科学家正努力给燃料电池建“高速公路”

或许有一天，我们的手机或笔记本电脑的电池不再靠充电而是加“燃料”，待机时间可以数倍增加，性能也会更好。这看起来似乎有点不可思议，而这种可以随时随地添加“燃料”的电池正是关系到国计民生的可再生能源领域的重点研究方向之一。天津大学机械学院内燃机燃烧学国家重点实验室外籍教授迈克尔·盖佛（Michael D. Guiver）与尹燕副教授的一项研究成果有望将这一设想向前推进。

目前该研究团队已成功制备出一种新颖的取向型复合质子交换膜，具有在膜的透过面方向定向排列的质子通道。将这种质子交换膜应用于燃料电池时，如同在电池内部构建起一条“高速公路”，实现了质子的短路径高效传输，极大地提高了质子交换膜燃料电池的功率输出。

人类正处于一个能源变革的时代。燃料电池被誉为继火力、水力、核动力之后第四代电力开发技术，是一种快捷可靠的能量转换装置，可以直接将燃料的化学能转化为电能。

近年来，有关质子交换膜燃料电池的研究成果被广泛应用于日常生活、科技产品、国防建设等诸多方面，如手机和笔记本电脑等便携式电子设备，电动汽车，区域发电站，潜艇、航天飞机的电源。质子交换膜燃料电池已经向世界展现出极大的应用价值和开发前景。

质子在交换膜中传导时，路径越短越省时，省时意味着高效，高效则连接着成本和性能。如果能够在质子交换膜内构建沿着膜透过面方向排列的无曲折、短路径质子通道，质子传输的效率就会大幅度提高。受此启发，与通常制备质子交换膜时使用的溶液浇铸制膜法不同，迈克尔·盖佛与尹燕副教授团队在制膜过程中加入磁场的辅助，利用铁氰配位聚合物和磷钨酸形成的顺磁性复合体，在质子交换膜的透过面方向构建了取向型短路径高效质子传输通道。

可喜的是，通过铁氰配位聚合物和磷钨酸的复合，该制膜方法同时解决了水溶性的磷钨酸在聚合物基体中容易渗出的科学难题。

此外，通过铁氰配位聚合物中铁氰基团的氧化还原循环，该质子交换膜能够在电池运行中不断消耗系统内的自由基，使得膜的应用耐久性得到提升。与现有的其他碳氢系质子交换膜和作为工业标准的Nafion 212膜相比，这种取向型质子交换膜在质子电导率、燃料电池能量输出和使用寿命方面具有更明显的优势和潜力。

相关成果论文于2019年2月19日在《自然-通讯》在线发表。博士后刘鑫为第一作者，迈克尔·盖佛教授与尹燕副教授为共同通讯作者，天津化学化工协同创新中心和天津工业大学省部共建分离膜与膜过程国家重点实验室为合作单位。