聚苯膜和銨離子與燃料電池強強聯手

材料牛注：傳統燃料電池質子交換膜對溫度要求高而且價格也不美好，不過不用擔心，聚苯膜和銨離子對燃料電池強強聯手，形成的含有NH₄⁺- H₂PO₄^-離子對的膜能在較寬溫度范圍內工作并且持續時間比目前的商業產品長出三倍。

燃料電池是一種將燃料具有的化學能直接變為電能的發電裝置。它是一種環保型電池。但是，汽車燃料電池內的膜在溫度過高或過低時都不能達到最大的工作效率。而桑迪亞國家實驗室申請的一項聚苯膜專利，正好可以克服這個缺點，桑迪亞國家實驗室的化學家Cy Fujimoto說道。

Fujimoto和他的共同作者在8月21日發表在Nature Energy上的論文中說到，這種能在較寬溫度范圍內工作的膜的持續時間比目前的商業產品長出三倍。

燃料電池的質子交換膜允許質子通過，膜的外殼提供的電子促成燃料電池的電力輸出。如果質子在電池內不能輕易移動，那么受到束縛的電流將會使電力輸出降低。目前，燃料電池汽車使用的商用質子交換膜需要水，所以，電池的工作溫度不能超過水的沸點。Fujimoto說，高于沸點的溫度會使膜干燥，增加電池的電阻且性能降低。

“目前PEMs存在的問題之一，是需要水合氫燃料流以保證高性能，并且燃料電池在高于水的沸點溫度的環境下不能有效的運轉，” Fujimoto說。“這個問題可以通過使用水合燃料流和裝備更大的散熱器來有效地散熱來解決，” Fujimoto補充說。“汽車制造商正在采用這種辦法。但是，如果PEM燃料電池不需要水就能運轉，這就可以把事情變得簡單很多。”

另一個問題是，目前可供選擇的膜的價格在每平方米$250-$500。“能源部門（DOE）想要每平方米$5 -$20的膜，” Fujimoto說。

研究人員已經嘗試著用高溫辦法去解決這些問題，如在超過350℉的溫度下用磷酸摻雜聚苯并咪唑膜。但是，處理后的膜在低于284℉時，磷酸不降解膜就不能工作。而且，該膜應用在汽車上時是不穩定的，冷引擎啟動時流出的冷凝水和燃料電池陰極的其他正常反應不可避免的使溫度降低到不理想的范圍，這使磷酸不參與這些反應。

輪到誕生于洛斯阿拉莫斯國家實驗室的銨離子對燃料電池大顯身手了——將磷酸鹽與桑迪亞國家實驗室的聚苯膜相結合。形成的含有NH₄⁺- H₂PO₄^-離子對的膜在176-320℉的溫度范圍內都表現出穩定的性能，對濕度變化反應良好并且比大多數商業PEM燃料電池膜的持續時間長3倍。

“工業可能對這項發現有很大的興趣，” Fujimoto說。“我們的聚合物包含了與磷酸反應更激烈的正電荷，這減少了酸的用量。加熱該燃料電池和增加濕度都不會降低電池的性能。”

原文鏈接：

Fuel cell membrane patented by Sandia outperforms market

本文由編輯部丁菲菲提供素材，黃瓊編譯， 點我加入材料人編輯部