名古屋大学开发超高密度磺酸聚合物电解质膜可用于燃料电池

汽车盖世汽车网 2023-04-25 08:51

盖世汽车讯据外媒报道，在日本新能源产业技术综合开发机构（NEDO）委托的一个项目中，名古屋大学（Nagoya University）的研究人员开发了具有高密度磺酸基团的聚苯乙烯磺酸基聚合物电解质膜（PEM）。

（图片来源：名古屋大学）

环保型聚合物电解质燃料电池的关键部件之一是PEM。这种电池通过氢气和氧气的反应产生电能，可用于燃料电池汽车（FCV）和燃料电池热电联产（CHP）系统。

最有名的PEM是全氟磺酸聚合物基薄膜，如杜邦公司（DuPont）在1960年代开发的Nafion，在70-90℃和加湿的条件下质子电导率为0.1 S/cm。在这些条件下，质子可以从磺酸基团中释放出来。在这种膜中，通常依靠质子、磺酸基团和水分子之间的质子传输机制来传导质子。通常情况下，膜中磺酸基团的密度越高，从磺酸基团中释放出来的质子密度就越高。基本上来说，磺酸基团的密度越高，质子电导率越高。

然而，使用传统合成工艺，很难合成具有高密度磺酸基团的质子交换膜。例如，在聚苯乙烯磺酸基PEM中，为了提高磺酸基团的密度，必须长时间或在严苛的条件下进行磺化反应。这通常需要使用高氧化性物质，如发烟硫酸和氯磺酸，由此会产生不良的副反应，例如聚合物主链断裂。因此，在聚合物合成过程中，为了避免发生不必要的副反应，所合成的商用PEM通常具有低密度磺酸基团。就商用Nafion或聚苯乙烯磺酸基PEM（例如旭硝子的Selemion离子膜）而言，离子交换容量（IEC，即酸基密度指数）通常小于1.0 meq./g。

名古屋大学工程学研究生院和名古屋大学未来社会创新研究所（Institutes of Innovation for Future Society）Atsushi Noro等人开发了具有超高密度磺酸基团的聚苯乙烯磺酸基PEM。该PEM的IEC为5.0 mequiv./g，比常规商用PEM（如Nafion或Selemion）高5倍。在聚合物电解质燃料电池的常用操作条件（90%RH和80℃）下，其质子电导率为0.93 S/cm。在相同的测量条件下，比Nafion（0.15 S/cm）或Selemion（0.091 S/cm）的电导率高6倍。

未来的燃料电池将在更恶劣的操作条件下运行，如温度更高、湿度更低。这项研究将有助于下一代合成和开发高性能PEM，在如此恶劣的条件下，其电导率可达到或超过0.1 S/cm。这项研究还将有助于实现净零碳社会的目标。

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