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據(jù)外媒報道，在日本新能源產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合開發(fā)機構(gòu)（NEDO）委托的一個項目中，名古屋大學(xué)（Nagoya University）的研究人員開發(fā)了具有高密度磺酸基團的聚苯乙烯磺酸基聚合物電解質(zhì)膜（PEM）。


環(huán)保型聚合物電解質(zhì)燃料電池的關(guān)鍵部件之一是PEM。這種電池通過氫氣和氧氣的反應(yīng)產(chǎn)生電能，可用于燃料電池汽車（FCV）和燃料電池熱電聯(lián)產(chǎn)（CHP）系統(tǒng)。

最有名的PEM是全氟磺酸聚合物基薄膜，如杜邦公司（DuPont）在1960年代開發(fā)的Nafion，在70-90℃和加濕的條件下質(zhì)子電導(dǎo)率為0.1 S/cm。在這些條件下，質(zhì)子可以從磺酸基團中釋放出來。在這種膜中，通常依靠質(zhì)子、磺酸基團和水分子之間的質(zhì)子傳輸機制來傳導(dǎo)質(zhì)子。通常情況下，膜中磺酸基團的密度越高，從磺酸基團中釋放出來的質(zhì)子密度就越高。基本上來說，磺酸基團的密度越高，質(zhì)子電導(dǎo)率越高。

然而，使用傳統(tǒng)合成工藝，很難合成具有高密度磺酸基團的質(zhì)子交換膜。例如，在聚苯乙烯磺酸基PEM中，為了提高磺酸基團的密度，必須長時間或在嚴苛的條件下進行磺化反應(yīng)。這通常需要使用高氧化性物質(zhì)，如發(fā)煙硫酸和氯磺酸，由此會產(chǎn)生不良的副反應(yīng)，例如聚合物主鏈斷裂。因此，在聚合物合成過程中，為了避免發(fā)生不必要的副反應(yīng)，所合成的商用PEM通常具有低密度磺酸基團。就商用Nafion或聚苯乙烯磺酸基PEM（例如旭硝子的Selemion離子膜）而言，離子交換容量（IEC，即酸基密度指數(shù)）通常小于1.0 meq./g。

名古屋大學(xué)工程學(xué)研究生院和名古屋大學(xué)未來社會創(chuàng)新研究所（Institutes of Innovation for Future Society）Atsushi Noro等人開發(fā)了具有超高密度磺酸基團的聚苯乙烯磺酸基PEM。該PEM的IEC為5.0 mequiv./g，比常規(guī)商用PEM（如Nafion或Selemion）高5倍。在聚合物電解質(zhì)燃料電池的常用操作條件（90%RH和80℃）下，其質(zhì)子電導(dǎo)率為0.93 S/cm。在相同的測量條件下，比Nafion（0.15 S/cm）或Selemion（0.091 S/cm）的電導(dǎo)率高6倍。

未來的燃料電池將在更惡劣的操作條件下運行，如溫度更高、濕度更低。這項研究將有助于下一代合成和開發(fā)高性能PEM，在如此惡劣的條件下，其電導(dǎo)率可達到或超過0.1 S/cm。這項研究還將有助于實現(xiàn)凈零碳社會的目標。

原標題： 名古屋大學(xué)開發(fā)超高密度磺酸聚合物電解質(zhì)膜 可用于燃料電池