纳米纤维素与聚乙烯磺酸夹层材料提高燃料电池质子交换膜化学耐久性

研究进展 | 纳米纤维素（CNC）与聚乙烯磺酸（PVS）夹层材料提高燃料电池质子交换膜化学耐久性

引言：

I.Yang团队联合多国研究者在《Journal of Power Sources》（2025, 629:235833，5年平均影响因子8.4）发表研究，通过引入纳米纤维素（CNC）/聚乙烯磺酸（PVS）气体阻隔夹层，解决了聚合物电解质膜（PEM）化学降解难题，为重型燃料电池电动汽车（FCEV）提供长寿命的重要部件方案。

摘要：

延长聚合物电解质燃料电池（PEFC）的寿命是推动其在重型车辆（HDV）中应用的关键因素。PEFC性能随时间衰减的主要原因之一是聚合物电解质膜（PEM）的化学降解，这很大程度上由羟基自由基（•OH）或过氧化氢（H₂O₂）等活性氧物种（ROS）的生成引发——这些自由基会破坏聚合物结构，导致离子导电性下降，进而使电池运行过程中的内阻增大。

本研究表明，添加具有适宜气体阻隔性能的夹层可有效抑制活性氧物种生成，减缓膜变薄速率并延长电池寿命。研究发现，纳米纤维素（CNC）与聚乙烯磺酸（PVS）的共混物是理想的夹层复合材料，兼具低氧渗透性与合理的质子导电性。

通过开路电压（OCV）保持测试研究PEM的加速降解行为，结果证实，掺入CNC/PVS夹层后，电池寿命显著延长且重复性良好。事后分析显示，测试100小时后，含夹层PEM的阳极侧变薄速率仅为30 nm/h，而无夹层时这一数值为80 nm/h。

研究结果明确证实，在PEM中引入低氧渗透性的CNC/PVS夹层可抑制化学降解，显著提升PEFC的耐久性。该结果还表明，气体阻隔型PEM改善PEM化学耐久性的设计理念具有广泛适用性，有望助力开发使用寿命足以满足燃料电池电动汽车（FCEV，包括重型FCEV）高效应用需求的下一代器件。

聚合物电解质膜（PEM）表征

采用理学株式会社（Rigaku）的SmartLab 9 kW AMK X射线衍射仪（Cu Kα射线，波长1.54 Å）进行晶体结构表征；通过斯克里布纳联合公司（Scribner associates Incorporation）的MTS-740测试仪与索拉通公司（Solartron）的SI-1260测试仪测定质子传导率；借助GTR TEC GTR-11A气体渗透率测试仪开展气体渗透性能测试，具体测试方法如我们先前的研究所述。

尺寸稳定性、吸水率及广角X射线散射（WAXS）的相关描述详见支持信息。

结论

【(a)Nafion211DL与独立膜的 XRD 模式。(b)CNC、R1、R10和R100在湿润条件下的 WAXS 模式。在干燥条件下80℃进行的气体渗透性测试：(c)氢气，(d)氧气。(e)在不同相对湿度条件下，80℃时测得的Nafion211DL及不同CNC/ PVS 比的多层PEM质子电导率。】

本研究探究了引入高气体阻隔性能的CNC/PVS夹层对抑制PEM化学降解的作用。体外测试证实，添加该夹层可显著降低膜的气体渗透性，且不显著降低质子传导率；同时，本研究还探究了夹层厚度与组成的影响规律。

以CNC/PVS比例为100:1、面密度为1 mg/cm²（约5 μm）的夹层为中心，将其夹于两片商用Nafion 211膜间制备PEFC。开路电压（OCV）保持测试表明，与无夹层的双层Nafion 211膜相比，掺入该夹层后电池寿命延长1.6倍。事后分析显示，含夹层PEM的变薄速率显著降低。

本研究证实，在PEM中引入高气体阻隔性能的CNC/PVS夹层可抑制活性氧物种生成，显著提升电池耐久性。尽管此类多层PEM在实际系统中的应用仍面临部分挑战，但本研究结果有望为下一代PEFC的研发提供重要参考。此外，研究结果表明，气体阻隔型PEM的设计理念可广泛适用于多种材料体系。所实现的耐久性提升对重型燃料电池电动汽车尤为重要——该领域对耐久性有较高要求。

参考文献：

【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.