聚苯膜和铵离子与燃料电池强强联手

材料牛注：传统燃料电池质子交换膜对温度要求高而且价格也不美好，不过不用担心，聚苯膜和铵离子对燃料电池强强联手，形成的含有NH₄⁺- H₂PO₄^-离子对的膜能在较宽温度范围内工作并且持续时间比目前的商业产品长出三倍。

燃料电池是一种将燃料具有的化学能直接变为电能的发电装置。它是一种环保型电池。但是，汽车燃料电池内的膜在温度过高或过低时都不能达到最大的工作效率。而桑迪亚国家实验室申请的一项聚苯膜专利，正好可以克服这个缺点，桑迪亚国家实验室的化学家Cy Fujimoto说道。

Fujimoto和他的共同作者在8月21日发表在Nature Energy上的论文中说到，这种能在较宽温度范围内工作的膜的持续时间比目前的商业产品长出三倍。

燃料电池的质子交换膜允许质子通过，膜的外壳提供的电子促成燃料电池的电力输出。如果质子在电池内不能轻易移动，那么受到束缚的电流将会使电力输出降低。目前，燃料电池汽车使用的商用质子交换膜需要水，所以，电池的工作温度不能超过水的沸点。Fujimoto说，高于沸点的温度会使膜干燥，增加电池的电阻且性能降低。

“目前PEMs存在的问题之一，是需要水合氢燃料流以保证高性能，并且燃料电池在高于水的沸点温度的环境下不能有效的运转，” Fujimoto说。“这个问题可以通过使用水合燃料流和装备更大的散热器来有效地散热来解决，” Fujimoto补充说。“汽车制造商正在采用这种办法。但是，如果PEM燃料电池不需要水就能运转，这就可以把事情变得简单很多。”

另一个问题是，目前可供选择的膜的价格在每平方米$250-$500。“能源部门（DOE）想要每平方米$5 -$20的膜，” Fujimoto说。

研究人员已经尝试着用高温办法去解决这些问题，如在超过350℉的温度下用磷酸掺杂聚苯并咪唑膜。但是，处理后的膜在低于284℉时，磷酸不降解膜就不能工作。而且，该膜应用在汽车上时是不稳定的，冷引擎启动时流出的冷凝水和燃料电池阴极的其他正常反应不可避免的使温度降低到不理想的范围，这使磷酸不参与这些反应。

轮到诞生于洛斯阿拉莫斯国家实验室的铵离子对燃料电池大显身手了——将磷酸盐与桑迪亚国家实验室的聚苯膜相结合。形成的含有NH₄⁺- H₂PO₄^-离子对的膜在176-320℉的温度范围内都表现出稳定的性能，对湿度变化反应良好并且比大多数商业PEM燃料电池膜的持续时间长3倍。

“工业可能对这项发现有很大的兴趣，” Fujimoto说。“我们的聚合物包含了与磷酸反应更激烈的正电荷，这减少了酸的用量。加热该燃料电池和增加湿度都不会降低电池的性能。”

原文链接：

Fuel cell membrane patented by Sandia outperforms market

本文由编辑部丁菲菲提供素材，黄琼编译， 点我加入材料人编辑部