根據(jù)《自然-材料》最近發(fā)表的一篇文章，洛斯阿拉莫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室、斯圖加特大學(xué)、新墨西哥大學(xué)和桑迪亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種基于聚苯乙烯膦酸的燃料電池質(zhì)子導(dǎo)體，可以在沒有水、溫度達(dá)到200℃的情況下，保持質(zhì)子導(dǎo)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(dāng)做和普通鋰離子電池供電等差不多的技術(shù)。但實(shí)際上，燃料電池?zé)o論是和過去的內(nèi)燃機(jī)，還是和主流純電動(dòng)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(dòng)機(jī)內(nèi)燃燒產(chǎn)生內(nèi)能，推動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)與之相連的汽車傳動(dòng)結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng);鋰離子電池則是把外部輸入的電能儲(chǔ)存起來，要用的時(shí)候驅(qū)動(dòng)電機(jī)，電機(jī)再帶動(dòng)汽車傳動(dòng)結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)。

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(jī)，是一個(gè)產(chǎn)能機(jī)構(gòu)而非儲(chǔ)能機(jī)構(gòu)。

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

氫燃料電池作為燃料電池的一種，主要特點(diǎn)是以氫作為燃料。中學(xué)化學(xué)課曾講過電解水試驗(yàn)：在水中插入直流電路的陽極和陰極，然后通電，水就會(huì)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(yīng)，產(chǎn)生電能和水。

當(dāng)前，料電池的技術(shù)挑戰(zhàn)之一是其放熱電化學(xué)反應(yīng)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(dòng)機(jī)，未來燃料電池組的工作溫度還是要提高到至少是發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液溫度(100℃)的水平。

研究團(tuán)隊(duì)認(rèn)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(huì)聲稱生成酸酐，損害電極。

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

10年前，團(tuán)隊(duì)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(yīng)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(dǎo)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(xué)和熱穩(wěn)定性。

如今，隨著膜電極組件與LANL的離子對(duì)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(dá)到1 W cm-2的功率密度是一個(gè)重要的里程碑，它意味著這項(xiàng)技術(shù)可能會(huì)成功地走向商業(yè)化。目前，該技術(shù)正在通過美國(guó)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(jìn)行商業(yè)化。

編譯/前瞻經(jīng)濟(jì)學(xué)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)