燃料电池是一种紧凑的能量转换装置，它利用氢等清洁能源，并通过一系列氧化还原反应将其转化为电能。具体来说，质子交换膜燃料电池(pemfc)是电动汽车不可或缺的一部分，它利用质子导电膜来运行。不幸的是，这些膜在高耐久性和高离子导电性之间存在权衡，影响了pemfc的使用寿命和性能。
为了解决这个问题，科学家们合成了化学和物理改性的全氟磺酸聚合物膜，如Nafion HP、Nafion XL和Gore-Select，这些膜已被证明比传统燃料电池中使用的未经改性的膜更耐用。
不幸的是，现有的质子导电膜都没有达到极具挑战性的技术目标，即通过美国能源部(DOE)设定的加速耐久性测试或化学和机械综合测试，以促进其在2025年之前用于汽车燃料电池。
现在，由早稻田大学和山梨大学的Kenji Miyatake教授领导的一组来自日本的研究人员已经为pemfc合成了新型的质子导电膜。他们的研究成果发表在《科学进展》杂志上，由早稻田大学和山梨县大学的刘方华博士和信州大学的金宜洙博士共同撰写。
研究人员使用部分氟化芳香离聚体(由离子交键稳定的热塑性树脂组成的聚合物材料)SPP - TFP-4.0 (SPP:磺化聚苯乙烯，TFP:双(三氟甲基)terphenylene)合成质子导电膜。
然后，他们利用推覆法用高孔隙率(78%)的静电纺、非织造和各向同性聚偏氟乙烯(PVDF)纳米纤维或多孔膨胀聚四氟乙烯(ePTFE)来增强离聚体。合成的复合膜SPP-TFP-4.0-PVDF和SPP-TFP-4.0-ePTFE的厚度分别为14µm和16µm。
研究人员对这些质子导电膜进行了各种各样的测试，并证明了PVDF增强膜的优越性。Miyatake表示:“在燃料电池运行和120℃高温和30%低相对湿度下的原位化学稳定性方面，它优于最先进的化学稳定和物理增强全氟化Nafion XL膜。”
在开路电压条件下频繁干湿循环的加速耐久性测试中，SPP-TFP-4.0-PVDF膜显示出148,870次循环或703小时的长寿命，是DOE目标的7倍以上。此外，它具有高的化学稳定性，降解小，在各种湿度水平下稳定的破裂能，在80℃相对湿度为0 - 60%时高度稳定的机械性能，以及在高温(100 - 120℃)下优异的燃料电池性能。
实际上，这种基于芳香族聚合物的增强质子导电膜满足了美国能源部对未来汽车燃料电池的目标，提供了一种有利可图的替代方案。因此，该研究可以为具有高温可操作性和耐久性的pemfc铺平道路。“因此，基于燃料电池的电动汽车可能会变得更强大、更实惠。这也将有助于实现以氢为基础的无碳社会，”Miyatake总结道。
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