酸膜和市售的交联磺化聚苯乙烯膜相比，新膜在热水中的水不溶性明显更高。

Atsushi Noro表示：“在120°C和20%相对湿度的条件下，所开发的膜的导电性比聚苯乙烯膦酸膜高40倍，比交联磺化聚苯乙烯膜高4倍。”

Atsushi Noro继续说道：“寻找一种在低湿度和高温条件下工作的燃料电池将为燃料电池汽车提供许多优势。首先，燃料电池电极上的反应在更高的温度下进行得更快，从而增强了燃料电池的整体性能，提高了发电效率。其次，由于氢燃料中的微量CO倾向于在较低温度下吸附在催化剂上，而不是在较高温度下，电极的一氧化碳中毒减少了。第三，燃料电池受益于高温下更高效的散热，允许更简单的冷却系统设计，无需外部加湿，使系统更轻、更紧凑。”

这项研究得到了新能源和工业技术发展组织（NEDO）的支持。根据NEDO燃料电池和氢技术发展路线图，本研究中提出的电解质膜设计概念标志着对开发支持向净零碳社会转变的下一代燃料电池的重大贡献。与建议的设计概念相关的材料的专利申请已经在日本和其他几个国家提交。

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