用于汽车燃料电池的新型质子传导膜

燃料电池是紧凑型能量转换装置，利用氢气等清洁能源，并通过一系列氧化还原反应将其转化为电能。具体来说，质子交换膜燃料电池(PEMFC)是电动汽车的组成部分，利用质子传导膜进行操作。不幸的是，这些膜需要在高耐久性和高离子电导率之间进行权衡，从而影响 PEMFC 的寿命和性能。

为了克服这个问题，科学家们合成了化学和物理改性的全氟磺酸聚合物膜，例如 Nafion HP、Nafion XL 和 Gore-Select，事实证明，这些膜比燃料电池操作中传统使用的未改性膜更耐用。不幸的是，现有的质子传导膜都没有达到美国能源部 (DOE) 设定的极具挑战性的技术目标，即通过加速耐久性测试或化学和机械综合测试，以促进其在汽车燃料电池中的使用2025 年。

在此背景下，由早稻田大学和山梨大学的 Kenji Miyatake 教授领导的一组日本研究人员最近合成了用于质子交换膜燃料电池的新型质子传导膜。他们的研究成果发表在《Science Advances》杂志上，由早稻田大学和山梨大学的刘方华博士以及信州大学的 Ick Soo Kim 博士共同撰写。

研究人员使用部分氟化的芳香族离聚物(由离子交联稳定的热塑性树脂组成的聚合物材料)合成了质子传导膜，称为SPP–TFP-4.0(SPP：磺化聚亚苯基，TFP：双(三氟甲基)三联苯)。然后，他们利用推涂方法，使用高孔隙率 (78%) 的电纺、无纺布和各向同性聚偏二氟乙烯 (PVDF) 纳米纤维或使用多孔膨胀聚四氟乙烯 (ePTFE) 来增强离聚物。由此产生厚度分别为 14 µm 和 16 µm 的复合膜：SPP-TFP-4.0-PVDF 和 SPP-TFP-4.0-ePTFE。

研究人员对这些质子传导膜进行了多种测试，并证明用 PVDF 增强的质子传导膜性能更佳。“在燃料电池运行以及 120 ° C 高温和 30% 低相对湿度下的原位化学稳定性方面，它优于最先进的化学稳定和物理增强的全氟化 Nafion XL 膜，”突出宫武。

在开路电压条件下频繁干湿循环的加速耐久性测试中，SPP-TFP-4.0-PVDF 膜表现出 148,870 次循环或 703 小时的长寿命，比 DOE 目标长七倍多。此外，它还表现出高化学稳定性，几乎没有降解，在不同湿度水平下具有稳定的断裂能，在80℃下从0到60%相对湿度下高度稳定的机械性能，以及在高温(100-120℃)下优异的燃料电池性能。C)。

实际上，所提出的基于芳香族聚合物的增强质子传导膜满足了美国能源部对未来汽车燃料电池的目标，提供了一种利润丰厚的替代方案。因此，这项研究可以为具有高温可操作性和耐久性的质子交换膜燃料电池铺平道路。“因此，基于燃料电池的电动汽车可能会变得更强大、更便宜。这也将有助于实现一个以氢为基础的无碳社会。”宫武乐观地总结道。

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