要点

✦使用能够可逆地吸放氢气的塑料薄膜，开发出了世界首个可反复充放电的便携式全聚合物燃料电池。
✦证实了其在一定电流密度下最长可发电8分钟左右，且可反复充放电循环50次。
✦没有起火的危险，且重量轻，具有出色的便携性，因此可以应用于移动设备等。

由AIpatent认证专家库成员（欲知详情可联络support@aipatent.com）等人组成的研究小组，使用能够可逆地吸放氢气的塑料薄膜，开发出了世界首个充电式燃料电池“可充电全聚合物燃料电池”。

固体聚合物燃料电池（以下称PEFC）^※1用于汽车时通过高压储氢罐供氢，家用时通过城市天然气（甲烷）水蒸气重整^※2来供氢，但在便携性、安全性和能源成本方面还存在诸多问题。

本研究成功开发出无需储氢罐和重整反应装置且安全可反复充放电的便携式PEFC。其在一定电流密度（1mA/cm²）下最长可发电8分钟左右，且可反复充放电循环50次。未来，通过组成材料的高性能化 · 最优化以及提高耐久性等，有望将其用于手机、小型电子设备等移动设备的电源。

本研究成果于2020年10月9日（周五）上午10点（英国时间）在Nature系列杂志《Communications Chemistry》线上发表。

1. 先行研究

在近几年能源·环境问题的背景下，全世界范围内正在大力开展有关清洁高效的能源转换装置的开发。其中，PEFC已在汽车驱动用电源、家用电源等中得到实际应用，并且有望在未来普及到其他领域。

作为当前PEFC使用的氢储存供给系统，用于汽车时通过高压储氢罐供氢，家用时通过城市天然气水蒸气重整装置制氢，但在便携性、安全性和能源成本方面还存在诸多问题。因此，为了扩大PEFC的应用领域，需持续研发各种储氢材料。

众所周知的储氢材料有储氢合金（LaNi₅、Mg₂Ni等），虽然其单位体积的储氢量很大，但其单位重量的储氢量很小；有机氢化物（甲基环己烷等）作为有机材料，其单位体积和单位重量的储氢量都很大，但由于其挥发性、易燃性和毒性的特点，因此需要更安全且储存密度更大的储氢材料。2016年，已有研究者成功开发出可制成塑料薄膜的酮聚合物，并将其用作高分子类储氢材料，并证实该材料具有吸放氢气的功能。然而，尚未有人将这种塑料薄膜用作氢储存供给介质以开发燃料电池装置。

2. 本研究的新发现与研究成果

本研究小组设计了一种可充电全聚合物燃料电池，其中，将塑料薄膜嵌入电池内部以用作氢储存供给介质，并证明了其原理。

图1：本研究开发的可充电全聚合物燃料电池的概念图。由于内置了由酮聚合物制成的可吸放氢气的塑料薄膜（HSP），因此可以制成小型且安全的充电式燃料电池。

3. 新开发的工艺

为了促进吸放氢反应的顺利进行，研究小组设计并制造了一种燃料电池，在阳极内置有经铱（Ir）基络合物含浸处理过的酮聚合物薄膜。通过反复进行氢解吸（燃料电池发电）和氢吸附（相当于充电）过程来评估可充电燃料电池的性能和循环特性。

使用两种透气系数显著不同的材料用作可充电燃料电池的质子传导聚合物薄膜（以下称PEM）^*3，并对两者进行评估和比较，结果发现：PEM的气体阻隔性是提高可充电燃料电池性能的有效因素之一。

本研究开发出世界首个可反复充放电的“可充电全聚合物燃料电池”。其在一定电流密度（1mA/cm²）下最长可发电8分钟左右，且可反复充放电循环50次。

图2：在一定电流密度下，可稳定反复充放电50次。用作PEM时，透气系数较小的SPP-QP膜比透气系数较大的Nafion膜具有更高的性能（更长的发电时间）。

4. 本研究的意义和社会影响

目前，锂离子二次电池的性能和耐久性正逐渐提高，但是锂资源有限，且其潜在的起火危险无法消除。本研究开发的可充电燃料电池能够使用来自各种氢源的氢气，且没有安全风险，因此，通过组成材料的高性能化 · 最优化以及提升耐久性等，有望用作手机、小型电子设备等移动设备的电源。

5. 今后的课题

今后，将明确方法，以提高塑料薄膜储氢量和氢释放反应速率，提升PEM的质子电导率和传导稳定性，制造出即使在高电流密度下也能长时间发电的发电·蓄电装置。

6. 研究人员的评价

当前的PEFC无法充电，也无法像二次电池那样容易携带。锂离子二次电池虽然具有体积小、重量轻、性能高且便利等优点，但由于其有起火风险，因此使用受限。与之相比，采用本方法制得的可充电燃料电池，任何人都可以安全地将其携带到任何地方，并且还能作为可反复使用的发电装置。

本成果仍在开发中，存在发电时间短和电压损失的问题，但是本成果在成功证实了兼具二次电池和燃料电池特性的“可充电全聚合物燃料电池”的原理，具有重大意义。今后，研究小组将通过各组成材料的高性能化 · 最优化，探索可充电燃料电池作为下一代能源装置的可能性。

7. 注释

※1 固体聚合物燃料电池（PEFC）

一种使用质子交换膜（PEM）作为电解质的燃料电池。与其他燃料电池相比，具有工作温度低、容易启停、全固体，且安全性高、易于维护、输出密度高、体积小、重量轻等特点。

※2 水蒸气重整

使碳氢化合物和水蒸气在高温下反应以生成氢气的反应。家用燃料电池内置从城市燃气的主要成分甲烷中制得氢气的重整反应装置。

※3 质子交换膜（PEM）

具有质子导电性的聚合物膜。用于PEFC时，通常要求厚度约为10-30μm，且具有质子导电性、稳定性（化学、机械、热）、气体（氢、氧）阻隔性等功能。

世界首个可反复充放电的全聚合物燃料电池！使用能够可逆地吸放氢气的塑料薄膜