钜大LARGE | 点击量：787次 | 2021年12月15日
研究人员开发出一种含磷的聚合物 可制成高温燃料动力电池
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一个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，这种质子导体在没有水的情况下可保持高达200摄氏度的质子导电率。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展。
从可再生、核能或化石燃料中生产的氢气，通过碳捕获、利用和储存，可以帮助工业脱碳，并在经济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转化为电，只排放水。
LosAlamos项目负责人YuSeungKim说：“虽然高效燃料电池电动汽车的商业化已经成功开始，但下一代燃料电池平台向重型汽车应用发展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放热电化学反应的散热问题。
“我们在2016年开发出离子对配位膜之后，一直在努力提高高温膜燃料电池的性能，”金说，“离子对聚合物有利于膜的使用，但当我们将其用作电极粘合剂时，高含量的磷酸掺杂会导致电极中毒和酸浸。”
在目前的燃料电池中，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发动机，燃料电池组的工作温度必须至少提高到发动机冷却液温度（100摄氏度）。
符合Exic IIB T4 Gc防爆标准
充电温度：0~45℃
-放电温度：-40~+55℃
-40℃最大放电倍率：1C
-40℃ 0.5放电容量保持率≥70%
我们认为，含磷聚合物将是一个很好的替代品，但由于在燃料电池的工作温度下不希望生成酸酐，以前的材料无法实现。所以我们把重点放在制备不发生酸酐生成的含磷聚合物上。Kerres在斯图加特大学的研究小组能够通过在聚合物中引入氟元素来制备这种材料。金说：“令人兴奋的是，我们现在既有用于高温燃料电池的薄膜粘合剂，也有用于高温燃料电池的离子体粘合剂。”
十年前，Atanasov和Kerres开发了一种新的含磷聚（五氟苯乙烯）合成方法，该方法包括以下步骤：（i）通过自由基乳液聚合聚合五氟苯乙烯；（ii）通过亲核膦化反应使该聚合物磷酸化。令人惊讶的是，这种聚合物表现出良好的质子导电性，在>100℃的温度范围内高于Nafion，并且在>300℃的温度范围内具有出人意料的优异的化学和热稳定性。
Atanasov和Kerres与LosAlamos的Kim分享了他们的研究成果，而Kim的团队又开发了高温燃料电池，用于含磷聚合物。随着膜电极组件与LANL的离子对配位膜的集成（Lee等人，NatureEnergy，16120，2016），采用含磷聚合物的燃料电池表现出了优异的功率密度（在H2/O2条件下，160℃下稳定性>500h）为1.13Wcm-2。
下一步是什么？”达到1Wcm-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地走向商业化。目前，该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（EERE）内的氢和燃料电池技术办公室进行商业化。
