研究進展 | 納米纖維素（CNC）與聚乙烯磺酸（PVS）夾層材料提高燃料電池質(zhì)子交換膜化學(xué)耐久性

引言：

I.Yang團隊聯(lián)合多國研究者在《Journal of Power Sources》（2025, 629:235833，5年平均影響因子8.4）發(fā)表研究，通過引入納米纖維素（CNC）/聚乙烯磺酸（PVS）氣體阻隔夾層，解決了聚合物電解質(zhì)膜（PEM）化學(xué)降解難題，為重型燃料電池電動汽車（FCEV）提供長壽命的重要部件方案。

摘要：

延長聚合物電解質(zhì)燃料電池（PEFC）的壽命是推動其在重型車輛（HDV）中應(yīng)用的關(guān)鍵因素。PEFC性能隨時間衰減的主要原因之一是聚合物電解質(zhì)膜（PEM）的化學(xué)降解，這很大程度上由羥基自由基（•OH）或過氧化氫（H?O?）等活性氧物種（ROS）的生成引發(fā)——這些自由基會破壞聚合物結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致離子導(dǎo)電性下降，進而使電池運行過程中的內(nèi)阻增大。

本研究表明，添加具有適宜氣體阻隔性能的夾層可有效抑制活性氧物種生成，減緩膜變薄速率并延長電池壽命。研究發(fā)現(xiàn)，納米纖維素（CNC）與聚乙烯磺酸（PVS）的共混物是理想的夾層復(fù)合材料，兼具低氧滲透性與合理的質(zhì)子導(dǎo)電性。

通過開路電壓（OCV）保持測試研究PEM的加速降解行為，結(jié)果證實，摻入CNC/PVS夾層后，電池壽命顯著延長且重復(fù)性良好。事后分析顯示，測試100小時后，含夾層PEM的陽極側(cè)變薄速率僅為30 nm/h，而無夾層時這一數(shù)值為80 nm/h。

研究結(jié)果明確證實，在PEM中引入低氧滲透性的CNC/PVS夾層可抑制化學(xué)降解，顯著提升PEFC的耐久性。該結(jié)果還表明，氣體阻隔型PEM改善PEM化學(xué)耐久性的設(shè)計理念具有廣泛適用性，有望助力開發(fā)使用壽命足以滿足燃料電池電動汽車（FCEV，包括重型FCEV）高效應(yīng)用需求的下一代器件。

聚合物電解質(zhì)膜（PEM）表征

采用理學(xué)株式會社（Rigaku）的SmartLab 9 kW AMK X射線衍射儀（Cu Kα射線，波長1.54 ?）進行晶體結(jié)構(gòu)表征；通過斯克里布納聯(lián)合公司（Scribner associates Incorporation）的MTS-740測試儀與索拉通公司（Solartron）的SI-1260測試儀測定質(zhì)子傳導(dǎo)率；借助GTR TEC GTR-11A氣體滲透率測試儀開展氣體滲透性能測試，具體測試方法如我們先前的研究所述。

尺寸穩(wěn)定性、吸水率及廣角X射線散射（WAXS）的相關(guān)描述詳見支持信息。

結(jié)論

【(a)Nafion211DL與獨立膜的 XRD 模式。(b)CNC、R1、R10和R100在濕潤條件下的 WAXS 模式。在干燥條件下80℃進行的氣體滲透性測試：(c)氫氣，(d)氧氣。(e)在不同相對濕度條件下，80℃時測得的Nafion211DL及不同CNC/ PVS 比的多層PEM質(zhì)子電導(dǎo)率。】

本研究探究了引入高氣體阻隔性能的CNC/PVS夾層對抑制PEM化學(xué)降解的作用。體外測試證實，添加該夾層可顯著降低膜的氣體滲透性，且不顯著降低質(zhì)子傳導(dǎo)率；同時，本研究還探究了夾層厚度與組成的影響規(guī)律。

以CNC/PVS比例為100:1、面密度為1 mg/cm2（約5 μm）的夾層為中心，將其夾于兩片商用Nafion 211膜間制備PEFC。開路電壓（OCV）保持測試表明，與無夾層的雙層Nafion 211膜相比，摻入該夾層后電池壽命延長1.6倍。事后分析顯示，含夾層PEM的變薄速率顯著降低。

本研究證實，在PEM中引入高氣體阻隔性能的CNC/PVS夾層可抑制活性氧物種生成，顯著提升電池耐久性。盡管此類多層PEM在實際系統(tǒng)中的應(yīng)用仍面臨部分挑戰(zhàn)，但本研究結(jié)果有望為下一代PEFC的研發(fā)提供重要參考。此外，研究結(jié)果表明，氣體阻隔型PEM的設(shè)計理念可廣泛適用于多種材料體系。所實現(xiàn)的耐久性提升對重型燃料電池電動汽車尤為重要——該領(lǐng)域?qū)δ途眯杂休^高要求。

參考文獻：

【1】Yang I, Gautama Z A R, Hutapea Y A, et al. Improved chemical durability in polymer electrolyte membranes with nanocellulose-based gas barrier interlayers[J]. Journal of Power Sources, 2025, 629:235833. 

【2】Gautama Z A R, Hutapea Y A, Hwang B, et al. Suppression of radical attack in polymer electrolyte membranes using a vinyl polymer blend interlayer with low oxygen permeability[J]. Journal of Membrane Science, 2022, 658:120734.

【3】Bayer T, Cunning B V, Selyanchyn R, et al. High temperature proton conduction in nanocellulose membranes: paper fuel cells[J]. Chemistry of Materials, 2016, 28:4805-4814.