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华南理工新研究有望推动质子交换膜技术革新 仅20元一克!

文章来源: 南方网       发布时间:2019-08-13

质子交换膜燃料电池作为目前最主要的燃料电池类型,受到人们的广泛关注,质子交换膜作为其核心部件,不仅仅是电池阴阳极的隔膜,还承担着传导质子的重任。开发新的低成本、高电导率以及具有良好力学性能的质子导体材料对于燃料电池的发展具有重要意义。


针对此问题,华南理工大学华南软物质科学与技术高等研究院殷盼超教授课题组在质子导电机理研究工作的基础上(J. Phys. Chem. Lett. 2018, 5772),将聚乙二醇与多金属氧酸盐复合,通过氢键构筑了稳定的三维网络结构,实现了质子的有效传递。该项研究在保证高电导率,优良力学性能的基础上,将大大降低市场上现有质子交换膜燃料电池的成本,实现了800 美元/m2成本到20 元人民币/g的巨大蜕变,对中国燃料电池工业技术发展具有很强的推动作用。

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中国燃料电池发展现状


在全球20家知名燃料电池公司中,欧洲公司有7个、美洲公司8个、亚洲公司5个。其中,中国仅有一家名为Horizon的公司登榜,这家公司的技术特点是用“从微型到多千瓦级”的质子交换膜燃料电池,加上自主研创的一种按需氢储存和生产方式(包括水解、点解)组合而成的技术方案。这一系列的成果,使得我们对中国自主研发高性能燃料电池充满了信心,但这个目标仍然任重而道远。

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质子交换膜成本对比图


目前,质子交换膜燃料电池商业化的最大问题是成本太高。PEMFC的成本是1000 – 2000 美元/kW,但为了与内燃机竞争,燃料电池的成本必须降到50 美元/kW,其成本居高不下的一个重要原因是商业化质子交换膜价格昂贵。质子交换膜燃料电池中大量采用的是全氟磺酸型膜(Nafion),是一种过氟磺酸聚合物,具有氯化共聚物骨架,磺酸集团与其化学连结,固定位置,质子则联结自由,可起导电作用,在腐蚀环境中使用寿命长达50000 h,但复杂的制备工艺也决定了其较高的成本。如果改用不完全氟化的膜材料,虽然可满足汽车应用的要求,工作时间达4500 h以上,但脱水后容易变脆的特点限制了其商业化应用。

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国内外燃料电池主要技术发展现状对比


据数据,国内外燃料电池技术还存在巨大差距,其中在膜电极(MEA)、气体扩散层、隔膜、催化剂等工业上,国内都处于测试或小规模生产阶段,大规模商业化门槛还很高。

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新型电解质导体材料的优势


针对这一现状,殷盼超教授课题组在之前的研究质子导电机理的工作基础上(J. Phys. Chem. Lett. 2018, 5772),将聚乙二醇与多金属氧酸盐复合,通过氢键构筑了稳定的三维网络结构,实现了质子的有效传递。殷盼超教授介绍,聚乙二醇-多酸半固态质子导体材料具有较高的质子电导率、优异的力学性能和低成本三大优点。

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聚乙二醇-多酸纳米复合材料的结构及质子传导机理示意图


通过研究温度、多酸含量对聚乙二醇-多酸纳米复合材料电导率的影响,研究人员发现在该复合材料中,多酸充当了质子的“供应站”和“中转站”,质子通过聚乙二醇链的运动实现有效传递。该质子导体材料电导率在353 K可达1.01 10-2 S cm-1,接近目前商业化的质子导体材料。

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聚乙二醇-多酸电解质导体材料的电导率表征图


电池的安全问题是人们目前关注的焦点,同时保证电解质材料的安全性和可加工性是目前聚合物电解质面临的一大难题。在此项研究中所制备的聚乙二醇-多酸电解质导体材料,拥有独特的剪切变稀行为:静态或低剪切下,PEG400-70%PW12粘度高达273 Pas,样品表现为固体的性质,不具有流动性,保证了其作为电解质使用时的安全性;高剪切下,复合材料粘度为100 —— 10 Pas,样品表现出明显的流动行为,使其具有良好的加工性、与电极材料良好的相容性。

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该聚乙二醇-多酸纳米复合材料所用的原料,目前都已实现商业化生产,价格便宜。目前基于实验室的各项成本,制备1 g的PEG400-70%PW12质子导体材料成本价格为20元人民币左右,这对其商业化生产具有极大的推动作用。


据悉,该项研究成果已发表在《Chemical Science》上,华南理工大学华南软物质科学与技术高等研究院博士生郑昭同学为文章第一作者,博士生周倩婕负责材料部分电化学性能测试,博士生李牧负责材料小角X光散射测试,殷盼超教授为通讯作者。该项研究工作得到了国家重点研发计划、广东省自然科学基金以及中央高校业务费杰青项目支持。上海光源小角线站BL16B1为样品的SAXS测试提供了大力支持。这一研究成果对发展通用的、可调控的半固态电解质具有很强的指导意义。


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