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1克仅需20元!华南理工大学最新研究有望助力高性能燃料电池“中

作者: admin 来源: 未知 时间: 2019-08-12 阅读:

  近日,记者从华南理工大学华南软物质科学与技术高等研究院了解到,该院殷盼超教授课题组近期关于质子导电机理的研究取得新突破,其制备的电解质材料在保持高导电率的同时还具备良好的力学性能和加工性能,并且极大地降低了生产成本。据介绍,这项研究成果将有助于我国自主研发低成本、可量产、高性能的燃料电池。殷盼超期望这项技术能够尽快完善并与市场对接,早日实现高性能燃料电池“中国制造”。

  燃料电池是一种将燃料与氧化剂的化学能通过电化学反应直接转化成电能的发电装置。清洁、高效、自重轻等优点使其在国防、电动车、航天和民用的移动电站、计算机与通信、分离电源、潜艇等众多领域具有非常大的应用前景和市场潜力。

  目前最主要的燃料电池类型是质子交换膜燃料电池,受到市场的广泛关注。质子交换膜作为其核心部件,不仅仅是电池阴阳极的隔膜,还承担着传导质子的重任。开发低成本、高电导率并具有良好力学性能的质子导体材料对于燃料电池的发展非常关键。

  抓住了问题的“牛鼻子”之后,华南理工大学华南软物质科学与技术高等研究院殷盼超教授课题组另辟蹊径,采取高分子物理和中子散射技术来指导材料合成,取得了意想不到的成果。他们经过两年的刻苦攻关,在质子导电机理研究工作的基础上,创造性地将聚乙二醇与多金属氧酸盐复合,通过氢键构筑了稳定的三维网络结构,实现了质子的有效传递。

  最难能可贵的是,该项研究能够在保证质子交换膜高电导率、优良力学性能的基础上,大大降低市场上现有质子交换膜燃料电池的成本,经过课题组测算,可以实现从800 美元/㎡降到20 元人民币/g,对中国燃料电池工业技术发展具有很强的推动作用。目前,这项研究成果相继于2018年和2019年被国际著名期刊The Journal of Physical Chemistry Letters和Chemical Science封面选用。

  2017年华南理工大学成立华南软物质科学与技术高等研究院,殷盼超决定回国加盟。他在国外高分子科学与工程科研领域已经颇有探索成果,来到华南理工大学之后,他也真切地感受到广东高端科研水平的提升。他举例说,位于东莞的中国散裂中子源为团队的研究提供了很大的便利,为科研创新提供了重要基础。

  “练武要先修炼内力,出拳才能快准狠。990033com免费六肖”殷盼超拥有交叉学科背景,他在带领团队做新材料合成的时候,也总能有新思路新路径。在本次质子导体材料的研发过程中,团队实现了三大成果。

  第一大成果,电导率达到公认商业化水平。通过研究温度、多酸含量对聚乙二醇-多酸纳米复合材料电导率的影响,团队发现在该复合材料中,多酸充当了质子的“供应站”和“中转站”,质子通过聚乙二醇链的运动实现有效传递,电导率在353 K可达1.01 10-2 S cm-1,这个数值接近目前业内公认的商业化质子导体材料的要求。

  第二大成果,实现较强的可加工性。电池的安全问题是人们目前关注的焦点,同时保证电解质材料的安全性和可加工性是目前聚合物电解质面临的一大难题。在此项研究中所制备的聚乙二醇-多酸电解质导体材料,拥有独特的“剪切变稀”行为:静态或低剪切下,PEG400-70%PW12粘度高达273 Pas,样品表现为固体的性质,不具有流动性,保证了其作为电解质使用时的安全性;高剪切下,复合材料粘度为100 ~ 10 Pas,样品表现出明显的流动行为,使其具有良好的加工性、封神榜论坛。与电极材料良好的相容性。

  第三大成果,也是最重要的成果,大大降低了制作成本。该聚乙二醇-多酸纳米复合材料所用的原料,都是常见于工业催化剂和药品的材料,而且都已实现量产,价格便宜。目前基于该课题组实验室的各项成本,制备1 g的PEG400-70%PW12质子导体材料成本价格仅为20元人民币左右,对其进行商业化生产是一个巨大的利好。

  在全球20家知名燃料电池公司中,欧洲公司有7个、美洲公司8个、亚洲公司5个。其中,中国仅有一家名为Horizon的公司登榜,这家公司的技术特点是用“从微型到多千瓦级”的质子交换膜燃料电池,加上自主研创的一种按需氢储存和生产方式(包括水解、点解)组合而成的技术方案。殷盼超说,这一系列的成果,使得我们对中国自主研发高性能燃料电池充满了信心,虽然实现目标仍然任重道远。

  殷盼超教授课题组通过中国汽车工业信息网官方数据比对后发现,国内外燃料电池技术还存在巨大差距,其中在膜电极、气体扩散层、隔膜、催化剂等工艺上,国内企业都处于测试或小规模生产阶段。

  燃料电池技术商业化在国外企业也并非一帆风顺。目前,质子交换膜燃料电池的成本是1000 – 2000 美元/kW,阻碍其进行商业化的最大问题是成本太高。据业内权威估算,为了与内燃机竞争,燃料电池的成本必须降到50 美元/kW。

  导致质子交换膜燃料电池成本居高不下的一个重要原因是商业化质子交换膜造价昂贵。目前,质子交换膜燃料电池中大量采用的是全氟磺酸型膜,这种材料在腐蚀环境中使用寿命可达50000小时,但复杂的制备工艺和较高的成本限制了它的发展。如果改用不完全氟化的膜材料,虽然可满足汽车应用的要求,工作时间达4500 h以上,但脱水后容易变脆的特点限制了其商业化应用。

  殷盼超对团队研制的新型膜材料充满信心。据介绍,未来他将带领团队对现有的质子导体材料做进一步完善,将其集成在燃料电池组件中测试其效率和稳定性。殷盼超说,希望这项技术能够尽快成熟,并尽早与市场进行对接,早日实现中国自主研发高性能燃料电池的梦想。

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