新经网燃料电池将诸如氢的燃料的化学能转化为电能。该技术非常高效且非常干净-水是唯一的废气。但是对于电动汽车或移动设备中的更广泛应用，需要低成本且高效且稳定的材料。燃料电池的核心部件是质子交换膜，其允许质子选择性地向阴极扩散，同时阻挡氧气和氢气。最常用的NAFIONTM膜仅在高湿度条件和低于90℃的温度下表现良好，因此限制了其效率和操作区域并增加了燃料电池成本。
最近，3M公司的燃料电池元件组开发了一种不同的低成本质子交换膜材料：全氟酰亚胺酸或PFIA已经广泛应用，但比NAFIONTM了解得多。尽管PFIA具有相同的机械稳定的疏水骨架，但其亲水侧链每个链含有比NAFIONTM多一个酸性位点。每个亲水侧链上的这些额外的酸性位点为质子转运提供了额外的质子，并允许形成更大的水通道。特别是PFIA膜中的水管理是令人感兴趣的，因为它对燃料电池的性能至关重要：为了起作用，它需要潮湿但从不湿润。
现在，HZB的一个科学团队分析了由3M提供的PFIA膜样品。他们在BESSYII中结合了红外光谱方法，并在不同温度和湿度条件下原位检测样品。通过统计分析和数据的高级数学评估，他们可以推断出与水损失相关的分子事件序列，并重建水在PFIA分子中的保留方式。“我们希望更好地了解质子交换膜纳米级水通道内的水的行为，特别是在向干燥器条件过渡期间，”该出版物的第一作者LjiljanaPuskar博士解释说。
实验数据显示，在低湿度条件下，NAFIONTM和PFIA之间的水管理存在巨大差异：“我们可以清楚地看到PFIA在保水性和吸水性方面都更好，”Puskar说。他们甚至可以推断出在干燥条件下PFIA膜中的水是如何保留的：PFIA的多个侧链非常适合承载水分子并促成氢键网络的构建。“这些实验提供了对PFIA膜保水能力的更好理解。
这对于进一步优化这种膜以将其操作区域扩展到更高的温度和低湿度非常有帮助，“Puskar说。她期待与3M的进一步合作项目。”这是解决水管理问题的重要一步。与3M公司合作使用BESSYII同步加速器的红外设备替代质子交换膜。我们正在进一步扩展这一优秀设施的能力，以允许操作红外光谱和显微镜，并解决与运行中的能源材料相关的广泛应用，“指导HZB材料开发方法研究所的EmadAziz教授说。
