燃料电池新突破：新型聚合物材料可在200℃保持质子导电率

根据《自然-材料》最近发表的一篇文章，洛斯阿拉莫斯国家实验室、斯图加特大学、新墨西哥大学和桑迪亚国家实验室的联合研究团队开发了一种基于聚苯乙烯膦酸的燃料电池质子导体，可以在没有水、温度达到200℃的情况下，保持质子导电率。

同为新能源技术，可能很多人并不知道燃料电池的具体原理，而是把它当做和普通锂离子电池供电等差不多的技术。但实际上，燃料电池无论是和过去的内燃机，还是和主流纯电动汽车的锂离子电池供电相比，都有不同。

过去的燃油车，是由汽油、柴油等燃料在发动机内燃烧产生内能，推动发动机的机械结构运动，带动与之相连的汽车传动结构运动;锂离子电池则是把外部输入的电能储存起来，要用的时候驱动电机，电机再带动汽车传动结构运动。

燃料电池虽然和锂离子电池同属新能源技术，但是其原理更像是内燃机，是一个产能机构而非储能机构。

它的结构和电池一样，同样有正极、负极和电解质，但是它的正负极并不是负责传输能量的活性物质，而是催化剂，只负责催化外部输入的燃料和氧化剂进行反应，产出能量。

氢燃料电池作为燃料电池的一种，主要特点是以氢作为燃料。中学化学课曾讲过电解水试验：在水中插入直流电路的阳极和阴极，然后通电，水就会分解成氧气和氢气。氢燃料电池的原理则是反过来：氢气和氧气在催化剂的催化下发生反应，产生电能和水。

当前，料电池的技术挑战之一是其放热电化学反应的散热问题。

目前的燃料电池通过在高电压方案，规避了散热问题。但要造出高效的燃料电池发动机，未来燃料电池组的工作温度还是要提高到至少是发动机冷却液温度(100℃)的水平。

研究团队认为，含磷聚合物本来是很好的电池材料，但在燃料电池的高温下，它会声称生成酸酐，损害电极。

因此，他们把重点放在制备不发生酸酐生成的含磷聚合物上，其中一个思路是引入氟元素。

10年前，团队中的一部分人开发了一种新含磷聚合物(五氟苯乙烯)的合成方法，其步骤包括：i)通过自由基乳液聚合聚合五氟苯乙烯;ii)通过亲核膦化反应使该聚合物磷酸化。

令人惊讶的是，在>100℃的温度范围内，该聚合物表现出良好的质子导电性，并且在>300℃的温度范围内具有出人意料的优异的化学和热稳定性。

如今，随着膜电极组件与LANL的离子对配位膜的集成，采用含磷聚合物的燃料电池表现出了优异的功率密度(在H2/O2条件下，160℃下稳定性>500h)为1.13 W cm-2。

下一步是什么?

达到1 W cm-2的功率密度是一个重要的里程碑，它意味着这项技术可能会成功地走向商业化。目前，该技术正在通过美国能源部的ARPA-E和能源效率和可再生能源办公室(EERE)内的氢和燃料电池技术办公室进行商业化。

编译/前瞻经济学人APP资讯组

参考资料：

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

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