技术使燃料电池更强大更耐用更便宜

最有前途的清洁能源技术之一变得越来越好。特拉华大学的研究人员开发了有记录的最强大，最耐用的氢氧化物交换膜燃料电池组件，最近在《自然能源》杂志上对此进行了描述。关键成分?由聚(芳基哌啶)聚合物制成的膜。

燃料电池通过将化学能转化为电能来工作，是环保汽车的有希望的动力来源。市场上已经有一些燃料电池汽车，包括丰田Mirai，本田Clarity和现代Nexo，并且全世界正在开发更多燃料电池汽车。汽车中的燃料电池需要使用昂贵的催化剂材料(通常为铂)来加速内部的化学反应。这些被称为质子膜交换燃料电池，它们包含由氟化聚合物材料制成的膜。

近二十年来，化学与生物分子工程学杰出工程学教授闫玉山一直致力于开发不需要铂催化剂而使用银或镍等较便宜金属的燃料电池。这些燃料电池包含氢氧化物交换膜，使燃料电池中的环境从酸性(当前的标准)转变为碱性。燃料电池的膜决定了内部的pH值。

严说：“通过从质子交换膜燃料电池转换为氢氧化物交换膜燃料电池，我们可以使组件便宜得多。” 为了制造这些膜，Yan一直在寻求开发最佳的，可扩展的材料。对于这个项目，Yan招募了另一位UD电化学专家的专业知识-化学与生物分子工程的助理教授徐炳军。

氢氧化物交换聚合物由长链或主链以及带有带正电的离子或阳离子的侧链组成。在Yan的过去工作中，用于氢氧化物交换膜的侧链包含非常大的正阳离子，这使它们稳定，但阻碍了它们的导电性。另一方面，骨架材料便宜，但不够稳定。

“问题是：如何用小阳离子同时生成对有机阳离子和主链都稳定的新聚合物?” 严说。

该团队使用聚(芳基哌啶)聚合物开发了具有良好特性的氢氧化物交换膜和离聚物，包括良好的离子传导性，化学稳定性，机械强度，气体分离性和选择性溶解性。当团队在仅含极少量铂的系统中测试这些材料时，充满空气的燃料电池的峰值功率密度为920毫瓦/平方厘米，并且以500毫安/平方厘米的电流密度稳定运行在摄氏95度的空气中放置300个小时。

对于90摄氏度以上的氢氧化物交换膜而言，这是目前为止最佳的功率和稳定性指标，而在汽车上使用该技术所需的5000个工作小时内，最接近的一个人来了。

该团队开发了一系列聚合物，使这项技术具有通用性。严说：“我们可以转动许多旋钮来提供不同的特性。” “这是一种平台技术。”

该论文的第一作者是研究助理王俊华(Junhua Wang)，他自2011年以来一直从事该项目。“要做出这一发现，他必须非常有耐心，”严说。“他是一位出色的科学家，非常有创造力和勤奋。”