氫能技術
本文根據(jù)早稻田大學公布的研究成果資料編譯而成
日本山梨大學清潔能源研究中心兼早稻田大學理工學術院的宮武健治教授、山梨大學清潔能源研究中心的三宅純平副教授、早稻田大學理工學術院的小柳津研一教授以及日本學術振興會的特別研究員岡弘樹（早稻田大學先進理工學研究科碩博碩連讀4年級學生）等人組成的研究團隊，全球首次開發(fā)出了采用能可逆地吸附和解吸氫的塑料膜的充電式燃料電池——“全高分子型可充電燃料電池”。
關于固體高分子型燃料電池（簡稱PEFC），汽車領域是通過高壓氫燃料罐供應氫，家用領域則是通過對城市燃氣（甲烷）進行水蒸氣改質來供應氫，在便攜性、安全性和能源成本方面都還存在課題。此次研究成功開發(fā)出了無需使用氫燃料罐和改質反應裝置，安全、可以反復充放電且方便攜帶的PEFC。試制品在恒定的電流密度（1mA/cm2）下，最長可發(fā)電約8分鐘，能反復充放電50次。今后，通過提高和優(yōu)化構成材料的性能以及改善耐久性等，有望作為手機和小型電子器件等移動產品的電源使用。研究背景作為目前的PEFC使用的儲氫供氫系統(tǒng)，汽車領域使用高壓氫燃料罐，家用領域使用對城市燃氣進行水蒸氣改質來制氫的裝置，在便攜性、安全性和能源成本方面存在課題。為了擴大PEFC的應用范圍，業(yè)界研究了各種儲氫材料。
儲氫合金（LaNi52Ni等）是一類常見的儲氫材料有，其缺點是，雖然單位體積的儲氫量比較多，但單位重量的儲氫量較少。此外還有有機類儲氫材料，如有機氫化物（甲基環(huán)己烷等），雖然單位體積和單位重量的儲氫量都比較多，但具有揮發(fā)性、可燃性和毒性。因此需要開發(fā)更加安全且儲藏密度更大的儲氫材料。作為高分子類儲氫材料，小柳津教授等人2016年成功開發(fā)出了可成型為塑料膜的酮聚合物，并驗證了氫吸附和解吸性能（Nat. Commun. 7, 13032（2016））。不過，此前一直沒有開發(fā)出將該塑料膜作為儲氫供氫介質使用的燃料電池器件。研究成果此次，研究團隊設計了將塑料膜嵌入電池單元內側作為儲氫供氫介質的全高分子型可充電燃料電池，并驗證了其工作原理。
圖1：此次研究開發(fā)的全高分子型可充電燃料電池的概念圖。通過內置由聚酮制成的可吸附和解吸氫的塑料膜（HSP），能實現(xiàn)體積小且安全的充電式燃料電池。
新開發(fā)的方法研究團隊此次設計并制作的燃料電池在陽極側內置了酮聚合物膜，為了順利促進氫吸附和解吸反應，該酮聚合物膜浸漬了銥（Ir）基絡合物。通過反復實施隨著氫解吸而進行的燃料電池發(fā)電和氫吸附（相當于充電），評估了可充電燃料電池的性能和循環(huán)特性。
通過評價和比較質子導電性高分子膜（以下簡稱PEM）采用兩種氣體滲透系數(shù)大不相同的材料的可充電燃料電池，發(fā)現(xiàn)PEM的氣體阻隔性是有效提高可充電燃料電池性能的因素之一。
本次研究全球首次開發(fā)出了可反復充放電的“全高分子型可充電燃料電池”。在恒定的電流密度（1mA/cm2）下，最長可發(fā)電約8分鐘，能反復充放電50次。
圖2：在恒定的電流密度下可以穩(wěn)定充放電50次。與采用氣體滲透系數(shù)比較大的Nafion膜時相比，PEM采用系數(shù)比較小的SPP-QP膜時能獲得更高的性能（發(fā)電時間比較長）。
研究的波及效應現(xiàn)有鋰離子二次電池的性能和耐久性日益提高，但鋰資源有限，而且無法消除起火的危險。此次開發(fā)的可充電燃料電池可以利用來自多種氫源的氫，也不存在安全風險。將來通過提高和優(yōu)化構成材料的性能及改善耐久性等，有望作為手機和小型電子器件等移動產品的電源使用。
未來課題今后的研究方向是設法提高塑料膜的儲氫量、放氫反應速度以及PEM的質子導電率和穩(wěn)定性，實現(xiàn)在高電流密度下也能長時間發(fā)電的創(chuàng)蓄電器件。
論文信息
題目：Rechargeable proton exchange membrane fuel cell containing an intrinsic hydrogen storage polymer
期刊：Communications Chemistry
URL：nature.com/articles/s42004-020-00384-z
來源：一點資訊