突破性材料为在高温干燥条件下燃料电池使用氢提供了途径

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协作研究小组已经开发出一种基于聚苯乙烯膦酸的燃料电池质子导体，该质子导体可保持高达200度的高质子传导性C无水。他们在本周发表在《自然材料》上的一篇论文中描述了材料的进步。

由具有碳捕获，利用和储存功能的可再生，核或化石燃料生产的氢气可帮助使行业脱碳，并在经济的多个部门之间提供环境，能源弹性和灵活性。为此，燃料 电池是一种有前途的技术，它可以通过电化学过程将氢转化为电能，仅排放水。

Los Alamos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开始，而向重型汽车应用发展的下一代燃料电池平台还需要进一步的技术创新。当前燃料电池的技术挑战之一是燃料电池的放热电化学反应的散热。

金说：“自从我们在2016年开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。” “离子对聚合物很适合用于膜，但是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操作燃料电池来满足散热要求。为了实现高效的以燃料电池为动力的发动机，燃料电池堆的工作温度必须至少增加到发动机冷却液温度(100摄氏度)。

“我们认为膦酸酯化的聚合物将是一个很好的选择，但由于在燃料电池工作温度下会形成不希望的酸酐，因此无法采用以前的材料。因此，我们专注于制备不会发生酸酐形成的膦酸酯化的聚合物。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，”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，该合成方法包括以下步骤：(i)通过自由基乳液聚合进行五氟苯乙烯的聚合，以及(ii)通过亲核性磷酸化反应使该聚合物磷酸化。令人惊奇地，该聚合物在> 100℃的温度范围内显示出比Nafion更高的良好的质子传导性，以及> 300℃的出乎意料的优异的化学和热稳定性。

Atanasov和Kerres与Los Alamos的Kim共享了他们的发展，后者的团队反过来开发了可与膦酸酯化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在一起(Lee等人，Nature Energy，1，16120，2016)，采用膦酸酯化聚合物的燃料电池在H 2下表现出出色的功率密度(1.13 W cm- 2) / O 2条件，在160摄氏度下具有> 500小时的稳定性。

下一步是什么?金说：“达到1 W cm -2的功率密度是一个关键的里程碑，它告诉我们该技术可能成功地商业化。” 目前，这项技术正在通过能源部的ARPA-E和能源效率与可再生能源办公室(EERE)中的氢与燃料电池技术办公室进行商业化。

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