名古屋大学研究人员开发出用于燃料电池的新型超高密度磺酸聚合物电解质膜
在新能源和工业技术开发组织 (NEDO) 委托的一个项目中，名古屋大学的研究人员开发了具有高磺酸基团密度的聚苯乙烯磺酸基 PEM。
环境友好型聚合物电解质燃料电池的关键部件之一是聚合物电解质膜 (PEM)。它通过氢气和氧气之间的反应产生电能。实际燃料电池的例子包括燃料电池汽车 (FCV) 和燃料电池热电联产 (CHP) 系统。
最著名的 PEM 是一种基于全氟磺酸聚合物的膜，例如杜邦公司在 1960 年代开发的 Nafion。在 70-90 °C 的加湿条件下，它具有 0.1 S/cm 的良好质子传导率。在这些条件下，质子可以从磺酸基团中释放出来。这种膜中的质子传导通常取决于质子、磺酸基团和水分子之间的质子传输机制。通常，膜中磺酸基团的密度越高，可以从磺酸基团释放的质子密度越高;因此，磺酸基团的较高密度通常会导致较高的质子传导率。
然而，使用传统的合成工艺，难以合成具有高磺酸基团密度的PEM。例如，为了增加基于聚(苯乙烯磺酸)的 PEM 中磺酸基团的密度，磺化反应必须长时间或在苛刻的条件下进行。它通常使用强氧化性物质，如发烟硫酸和氯磺酸。不幸的是，这会导致不希望发生的副反应，例如聚合物主链的裂解。因此，为了避免在聚合物合成过程中发生不必要的副反应，通常将市售的 PEM 合成为具有低密度的磺酸基团。对于市售的基于 Nafion 或聚(苯乙烯磺酸)的 PEM，例如 AGC 的 Selemion，离子交换容量(IEC)，
在论文中，名古屋大学工学研究生院和名古屋大学未来社会创新研究所的 Atsushi Noro 及其同事开发了具有超高磺酸基密度的聚(苯乙烯磺酸)基 PEM。PEM 的 IEC 为 5.0 mequiv./g。这比 Nafion 或 Selemion 等典型商用 PEM 的 IEC 高五倍。其在 80°C 和 90%RH(聚合物电解质燃料电池的常见操作条件)下的质子传导率为 0.93 S/cm。在相同的测量条件下，这比 Nafion (0.15 S/cm) 或 Selemion (0.091 S/cm) 的电导率高六倍。
未来的燃料电池必须在更严酷的操作条件下运行，例如更高的温度和更低的湿度。这项研究将有助于合成和开发下一代高性能 PEM，在如此恶劣的条件下表现出 0.1 S/cm 或更高的良好电导率。该研究还将有助于实现净零碳社会的目标。
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