应对环境挑战的一种新方法是开发强大的氢燃料电池并将其商业化。这些电池包含聚合物电解质膜，充当电极(使电流能够流过物质的导体)之间的屏障。该膜传导质子，但抑制电子、氢分子和氧分子的运动。
当车辆加速或减速时，燃料电池的运行不一致，导致产水量变化并导致膜膨胀和收缩。随着时间的推移，重复变形会导致裂纹的形成，加速氢通过膜的意外传输，最终导致运行故障。
用于解决这些裂纹的一些方法包括自由基清除剂和碳氢化合物电解质膜。然而，虽然这些方法提供了一些防御，但它们不能完全阻止这些裂纹的形成和传播。
现在，在《先进材料》杂志上发表的一项最新研究中，由仁川国立大学的SangMoonKim副教授和哈佛大学的ZhugangSuo教授领导的研究小组开发出了一种耐疲劳的聚合物电解质膜。
Kim博士表示：“为了确保燃料电池长期稳定运行，有必要开发一种具有高抗重复疲劳失效能力的电解质膜，以反映燃料电池的实际运行环境和退化过程。在我们的研究中，我们利用互穿网络来有意分散重复性压力。”
在这项研究中，研究人员创建了一类抗疲劳电解质膜，由Nafion和全氟聚醚(PFPE)的互穿网络组成。Nafion是一种常用的塑料电解质，具有质子传导特性，而PFPE则形成耐用的橡胶状聚合物网络。橡胶的加入会略微降低电化学性能，但会显着提高疲劳阈值和使用寿命。
生产的膜含有不同含量的PFPE;其中，饱和度为50%的材料表现出良好的电化学性能。
与原来的Nafion相比，这种Nafion-PFPE膜将疲劳阈值提高了175%，并将燃料电池的寿命延长了1.7倍。此外，未改性的Nafion膜的使用寿命为242小时，而复合膜的使用寿命为410小时。这些结果共同表明，加入橡胶网络会适度降低电化学性能，但会显着提高抗疲劳性和整体寿命。
这项研究在不同的应用中具有相当大的意义。引入具有稳定性、耐用性和性能的燃料电池系统有可能为各行业的创新铺平道路。除了燃料电池汽车领域之外，它还可以影响无人机、个人飞行器、备用电源、叉车、自行车、踏板车等先进技术的发展。
“此外，增强抗疲劳性的策略可以扩展并应用于离子过滤器、电池隔膜和驱动系统。这使得在高耐用性、长寿命的海水淡化过滤器、液流电池隔膜、锂金属电池隔膜、和人造肌肉，”金博士说。