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研究团队开发出抗疲劳膜可提高燃料电池的耐用性

盖世汽车刘丽婷 2024-02-08 17:13:59

盖世汽车讯应对环境挑战的一种新方法是开发强大的氢燃料电池并将其商业化。这些电池包含聚合物电解质膜，充当电极（使电流能够流过物质的导体）之间的屏障。该膜可传导质子，但抑制电子、氢分子和氧分子的运动。

当车辆加速或减速时，燃料电池的运行不一致，导致产水量变化并导致膜膨胀和收缩。随着时间的推移，这种重复变形会导致裂纹的形成，加速氢通过膜的意外传输，最终导致运行故障。

用于解决这些裂纹的一些方法包括自由基清除剂和碳氢化合物电解质膜。然而，虽然这些方法提供了一些防御，但它们不能完全阻止这些裂纹的形成和传播。

据外媒报道，由仁川国立大学（Incheon National University）的Sang Moon Kim 副教授和哈佛大学（Harvard University）的Zhugang Suo教授领导的研究小组开发出一种耐疲劳的聚合物电解质膜。相关研究已发表于期刊《Advanced Materials》。

图片来源：期刊《Advanced Materials》

Kim博士表示：“为了确保燃料电池长期稳定运行，必须开发一种具有高抗重复疲劳失效能力的电解质膜，以反映燃料电池的实际运行环境和退化过程。在我们的研究中，我们利用互穿网络来有意分散重复性压力。”

在这项研究中，研究人员创建了一类抗疲劳电解质膜，由Nafion和全氟聚醚（PFPE）的互穿网络组成。Nafion是一种常用的塑料电解质，具有质子传导特性，而PFPE则形成耐用的橡胶状聚合物网络。橡胶的加入会略微降低电化学性能，但会显著提高疲劳阈值和使用寿命。

研发出的新膜含有不同含量的PFPE；其中，饱和度为50%的材料表现出良好的电化学性能。与原来的Nafion相比，这种Nafion-PFPE膜将疲劳阈值提高了175%，并将燃料电池的寿命延长了1.7倍。此外，未改性的Nafion膜的使用寿命为242小时，而复合膜的使用寿命为410小时。这些结果共同表明，加入橡胶网络会适度降低电化学性能，但会显著提高抗疲劳性和整体寿命。

这项研究在不同的应用中都具有重要意义。引入具有稳定性和耐用性的燃料电池系统有可能为各行业的创新铺平道路。除了燃料电池汽车领域之外，它还可以影响无人机、个人飞行器、备用电源、叉车、自行车和踏板车等先进技术的发展。