客观日本

全球首次!山梨大学开发出可反复充放电的全高分子型燃料电池

2020年10月19日 电子电气

本文根据早稻田大学公布的研究成果资料编译而成

日本山梨大学清洁能源研究中心兼早稻田大学理工学术院的宫武健治教授、山梨大学清洁能源研究中心的三宅纯平副教授、早稻田大学理工学术院的小柳津研一教授以及日本学术振兴会的特别研究员冈弘树(早稻田大学先进理工学研究科硕博硕连读4年级学生)等人组成的研究团队,全球首次开发出了采用能可逆地吸附和解吸氢的塑料膜的充电式燃料电池——“全高分子型可充电燃料电池”。

关于固体高分子型燃料电池(简称PEFC),汽车领域是通过高压氢燃料罐供应氢,家用领域则是通过对城市燃气(甲烷)进行水蒸气改质来供应氢,在便携性、安全性和能源成本方面都还存在课题。此次研究成功开发出了无需使用氢燃料罐和改质反应装置,安全、可以反复充放电且方便携带的PEFC。试制品在恒定的电流密度(1mA/cm2)下,最长可发电约8分钟,能反复充放电50次。今后,通过提高和优化构成材料的性能以及改善耐久性等,有望作为手机和小型电子器件等移动产品的电源使用。

研究背景

作为目前的PEFC使用的储氢供氢系统,汽车领域使用高压氢燃料罐,家用领域使用对城市燃气进行水蒸气改质来制氢的装置,在便携性、安全性和能源成本方面存在课题。为了扩大PEFC的应用范围,业界研究了各种储氢材料。

储氢合金(LaNi5、Mg2Ni等)是一类常见的储氢材料有,其缺点是,虽然单位体积的储氢量比较多,但单位重量的储氢量较少。此外还有有机类储氢材料,如有机氢化物(甲基环己烷等),虽然单位体积和单位重量的储氢量都比较多,但具有挥发性、可燃性和毒性。因此需要开发更加安全且储藏密度更大的储氢材料。作为高分子类储氢材料,小柳津教授等人2016年成功开发出了可成型为塑料膜的酮聚合物,并验证了氢吸附和解吸性能(Nat. Commun. 7, 13032(2016))。不过,此前一直没有开发出将该塑料膜作为储氢供氢介质使用的燃料电池器件。

研究成果

此次,研究团队设计了将塑料膜嵌入电池单元内侧作为储氢供氢介质的全高分子型可充电燃料电池,并验证了其工作原理。

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图1:此次研究开发的全高分子型可充电燃料电池的概念图。通过内置由聚酮制成的可吸附和解吸氢的塑料膜(HSP),能实现体积小且安全的充电式燃料电池。

新开发的方法

研究团队此次设计并制作的燃料电池在阳极侧内置了酮聚合物膜,为了顺利促进氢吸附和解吸反应,该酮聚合物膜浸渍了铱(Ir)基络合物。通过反复实施随着氢解吸而进行的燃料电池发电和氢吸附(相当于充电),评估了可充电燃料电池的性能和循环特性。

通过评价和比较质子导电性高分子膜(以下简称PEM)采用两种气体渗透系数大不相同的材料的可充电燃料电池,发现PEM的气体阻隔性是有效提高可充电燃料电池性能的因素之一。

本次研究全球首次开发出了可反复充放电的“全高分子型可充电燃料电池”。在恒定的电流密度(1mA/cm2)下,最长可发电约8分钟,能反复充放电50次。

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图2:在恒定的电流密度下可以稳定充放电50次。与采用气体渗透系数比较大的Nafion膜时相比,PEM采用系数比较小的SPP-QP膜时能获得更高的性能(发电时间比较长)。

研究的波及效应

现有锂离子二次电池的性能和耐久性日益提高,但锂资源有限,而且无法消除起火的危险。此次开发的可充电燃料电池可以利用来自多种氢源的氢,也不存在安全风险。将来通过提高和优化构成材料的性能及改善耐久性等,有望作为手机和小型电子器件等移动产品的电源使用。

未来课题

今后的研究方向是设法提高塑料膜的储氢量、放氢反应速度以及PEM的质子导电率和稳定性,实现在高电流密度下也能长时间发电的创蓄电器件。

论文信息
题目:Rechargeable proton exchange membrane fuel cell containing an intrinsic hydrogen storage polymer
期刊:Communications Chemistry
URL:nature.com/articles/s42004-020-00384-z

研究成果发布资料
编译:JST客观日本编辑部

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