包括洛斯阿拉莫斯國家實驗室、斯圖加特大學（德國）、新墨西哥大學和桑迪亞國家實驗室在內(nèi)的一個合作研究小組開發(fā)了一種基于聚苯乙烯膦酸的燃料電池質(zhì)子導體，這種質(zhì)子導體在沒有水的情況下可保持高達200攝氏度的質(zhì)子導電率。他們在本周發(fā)表在《自然材料》上的一篇論文中描述了材料的進展。

從可再生、核能或化石燃料中生產(chǎn)的氫氣，通過碳捕獲、利用和儲存，可以幫助工業(yè)脫碳，并在經(jīng)濟的多個部門提供環(huán)境、能源彈性和靈活性。為此，燃料電池是一種很有前途的技術，它通過電化學過程將氫轉(zhuǎn)化為電，只排放水。

LosAlamos項目負責人YuSeungKim說：“雖然高效燃料電池電動汽車的商業(yè)化已經(jīng)成功開始，但下一代燃料電池平臺向重型汽車應用發(fā)展還需要進一步的技術創(chuàng)新。當前燃料電池的技術挑戰(zhàn)之一是燃料電池放熱電化學反應的散熱問題。

“我們在2016年開發(fā)出離子對配位膜之后，一直在努力提高高溫膜燃料電池的性能，”金說，“離子對聚合物有利于膜的使用，但當我們將其用作電極粘合劑時，高含量的磷酸摻雜會導致電極中毒和酸浸。”

在目前的燃料電池中，通過在高電池電壓下運行燃料電池來滿足散熱要求。為了實現(xiàn)高效的燃料電池發(fā)動機，燃料電池組的工作溫度必須至少提高到發(fā)動機冷卻液溫度（100攝氏度）。

我們認為，含磷聚合物將是一個很好的替代品，但由于在燃料電池的工作溫度下不希望生成酸酐，以前的材料無法實現(xiàn)。所以我們把重點放在制備不發(fā)生酸酐生成的含磷聚合物上。Kerres在斯圖加特大學的研究小組能夠通過在聚合物中引入氟元素來制備這種材料。金說：“令人興奮的是，我們現(xiàn)在既有用于高溫燃料電池的薄膜粘合劑，也有用于高溫燃料電池的離子體粘合劑。”

十年前，Atanasov和Kerres開發(fā)了一種新的含磷聚（五氟苯乙烯）合成方法，該方法包括以下步驟：（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，這種聚合物表現(xiàn)出良好的質(zhì)子導電性，在>100℃的溫度范圍內(nèi)高于Nafion，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。

Atanasov和Kerres與LosAlamos的Kim分享了他們的研究成果，而Kim的團隊又開發(fā)了高溫燃料電池，用于含磷聚合物。隨著膜電極組件與LANL的離子對配位膜的集成（Lee等人，NatureEnergy，16120，2016），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1.13Wcm-2。

下一步是什么？”達到1Wcm-2的功率密度是一個重要的里程碑，它告訴我們這項技術可能會成功地走向商業(yè)化。目前，該技術正在通過能源部的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辦公室進行商業(yè)化。