根據(jù)《自然-材料》最近發(fā)表的一篇文章，洛斯阿拉莫斯國家實驗室、斯圖加特大學、新墨西哥大學和桑迪亞國家實驗室的聯(lián)合研究團隊開發(fā)了一種基于聚苯乙烯膦酸的燃料電池質(zhì)子導體，可以在沒有水、溫度達到200℃的情況下，保持質(zhì)子導電率。

同為新能源技術(shù)，可能很多人并不知道燃料電池的具體原理，而是把它當做和普通鋰離子電池供電等差不多的技術(shù)。但實際上，燃料電池無論是和過去的內(nèi)燃機，還是和主流純電動汽車的鋰離子電池供電相比，都有不同。

過去的燃油車，是由汽油、柴油等燃料在發(fā)動機內(nèi)燃燒產(chǎn)生內(nèi)能，推動發(fā)動機的機械結(jié)構(gòu)運動，帶動與之相連的汽車傳動結(jié)構(gòu)運動;鋰離子電池則是把外部輸入的電能儲存起來，要用的時候驅(qū)動電機，電機再帶動汽車傳動結(jié)構(gòu)運動。

燃料電池雖然和鋰離子電池同屬新能源技術(shù)，但是其原理更像是內(nèi)燃機，是一個產(chǎn)能機構(gòu)而非儲能機構(gòu)。

它的結(jié)構(gòu)和電池一樣，同樣有正極、負極和電解質(zhì)，但是它的正負極并不是負責傳輸能量的活性物質(zhì)，而是催化劑，只負責催化外部輸入的燃料和氧化劑進行反應，產(chǎn)出能量。

氫燃料電池作為燃料電池的一種，主要特點是以氫作為燃料。中學化學課曾講過電解水試驗：在水中插入直流電路的陽極和陰極，然后通電，水就會分解成氧氣和氫氣。氫燃料電池的原理則是反過來：氫氣和氧氣在催化劑的催化下發(fā)生反應，產(chǎn)生電能和水。

當前，料電池的技術(shù)挑戰(zhàn)之一是其放熱電化學反應的散熱問題。

目前的燃料電池通過在高電壓方案，規(guī)避了散熱問題。但要造出高效的燃料電池發(fā)動機，未來燃料電池組的工作溫度還是要提高到至少是發(fā)動機冷卻液溫度(100℃)的水平。

研究團隊認為，含磷聚合物本來是很好的電池材料，但在燃料電池的高溫下，它會聲稱生成酸酐，損害電極。

因此，他們把重點放在制備不發(fā)生酸酐生成的含磷聚合物上，其中一個思路是引入氟元素。

10年前，團隊中的一部分人開發(fā)了一種新含磷聚合物(五氟苯乙烯)的合成方法，其步驟包括：i)通過自由基乳液聚合聚合五氟苯乙烯;ii)通過親核膦化反應使該聚合物磷酸化。

令人驚訝的是，在>100℃的溫度范圍內(nèi)，該聚合物表現(xiàn)出良好的質(zhì)子導電性，并且在>300℃的溫度范圍內(nèi)具有出人意料的優(yōu)異的化學和熱穩(wěn)定性。

如今，隨著膜電極組件與LANL的離子對配位膜的集成，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1.13 W cm-2。

下一步是什么?

達到1 W cm-2的功率密度是一個重要的里程碑，它意味著這項技術(shù)可能會成功地走向商業(yè)化。目前，該技術(shù)正在通過美國能源部的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。

編譯/前瞻經(jīng)濟學人APP資訊組

參考資料：

[1]https://www.sciencedaily.com/releases/2020/12/201208163018.htm

[2]https://www.nature.com/articles/s41563-020-00841-z

來源：前瞻網(wǎng)