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(duì)于燃料電池的發(fā)展具有重要意義。

針對(duì)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(jī)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(shí)現(xiàn)了質(zhì)子的有效傳遞。該項(xiàng)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(chǎng)上現(xiàn)有質(zhì)子交換膜燃料電池的成本，實(shí)現(xiàn)了800 美元/m2成本到20 元人民幣/g的巨大蛻變，對(duì)中國燃料電池工業(yè)技術(shù)發(fā)展具有很強(qiáng)的推動(dòng)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(gè)、美洲公司8個(gè)、亞洲公司5個(gè)。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(diǎn)是用“從微型到多千瓦級(jí)”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(chǔ)存和生產(chǎn)方式（包括水解、點(diǎn)解）組合而成的技術(shù)方案。這一系列的成果，使得我們對(duì)中國自主研發(fā)高性能燃料電池充滿了信心，但這個(gè)目標(biāo)仍然任重而道遠(yuǎn)。

質(zhì)子交換膜成本對(duì)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(jī)競(jìng)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(gè)重要原因是商業(yè)化質(zhì)子交換膜價(jià)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(tuán)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(shí)間達(dá)4500 h以上，但脫水后容易變脆的特點(diǎn)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(duì)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(kuò)散層、隔膜、催化劑等工業(yè)上，國內(nèi)都處于測(cè)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(shì)

針對(duì)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(jī)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(shí)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(diǎn)。

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(jī)理示意圖

通過研究溫度、多酸含量對(duì)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(yùn)動(dòng)實(shí)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(diǎn)，同時(shí)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(xiàng)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(dòng)性，保證了其作為電解質(zhì)使用時(shí)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(dòng)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(shí)現(xiàn)商業(yè)化生產(chǎn)，價(jià)格便宜。目前基于實(shí)驗(yàn)室的各項(xiàng)成本，制備1 g的PEG400-70%PW12質(zhì)子導(dǎo)體材料成本價(jià)格為20元人民幣左右，這對(duì)其商業(yè)化生產(chǎn)具有極大的推動(dòng)作用。

據(jù)悉，該項(xiàng)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(cè)試，博士生李牧負(fù)責(zé)材料小角X光散射測(cè)試，殷盼超教授為通訊作者。該項(xiàng)研究工作得到了國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、廣東省自然科學(xué)基金以及中央高校業(yè)務(wù)費(fèi)杰青項(xiàng)目支持。上海光源小角線站BL16B1為樣品的SAXS測(cè)試提供了大力支持。這一研究成果對(duì)發(fā)展通用的、可調(diào)控的半固態(tài)電解質(zhì)具有很強(qiáng)的指導(dǎo)意義。