可实现燃料电池高温低湿度运行的离子薄膜开发成功！
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摘 要：研究小组成功开发出一种高性能离子薄膜，用于在较高温度和较低湿度下运行燃料电池。目前，用作电动汽车和家用电源的燃料电池在90℃以上运行时存在性能下降的问题，而使用新开发的离子薄膜的话，即使在120℃的温度和20%的湿度下也能实现燃料电池的高性能发电。经证实，使用该离子薄膜的燃料电池具有优异的耐久性。
关键字：固体高分子燃料电池、高温低湿度运行、离子薄膜、增强膜、高离子电导率
●成功开发出由磺酸化芳香族聚合物和氟类多孔材料组成的离子薄膜。
●这种离子薄膜即使在高温下也表现出高离子电导率，并具有优异的机械强度。
●在燃料电池的发电试验中，证实了即使在120℃的温度和20%的湿度下也能长时间保持稳定的高性能。
燃料电池是一种通过氢氧发生电化学反应产生电能的发电装置，发电效率高，不排放二氧化碳等温室气体，因此作为替代内燃机的能源转换方式而备受关注。特别是使用可传导氢离子（质子）的离子薄膜的燃料电池（固体高分子燃料电池）近年来技术进展显著，在世界范围内被广泛用作电动汽车和家庭等的电源。
固体高分子燃料电池最常用的离子薄膜具有高质子电导率和优异的耐久性，以氟类高分子为主要成分，其特点是为了在10微米以下的薄膜中也能保持强度，通过膨体聚四氟乙烯（ePTFE）对薄膜进行增强。另一方面，已知在90℃以上的温度下，离子薄膜的各种性能都会劣化。为了扩展燃料电池的工作温度范围，在高温下也能稳定工作的离子薄膜的开发备受期待。
研究小组利用以苯环为主要构成成分的芳香族高分子进行离子薄膜的研究，并成功开发出各种新材料。例如，2017年利用被称为“聚苯”的芳香族高分子，成功开发出耐热性和化学稳定性有所提高的离子薄膜。芳香族离子薄膜也可以通过增强来提高强度，但与上述氟类离子薄膜中实际应用的ePTFE的亲和性较差，难以获得充分的增强效果。
本研究中，新设计了一种可提高与ePTFE亲和性的芳香族高分子，并证实了由此得到的离子薄膜即使在120℃下仍保持高质子电导率。
如图1所示，在聚苯离子薄膜的部分结构中引入氟后，与ePTFE的亲和性显著提高，可以获得均匀且坚韧的增强膜。增强膜（SPP-TP-f5.1/DPTFE）中包含两片互相垂直90°的ePTFE，以便消除纵向和横向的各向异性。如图1的条形图所示，实现了在温度100～120℃、相对湿度30%RH的任一条件下，质子电导率都高于市售的氟类电解质膜（Perfluorosulfonic acid）。
图2（A）～（H）汇总了使用增强膜（SPP-TP-f5.1/DPTFE）的燃料电池发电性能的详细内容。经证实，与质子电导率的结果相同，可以在高温、低湿度下获得优异的电流/电压特性。通过在开路（电流密度为0）状态下反复干燥和加湿的方法（图2（I）），以及在恒定电流密度下持续发电的方法（图2（J））对耐久性进行评估，结果确认了ePTFE的增强效果。
由此，从膜物性分析和燃料电池发电两方面实证了新开发出的离子薄膜兼具芳香族高分子耐热性和ePTFE的韧性。
图1 本研究开发的离子薄膜（SPP-TP-f5.1/DPTFE）的结构（左上）、市售氟类离子薄膜（Perfluorosulfonic acid）的结构（左下）、以及两者质子电导率与燃料电池发电性能的比较（右）
图2：（A）～（H）：本研究开发的离子薄膜（SPP-TP-f5.1/DPTFE）与市售氟类离子薄膜的燃料电池发电性能的比较；（I）～（J）：离子薄膜（SPP-TP-f5.1/DPTFE）的耐久性试验结果
今后，还需要在各种方法和条件下进行反复评估，以确认增强膜（SPP-TP-f5.1/DPTFE）的优异特性。另外，由于本研究开发的部分氟化方法可以适用于其他高分子系统，因此不仅限于本次开发的复合膜，还有可能与其他多孔增强材料进行组合，从而不仅确保固体高分子燃料电池的高温低湿度运行，并希望在此基础上进一步提出控制离子薄膜各种物理特性的分子设计方针。
翻译：李释云
审校：李 涵
贾陆叶
统稿：李淑珊
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