Исследовательская группа из Шанхайского университета Цзяо Тун опубликовала в Science Advances революционное исследование, разработав короткоцепочечную перфторсульфоновую кислотную протонообменную мембрану (SSC-PFSA) и успешно создав ионную канальную структуру типа «поток-резервуар». Это значительно повышает производительность топливных элементов в условиях высокой температуры и низкой влажности, предлагая инновационное решение проблемы «эксплуатации при высокой температуре и низкой влажности» в индустрии топливных элементов.
I. Анализ структуры «поток-резервуар»
Используя технологию синхротронного излучения in situ, исследовательская группа в реальном времени наблюдала структурную эволюцию мембранного материала в процессе формирования плёнки, обнаружив ранее не наблюдаемую микроструктуру:
«Поток»: относится к крошечным ионным каналам диаметром приблизительно 2–3 нм, подобным капиллярам, чья основная функция заключается в обеспечении быстрого транспорта протонов, гарантируя высокую эффективность протонной проводимости.
«Резервуар»: относится к гидрофильным областям размером около 10 нм, способным адсорбировать и хранить большое количество воды, эффективно предотвращая обезвоживание мембраны в условиях высокой температуры и решая проблему управления водой в условиях высокой температуры и низкой влажности.
II. Впечатляющие данные производительности
По сравнению с традиционными мембранами Nafion, мембрана SSC-PFSA демонстрирует качественный скачок по нескольким ключевым показателям, как показано в таблице ниже:
|
Показатель |
Мембрана SSC-PFSA |
Мембрана Nafion |
Улучшение |
|---|---|---|---|
|
Протонная проводимость (95% ОВ) |
193 мСм/см |
~150 мСм/см |
~28% |
|
Протонная проводимость (40% ОВ) |
40 мСм/см |
~20 мСм/см |
~100% |
|
Температура стеклования |
134°C |
106°C |
Значительно выше |
|
Плотность мощности (110°C, 25% ОВ) |
0,279 Вт/см² |
0,153 Вт/см² |
82,3% |
III. Основные причины превосходной производительности
- Более высокая ионообменная ёмкость: Короткоцепочечная структура позволяет достичь более плотного распределения сульфоновых групп, эффективно усиливая способность к протонной проводимости.
- Улучшенная механическая и термическая стабильность: Высокомолекулярный вес и кристаллизационное поведение укрепляют мембрану, а температура стеклования значительно выше, чем у традиционных мембран.
- Низкая энергия активации для переноса протонов: Энергия активации составляет 0,069 эВ, что ниже 0,084 эВ у мембран Nafion, указывая на более легкое движение протонов и более высокую проводимость.
- Отличная способность управления влагой: Скорость поглощения воды на 93% выше, чем у мембран Nafion, эффективно балансируя влажность, чтобы избежать высыхания или затопления мембраны.
IV. Широкие перспективы применения и отраслевое значение
Эта технология подходит не только для топливных элементов автомобилей, но и демонстрирует большой потенциал в сценариях с высокими температурами и мощностью, таких как грузовики, дроны и резервные источники питания. Исследовательская группа разработала одиночную батарею с плотностью мощности 1,588 Вт/см², достигнув верхнего уровня текущих топливных элементов на основе PFSA.
Появление мембраны SSC-PFSA представляет собой полный прорыв в области топливных элементов, от "структурного проектирования" до "реализации производительности." Его значимость заключается в трех аспектах: во-первых, модель "потока-резервуара" предлагает новый парадигму для последующего проектирования материалов, доказывая, что микроструктура определяет макропроизводительность; во-вторых, методы in situ, такие как синхротронное излучение, ключевы для раскрытия "черного ящика" процесса формирования пленки; в-третьих, интеграция промышленности, академии и исследований ускорит переход лабораторных достижений к индустриализации, продвигая отрасль топливных элементов к новому этапу развития.
