技術(shù)文章
TECHNICAL ARTICLES質(zhì)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(guān)注,質(zhì)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(dān)著傳導(dǎo)質(zhì)子的重任。開發(fā)新的低成本、高電導(dǎo)率以及具有良好力學(xué)性能的質(zhì)子導(dǎo)體材料對于燃料電池的發(fā)展具有重要意義。
針對此問題,華南理工大學(xué)華南軟物質(zhì)科學(xué)與技術(shù)高等研究院殷盼超教授課題組在質(zhì)子導(dǎo)電機理研究工作的基礎(chǔ)上(J. Phys. Chem. Lett. 2018, 5772),將聚乙二醇與多金屬氧酸鹽復(fù)合,通過氫鍵構(gòu)筑了穩(wěn)定的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),實現(xiàn)了質(zhì)子的有效傳遞。該項研究在保證高電導(dǎo)率,優(yōu)良力學(xué)性能的基礎(chǔ)上,將大大降低市場上現(xiàn)有質(zhì)子交換膜燃料電池的成本,實現(xiàn)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(yè)技術(shù)發(fā)展具有很強的推動作用。
中國燃料電池發(fā)展現(xiàn)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(shù)特點是用“從微型到多千瓦級”的質(zhì)子交換膜燃料電池,加上自主研創(chuàng)的一種按需氫儲存和生產(chǎn)方式(包括水解、點解)組合而成的技術(shù)方案。這一系列的成果,使得我們對中國自主研發(fā)高性能燃料電池充滿了信心,但這個目標(biāo)仍然任重而道遠(yuǎn)。
質(zhì)子交換膜成本對比圖
目前,質(zhì)子交換膜燃料電池商業(yè)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(nèi)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(yè)化質(zhì)子交換膜價格昂貴。質(zhì)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(xué)連結(jié),固定位置,質(zhì)子則聯(lián)結(jié)自由,可起導(dǎo)電作用,在腐蝕環(huán)境中使用壽命長達(dá)50000 h,但復(fù)雜的制備工藝也決定了其較高的成本。如果改用不*氟化的膜材料,雖然可滿足汽車應(yīng)用的要求,工作時間達(dá)4500 h以上,但脫水后容易變脆的特點限制了其商業(yè)化應(yīng)用。
國內(nèi)外燃料電池主要技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀對比
據(jù)數(shù)據(jù),國內(nèi)外燃料電池技術(shù)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(yè)上,國內(nèi)都處于測試或小規(guī)模生產(chǎn)階段,大規(guī)模商業(yè)化門檻還很高。
新型電解質(zhì)導(dǎo)體材料的優(yōu)勢
針對這一現(xiàn)狀,殷盼超教授課題組在之前的研究質(zhì)子導(dǎo)電機理的工作基礎(chǔ)上(J. Phys. Chem. Lett. 2018, 5772),將聚乙二醇與多金屬氧酸鹽復(fù)合,通過氫鍵構(gòu)筑了穩(wěn)定的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),實現(xiàn)了質(zhì)子的有效傳遞。殷盼超教授介紹,聚乙二醇-多酸半固態(tài)質(zhì)子導(dǎo)體材料具有較高的質(zhì)子電導(dǎo)率、優(yōu)異的力學(xué)性能和低成本三大優(yōu)點。
聚乙二醇-多酸納米復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)及質(zhì)子傳導(dǎo)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(fù)合材料電導(dǎo)率的影響,研究人員發(fā)現(xiàn)在該復(fù)合材料中,多酸充當(dāng)了質(zhì)子的“供應(yīng)站”和“中轉(zhuǎn)站”,質(zhì)子通過聚乙二醇鏈的運動實現(xiàn)有效傳遞。該質(zhì)子導(dǎo)體材料電導(dǎo)率在353 K可達(dá)1.01 10-2 S cm-1,接近目前商業(yè)化的質(zhì)子導(dǎo)體材料。
聚乙二醇-多酸電解質(zhì)導(dǎo)體材料的電導(dǎo)率表征圖
電池的安全問題是人們目前關(guān)注的焦點,同時保證電解質(zhì)材料的安全性和可加工性是目前聚合物電解質(zhì)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(zhì)導(dǎo)體材料,擁有*的剪切變稀行為:靜態(tài)或低剪切下,PEG400-70%PW12粘度高達(dá)273 Pas,樣品表現(xiàn)為固體的性質(zhì),不具有流動性,保證了其作為電解質(zhì)使用時的安全性;高剪切下,復(fù)合材料粘度為100 —— 10 Pas,樣品表現(xiàn)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(fù)合材料的力學(xué)性能表征圖
該聚乙二醇-多酸納米復(fù)合材料所用的原料,目前都已實現(xiàn)商業(yè)化生產(chǎn),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(zhì)子導(dǎo)體材料成本價格為20元人民幣左右,這對其商業(yè)化生產(chǎn)具有極大的推動作用。
據(jù)悉,該項研究成果已發(fā)表在《Chemical Science》上,華南理工大學(xué)華南軟物質(zhì)科學(xué)與技術(shù)高等研究院博士生鄭昭同學(xué)為文章作者,博士生周倩婕負(fù)責(zé)材料部分電化學(xué)性能測試,博士生李牧負(fù)責(zé)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(fā)計劃、廣東省自然科學(xué)基金以及中央高校業(yè)務(wù)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(fā)展通用的、可調(diào)控的半固態(tài)電解質(zhì)具有很強的指導(dǎo)意義。
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