研究人员正在测试的一个燃料电池。。信用:唐等质子交换膜燃料电池(PEMFCs)是将氢氧电化学反应产生的化学能转化为电能的动力电池。虽然这些电池可能是非常有前途的能源解决方案，但它们中的大多数只能在有限的温度范围内运行，例如80至90摄氏度或140至180华氏度。中国科学院、天津师范大学和天津大学的研究人员最近设计了一种新型质子交换膜燃料电池，可以在更宽的温度范围内运行，特别是-20至200摄氏度。他们的论文发表在《自然能源》杂志上，可以促进PEMFC技术的广泛应用，同时降低制造成本。
“当我们考虑磷酸(PA)从聚苯并咪唑(PBI)膜中泄漏时，我们相信根据酸碱相互作用的概念，一分子苯并咪唑会吸收一分子PA，”该论文的作者之一李南文告诉TechXplore。“另一方面，PBI膜中的所有其他PA分子大部分是通过氢键相互作用保留的。这就像一条束缚狗的狗链，让其他狗只是通过亲缘关系跟随这条狗。然而，如果我们能创建一个狗窝，如果前门关闭，这个狗窝里的所有狗都不能轻易出来。”
李和他的同事最近进行的这项研究的主要目的是创造一种能吸收PA的膜。为了进一步加强其捕获PA的能力，研究人员利用了所谓的“毛细虹吸效应”，一种液体可以很容易被吸收的效应。
当将毛细虹吸效应应用于传统膜时，液体可能仍然不容易释放。因此，该团队决定使用特罗热的基底聚合物制造薄膜，这种材料具有超高的固有微孔率。
“TB聚合物中的超微孔充当了PA吸收和保留的毛细管，就像狗窝里的隐喻一样，”李解释道。“通过调节单体的化学结构，可以控制聚合物膜的孔径和分布。一种孔径约为3.5的膜表现出最好的PA分子虹吸效应，因此在宽范围的工作温度下具有最好的导电性稳定性和燃料电池性能。”
/图像-2/膜的制造过程。功劳:唐等。燃料电池的工作原理通常是在空气或氧气存在下，通过电化学氧化燃料，如氢，最终产生电能和水。质子交换膜燃料电池中包含的质子传导膜在每一侧涂有催化物质，以触发电池内部阳极(氢)和阴极(氧)之间的电化学反应。
“其中，膜有两个主要功能:一个是传导阳极催化产生的质子，将其输送到阴极，并与氧气结合，最终产生水，而另一个是迫使阳极催化产生的电子(即电能)通过外部电路，在那里它们完成电路并产生水，”李说。“人们可以把燃料电池想象成氢和氧的高度受控催化燃烧，如果点燃它不会爆炸，而是按需释放电能。电解，或者说水的分裂，实际上恰恰相反，你输入电能，把水分裂成氢和氧。”
李和他的同事们利用他们制造的掺PA的超微孔膜，制造出了可以在很宽温度范围内工作的燃料电池。这是一项了不起的成就，因为以前开发的质子交换膜燃料电池只能在有限的温度范围内运行。
“使用我们的设计，燃料电池堆将大大简化，”李说。“我们相信，将磷酸吸收到超微孔中的虹吸效应对于高性能高温质子交换膜燃料电池的开发具有重要意义，还将改善整个燃料电池系统，使其无需辅助加热系统即可运行。”
新的膜和电池设计可能会很快导致性能更好的质子交换膜燃料电池的发展，同时也大大降低其制造成本。在接下来的研究中，李和他的同事计划将毛细虹吸效应也应用于催化剂层，以提高其有效性并减少催化剂负载。
此外，他们将专注于微调膜孔的大小以及共混、共聚和交联的分布。这最终将有助于进一步提高燃料电池的稳定性和导电性。
“我们还希望设计和制备具有与我们使用的膜相同的超微孔率的PBI系统，这可能更容易应用于能源行业，”李补充说。“此外，我们产生的相同虹吸效应也可以用于催化剂层，以将PA分子保持在催化剂层内，从而避免铂催化剂磷酸盐中毒的不利影响。因此，我们预计高温质子交换膜燃料电池将实现高催化剂利用率，从而实现低催化剂负载。”
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