包括洛斯阿拉莫斯國家實驗室、斯圖加特大學(xué)（德國）、新墨西哥大學(xué)和桑迪亞國家實驗室在內(nèi)的一個合作研究小組開發(fā)了一種基于聚苯乙烯膦酸的燃料電池質(zhì)子導(dǎo)體，這種質(zhì)子導(dǎo)體在沒有水的情況下可保持高達200攝氏度的質(zhì)子導(dǎo)電率。他們在本周發(fā)表在《自然材料》上的一篇論文中描述了材料的進展。

從可再生、核能或化石燃料中生產(chǎn)的氫氣，通過碳捕獲、利用和儲存，可以幫助工業(yè)脫碳，并在經(jīng)濟的多個部門提供環(huán)境、能源彈性和靈活性。為此，燃料電池是一種很有前途的技術(shù)，它通過電化學(xué)過程將氫轉(zhuǎn)化為電，只排放水。

LosAlamos項目負(fù)責(zé)人YuSeungKim說：“雖然高效燃料電池電動汽車的商業(yè)化已經(jīng)成功開始，但下一代燃料電池平臺向重型汽車應(yīng)用發(fā)展還需要進一步的技術(shù)創(chuàng)新。當(dāng)前燃料電池的技術(shù)挑戰(zhàn)之一是燃料電池放熱電化學(xué)反應(yīng)的散熱問題。

“我們在2016年開發(fā)出離子對配位膜之后，一直在努力提高高溫膜燃料電池的性能，”金說，“離子對聚合物有利于膜的使用，但當(dāng)我們將其用作電極粘合劑時，高含量的磷酸摻雜會導(dǎo)致電極中毒和酸浸。”

在目前的燃料電池中，通過在高電池電壓下運行燃料電池來滿足散熱要求。為了實現(xiàn)高效的燃料電池發(fā)動機，燃料電池組的工作溫度必須至少提高到發(fā)動機冷卻液溫度（100攝氏度）。

我們認(rèn)為，含磷聚合物將是一個很好的替代品，但由于在燃料電池的工作溫度下不希望生成酸酐，以前的材料無法實現(xiàn)。所以我們把重點放在制備不發(fā)生酸酐生成的含磷聚合物上。Kerres在斯圖加特大學(xué)的研究小組能夠通過在聚合物中引入氟元素來制備這種材料。金說：“令人興奮的是，我們現(xiàn)在既有用于高溫燃料電池的薄膜粘合劑，也有用于高溫燃料電池的離子體粘合劑。”

十年前，Atanasov和Kerres開發(fā)了一種新的含磷聚（五氟苯乙烯）合成方法，該方法包括以下步驟：（i）通過自由基乳液聚合聚合五氟苯乙烯；（ii）通過親核膦化反應(yīng)使該聚合物磷酸化。令人驚訝的是，這種聚合物表現(xiàn)出良好的質(zhì)子導(dǎo)電性，在>100℃的溫度范圍內(nèi)高于Nafion，并且在>300℃的溫度范圍內(nèi)具有出人意料的優(yōu)異的化學(xué)和熱穩(wěn)定性。

Atanasov和Kerres與LosAlamos的Kim分享了他們的研究成果，而Kim的團隊又開發(fā)了高溫燃料電池，用于含磷聚合物。隨著膜電極組件與LANL的離子對配位膜的集成（Lee等人，NatureEnergy，16120，2016），采用含磷聚合物的燃料電池表現(xiàn)出了優(yōu)異的功率密度（在H2/O2條件下，160℃下穩(wěn)定性>500h）為1.13Wcm-2。

下一步是什么？”達到1Wcm-2的功率密度是一個重要的里程碑，它告訴我們這項技術(shù)可能會成功地走向商業(yè)化。目前，該技術(shù)正在通過能源部的ARPA-E和能源效率和可再生能源辦公室（EERE）內(nèi)的氫和燃料電池技術(shù)辦公室進行商業(yè)化。