最有前途的清洁能源技术之一变得更好。特拉华大学的研究人员开发出了最强大，最耐用的氢氧化物交换膜燃料电池组件，他们最近在Nature Energy杂志上对此进行了描述。关键成分?由聚(芳基哌啶鎓)聚合物制成的膜。
燃料电池通过将化学能转化为电能而起作用，并且它们是环保车辆的有前途的动力源。市场上已经存在一些燃料电池汽车，包括丰田Mirai，本田Clarity和现代Nexo，全球正在开发更多的燃料电池汽车。汽车中的燃料电池需要使用昂贵的催化剂材料，通常是铂，以加速内部的化学反应。这些被称为质子膜交换燃料电池，它们包含由氟化聚合物材料制成的膜。
近二十年来，化学与生物分子工程杰出工程教授严玉山一直致力于开发不需要铂催化剂的燃料电池，而是采用更便宜的金属，如银或镍。这些燃料电池含有氢氧化物交换膜，可将燃料电池内的环境从酸性(目前的标准)转变为碱性。燃料电池的膜决定了内部的pH值。
“通过从质子交换膜燃料电池转换为氢氧化物交换膜燃料电池，我们可以使元件更便宜，”Yan说。为了制造这些膜，Yan一直致力于开发最佳的可扩展材料。在这个项目中，Yan获得了UD的另一位电化学专家的专业知识 - 徐化军，化学与生物分子工程助理教授。
氢氧化物交换聚合物由长链或主链和具有带正电离子或阳离子的侧链组成。在Yan过去的工作中，氢氧化物交换膜中使用的侧链含有非常大的正阳离子，这使得它们稳定但阻碍了它们的导电性。另一方面，骨架材料便宜，但不够稳定。
“问题是：你如何创造一种新的聚合物，同时对于有机阳离子和骨架，以及一个小的阳离子?”严说。
该团队使用聚(芳基哌啶鎓)聚合物开发出具有良好性能的氢氧化物交换膜和离聚物，包括良好的离子传导性，化学稳定性，机械强度，气体分离和选择性溶解性。当团队在仅含极少量铂的系统中测试这些材料时，供给空气的燃料电池的峰值功率密度为920毫瓦/平方厘米，并以500平方毫安/平方的电流密度稳定运行。在95摄氏度的空气中厘米300小时。
对于高于90摄氏度的氢氧化物交换膜而言，这些是最好的功率和稳定性统计数据，并且最接近任何人已经达到了在汽车中使用该技术所需的5000个工作小时。
该团队开发了一系列聚合物，使该技术具有多种用途。“我们可以通过很多旋钮来提供不同的属性，”Yan说。“这是一种平台技术。”
该论文的第一作者是研究助理王俊华，自2011年以来一直致力于该项目。“为了实现这一发现，他必须非常耐心，”严说。“他是一位出色的科学家，非常有创造力和勤奋。”
UD团队还包括研究员Yun Zhao，博士后同事Brian P. Setzler，Santiago Rojas-Carbonell，Lan Wang，Keda Hu;博士生林诗和兼职教授Shimshon Gottesfeld。他们还与位于以色列的燃料电池公司Elbit Systems Limited的三位同事合作。