据外媒报道，日本名古屋大学（Nagoya University）研究人员公布了新型燃料电池电解质设计概念。这一创新概念利用带有烃类间隔基团（spacers）的膦酸聚合物，使燃料电池能够在高温（超过100℃）和低湿度条件下有效运行，从而解决了阻碍燃料电池广泛使用的关键问题。

（图片来源：名古屋大学）

燃料电池通过氢和氧的电化学反应来产生电能，同时只排放水，在清洁能源领域占据重要地位。然而，燃料电池中经常使用全氟磺酸聚合物，这种全氟和多氟烷基物质（PFAS）存在于环境中并在生物体内积累，促使许多国家采取监管措施。

与PFAS不同，膦酸烃类聚合物（phosphonic acid hydrocarbon polymers）中不含氟，不太可能持续存在于环境中。在高温和低湿度条件下，这些聚合物也表现出适度的化学稳定性。尽管具有这些优点，但膦酸基团（phosphonic acid groups）的导电性差和亲水性限制了它们的使用，可能导致其在潮湿环境中溶解。

为了克服这些挑战，研究人员在膦酸烃类聚合物的聚合物主链和膦酸基团之间引入疏水间隔基团，使其即使在高温和低湿度下也能保持水不溶性、化学稳定性，以及适当的导电性。此外，疏水间隔基团能够有效地排斥水，从而确保材料稳定性。

与无疏水间隔基团的聚苯乙烯膦酸膜和市售交联磺化聚苯乙烯膜相比，新膜在热水中的水不溶性明显提高。研究负责人Atsushi Noro表示，在120℃和20%相对湿度条件下，所开发膜的导电性比聚苯乙烯膦酸膜高40倍，比交联磺化聚苯乙烯膜高4倍。寻找一种能够在低湿度和高温条件下运行的燃料电池，将为燃料电池汽车提供诸多优势：

• 首先，燃料电池电极上的反应在更高的温度下进行得更快，从而增强燃料电池的整体性能，并提高发电效率；

• 其次，电极的一氧化碳中毒减少。因为氢燃料中的微量一氧化碳可能在较低温度下吸附在催化剂上，但在较高温度下则不会；

• 第三，在高温下可以更有效的散热，对燃料电池有益。这可以简化冷却系统设计，无需外部加湿，从而使系统更轻、更紧凑。

该研究中提出的电解质膜设计概念将有助于开发下一代燃料电池，从而支持向净零碳社会转变。研究人员已提交了与所提议设计理念相关材料的专利申请。