氫能技術(shù)
本文根據(jù)早稻田大學(xué)公布的研究成果資料編譯而成
日本山梨大學(xué)清潔能源研究中心兼早稻田大學(xué)理工學(xué)術(shù)院的宮武健治教授、山梨大學(xué)清潔能源研究中心的三宅純平副教授、早稻田大學(xué)理工學(xué)術(shù)院的小柳津研一教授以及日本學(xué)術(shù)振興會(huì)的特別研究員岡弘樹（早稻田大學(xué)先進(jìn)理工學(xué)研究科碩博碩連讀4年級(jí)學(xué)生）等人組成的研究團(tuán)隊(duì)，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(guān)于固體高分子型燃料電池（簡(jiǎn)稱PEFC），汽車領(lǐng)域是通過(guò)高壓氫燃料罐供應(yīng)氫，家用領(lǐng)域則是通過(guò)對(duì)城市燃?xì)猓淄椋┻M(jìn)行水蒸氣改質(zhì)來(lái)供應(yīng)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(wú)需使用氫燃料罐和改質(zhì)反應(yīng)裝置，安全、可以反復(fù)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(zhǎng)可發(fā)電約8分鐘，能反復(fù)充放電50次。今后，通過(guò)提高和優(yōu)化構(gòu)成材料的性能以及改善耐久性等，有望作為手機(jī)和小型電子器件等移動(dòng)產(chǎn)品的電源使用。研究背景作為目前的PEFC使用的儲(chǔ)氫供氫系統(tǒng)，汽車領(lǐng)域使用高壓氫燃料罐，家用領(lǐng)域使用對(duì)城市燃?xì)膺M(jìn)行水蒸氣改質(zhì)來(lái)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(kuò)大PEFC的應(yīng)用范圍，業(yè)界研究了各種儲(chǔ)氫材料。
儲(chǔ)氫合金（LaNi52Ni等）是一類常見的儲(chǔ)氫材料有，其缺點(diǎn)是，雖然單位體積的儲(chǔ)氫量比較多，但單位重量的儲(chǔ)氫量較少。此外還有有機(jī)類儲(chǔ)氫材料，如有機(jī)氫化物（甲基環(huán)己烷等），雖然單位體積和單位重量的儲(chǔ)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(chǔ)藏密度更大的儲(chǔ)氫材料。作為高分子類儲(chǔ)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(yàn)證了氫吸附和解吸性能（Nat. Commun. 7, 13032（2016））。不過(guò)，此前一直沒有開發(fā)出將該塑料膜作為儲(chǔ)氫供氫介質(zhì)使用的燃料電池器件。研究成果此次，研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了將塑料膜嵌入電池單元內(nèi)側(cè)作為儲(chǔ)氫供氫介質(zhì)的全高分子型可充電燃料電池，并驗(yàn)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(guò)內(nèi)置由聚酮制成的可吸附和解吸氫的塑料膜（HSP），能實(shí)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(tuán)隊(duì)此次設(shè)計(jì)并制作的燃料電池在陽(yáng)極側(cè)內(nèi)置了酮聚合物膜，為了順利促進(jìn)氫吸附和解吸反應(yīng)，該酮聚合物膜浸漬了銥（Ir）基絡(luò)合物。通過(guò)反復(fù)實(shí)施隨著氫解吸而進(jìn)行的燃料電池發(fā)電和氫吸附（相當(dāng)于充電），評(píng)估了可充電燃料電池的性能和循環(huán)特性。
通過(guò)評(píng)價(jià)和比較質(zhì)子導(dǎo)電性高分子膜（以下簡(jiǎn)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(fù)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(zhǎng)可發(fā)電約8分鐘，能反復(fù)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(shí)相比，PEM采用系數(shù)比較小的SPP-QP膜時(shí)能獲得更高的性能（發(fā)電時(shí)間比較長(zhǎng)）。
研究的波及效應(yīng)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(wú)法消除起火的危險(xiǎn)。此次開發(fā)的可充電燃料電池可以利用來(lái)自多種氫源的氫，也不存在安全風(fēng)險(xiǎn)。將來(lái)通過(guò)提高和優(yōu)化構(gòu)成材料的性能及改善耐久性等，有望作為手機(jī)和小型電子器件等移動(dòng)產(chǎn)品的電源使用。
未來(lái)課題今后的研究方向是設(shè)法提高塑料膜的儲(chǔ)氫量、放氫反應(yīng)速度以及PEM的質(zhì)子導(dǎo)電率和穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)在高電流密度下也能長(zhǎng)時(shí)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(lái)源：一點(diǎn)資訊