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    華工教授新研究有望推動中國燃料電池技術革新

    發布日期: 2019-08-23
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    質子交換膜燃料電池作為目前主要的燃料電池類型,受到人們的廣泛關注,質子交換膜作為其核心部件,不僅僅是電池陰陽極的隔膜,還承擔著傳導質子的重任。開發新的低成本、高電導率以及具有良好力學性能的質子導體材料對于燃料電池的發展具有重要意義。

    針對此問題,華南理工大學華南軟物質科學與技術高等研究院殷盼超教授課題組在質子導電機理研究工作的基礎上(J. Phys. Chem. Lett. 2018, 5772),將聚乙二醇與多金屬氧酸鹽復合,通過氫鍵構筑了穩定的三維網絡結構,實現了質子的有效傳遞。該項研究在保證高電導率,優良力學性能的基礎上,將大大降低市場上現有質子交換膜燃料電池的成本,實現了800 美元/m2成本到20 元人民幣/g的巨大蛻變,對中國燃料電池工業技術發展具有很強的推動作用。

    中國燃料電池發展現狀

    在20家燃料電池公司中,歐洲公司有7個、美洲公司8個、亞洲公司5個。其中,中國僅有一家名為Horizon的公司登榜,這家公司的技術特點是用“從微型到多千瓦級”的質子交換膜燃料電池,加上自主研創的一種按需氫儲存和生產方式(包括水解、點解)組合而成的技術方案。這一系列的成果,使得我們對中國自主研發高性能燃料電池充滿了信心,但這個目標仍然任重而道遠。

    質子交換膜成本對比圖

    目前,質子交換膜燃料電池商業化的大問題是成本太高。PEMFC的成本是1000 – 2000 美元/kW,但為了與內燃機競爭,燃料電池的成本必須降到50 美元/kW,其成本居高不下的一個重要原因是商業化質子交換膜價格昂貴。質子交換膜燃料電池中大量采用的是全氟磺酸型膜(Nafion),是一種過氟磺酸聚合物,具有氯化共聚物骨架,磺酸集團與其化學連結,固定位置,質子則聯結自由,可起導電作用,在腐蝕環境中使用壽命長達50000 h,但復雜的制備工藝也決定了其較高的成本。如果改用不完全氟化的膜材料,雖然可滿足汽車應用的要求,工作時間達4500 h以上,但脫水后容易變脆的特點限制了其商業化應用。

    國內外燃料電池主要技術發展現狀對比

    據數據,國內外燃料電池技術還存在巨大差距,其中在膜電極(MEA)、氣體擴散層、隔膜、催化劑等工業上,國內都處于測試或小規模生產階段,大規模商業化門檻還很高。

    新型電解質導體材料的優勢

    針對這一現狀,殷盼超教授課題組在之前的研究質子導電機理的工作基礎上(J. Phys. Chem. Lett. 2018, 5772),將聚乙二醇與多金屬氧酸鹽復合,通過氫鍵構筑了穩定的三維網絡結構,實現了質子的有效傳遞。殷盼超教授介紹,聚乙二醇-多酸半固態質子導體材料具有較高的質子電導率、優異的力學性能和低成本三大優點。

    聚乙二醇-多酸納米復合材料的結構及質子傳導機理示意圖

    通過研究溫度、多酸含量對聚乙二醇-多酸納米復合材料電導率的影響,研究人員發現在該復合材料中,多酸充當了質子的“供應站”和“中轉站”,質子通過聚乙二醇鏈的運動實現有效傳遞。該質子導體材料電導率在353 K可達1.01 10-2 S cm-1,接近目前商業化的質子導體材料。

    聚乙二醇-多酸電解質導體材料的電導率表征圖

    電池的安全問題是人們目前關注的焦點,同時保證電解質材料的安全性和可加工性是目前聚合物電解質面臨的一大難題。在此項研究中所制備的聚乙二醇-多酸電解質導體材料,擁有*的剪切變稀行為:靜態或低剪切下,PEG400-70%PW12粘度高達273 Pas,樣品表現為固體的性質,不具有流動性,保證了其作為電解質使用時的安全性;高剪切下,復合材料粘度為100 —— 10 Pas,樣品表現出明顯的流動行為,使其具有良好的加工性、與電極材料良好的相容性。

    聚乙二醇-多酸復合材料的力學性能表征圖

    該聚乙二醇-多酸納米復合材料所用的原料,目前都已實現商業化生產,價格便宜。目前基于實驗室的各項成本,制備1 g的PEG400-70%PW12質子導體材料成本價格為20元人民幣左右,這對其商業化生產具有極大的推動作用。

    據悉,該項研究成果已發表在《Chemical Science》上,華南理工大學華南軟物質科學與技術高等研究院博士生鄭昭同學為文章作者,博士生周倩婕負責材料部分電化學性能測試,博士生李牧負責材料小角X光散射測試,殷盼超教授為通訊作者。該項研究工作得到了國家重點研發計劃、廣東省自然科學基金以及中央高校業務費杰青項目支持。上海光源小角線站BL16B1為樣品的SAXS測試提供了大力支持。這一研究成果對發展通用的、可調控的半固態電解質具有很強的指導意義。

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