Un equipo de investigación de la Universidad Jiao Tong de Shanghai publicó un estudio innovador en Science Advances, desarrollando una membrana de intercambio protónico de ácido perfluorosulfónico de cadena lateral corta (SSC-PFSA) y construyendo exitosamente una estructura de canal iónico tipo "arroyo‐reservorio". Esto mejora significativamente el rendimiento de las celdas de combustible en condiciones de alta temperatura y baja humedad, proporcionando una solución innovadora al desafío de "operación a alta temperatura y baja humedad" en la industria de celdas de combustible.
I. Análisis de la Estructura "Arroyo‐Reservorio"
Utilizando tecnología de dispersión in situ con radiación sincrotrón, el equipo de investigación observó en tiempo real la evolución estructural del material de membrana durante la formación de la película, descubriendo una microestructura no vista anteriormente:
"Arroyo": Se refiere a pequeños canales iónicos con un diámetro de aproximadamente 2 a 3 nm, similares a capilares, cuya función principal es facilitar el transporte rápido de protones, garantizando una alta eficiencia en la conducción protónica.
"Reservorio": Se refiere a regiones hidrófilas de unos 10 nm de tamaño, capaces de adsorber y almacenar grandes cantidades de agua, evitando efectivamente la deshidratación de la membrana en ambientes de alta temperatura y resolviendo el problema de la gestión del agua en condiciones de alta temperatura y baja humedad.
II. Datos de Rendimiento Impresionantes
En comparación con las membranas tradicionales de Nafion, la membrana SSC‐PFSA logra un salto cualitativo en varios indicadores clave, como se muestra en la tabla a continuación:
|
Indicador |
Membrana SSC‐PFSA |
Membrana Nafion |
Mejora |
|---|---|---|---|
|
Conductividad Protónica (95% HR) |
193 mS/cm |
~150 mS/cm |
~28% |
|
Conductividad Protónica (40% HR) |
40 mS/cm |
~20 mS/cm |
~100% |
|
Temperatura de Transición Vítrea |
134°C |
106°C |
Significativamente Mayor |
|
Densidad de Potencia (110°C, 25% HR) |
0.279 W/cm² |
0.153 W/cm² |
82.3% |
III. Razones Principales del Rendimiento Superior
- Mayor Capacidad de Intercambio Iónico: La estructura de cadena lateral corta permite una distribución más densa de grupos sulfónicos, mejorando efectivamente la capacidad de conducción protónica.
- Estabilidad Mecánica y Térmica Mejorada: El alto peso molecular y el comportamiento de cristalización refuerzan el cuerpo de la membrana, con una temperatura de transición vítrea significativamente mayor que la de las membranas tradicionales.
- Menor Energía de Activación para el Transporte de Protones: La energía de activación es de ０．０６９ ｅＶ, inferior a los ０．０８４ ｅＶ de las membranas Nafion, lo que indica un movimiento de protones más fácil y una mayor eficiencia de conducción.
- Excelente Capacidad de Gestión del Agua: La tasa de absorción de agua es un ９３％ más rápida que la de las membranas Nafion, equilibrando eficazmente la humedad para evitar problemas de sequedad o inundación de la membrana.
IV. Amplias Perspectivas de Aplicación e Importancia Industrial
Esta tecnología no solo es adecuada para pilas de combustible de vehículos, sino que también demuestra un gran potencial en escenarios de alta temperatura y alta potencia, como camiones pesados, drones y fuentes de alimentación de respaldo. El equipo de investigación ha desarrollado una batería individual con una densidad de potencia de １．５８８ Ｗ／ｃｍ², alcanzando el nivel superior de las pilas de combustible actuales basadas en PFSA.
La aparición de la membrana SSC-PFSA representa un avance de cadena completa en el campo de las pilas de combustible, desde el "diseño estructural" hasta la "realización del rendimiento". Su importancia radica en tres aspectos: primero, el modelo "flujo-reserva" proporciona un nuevo paradigma para el diseño posterior de materiales, demostrando que la microestructura determina el rendimiento macro; segundo, técnicas de caracterización in situ como la radiación sincrotrón son clave para desbloquear la "caja negra" del proceso de formación de películas; tercero, la integración de la industria, la academia y la investigación acelerará la transición de los logros de laboratorio a la industrialización, impulsando la industria de las pilas de combustible hacia una nueva etapa de desarrollo.
