基于柔性折纸的管状聚合物电解质膜燃料电池

电子产品的小型化导致便携式设备的全球市场不断增长。相应地，有必要开发更小、更轻的电源来操作这些设备。特别是，人们对在电源本身中实现灵活性越来越感兴趣，这对于可穿戴设备和卷起设备的潜在应用非常有用。

燃料电池与传统电池相比具有许多优势，例如具有更高的能量密度和更少的环境影响。到目前为止，使用传统方法制造体积小、重量轻且能够进行机械运动的聚合物电解质膜燃料电池 (PEMFC) 一直是一项挑战。PEMFCs由端板、双极板、垫片、膜电极组件(MEA)等组件组成，其中端板和双极板占总重量的80%。这些板很重、很硬，不可避免地覆盖了很大的体积，这增加了系统的重量。这意味着简化和重塑这些组件将大大减轻重量，此外还为开发灵活的 PEMFC 铺平了道路。

在 SUNG Yung-Eun 教授的带领下，韩国首尔基础科学研究所 (IBS) 纳米粒子研究中心的研究人员报告了一种轻巧灵活的被动吸气式 PEMFC 的开发。这些被称为管状 PEMFC (t-PEMFC) 的新型燃料电池不仅重量轻、外形小巧，而且设计灵活。

t-PEMFC 的基本单元为圆锥形。新的锥形设计允许简化部件并通过允许部件像纸杯一样卷起来和堆叠来促进更容易的组装。这大大减少了组装所需的零件数量，例如夹具和螺栓，以及拆除传统燃料电池中使用的笨重端板。由于管子内部本身可以用作通道，因此也不需要流场板。此外，双极板由于由不锈钢网构成，重量轻且紧凑。结果，除膜电极组件之外的部件的总重量减少到小于60%。

新型燃料电池的另一个关键特征是其基于折纸原理的灵活 3D 结构。锥形反桁架设计使 PEMFC 可以轻松折叠和弯曲。折叠可以将体积减少近 50%，并且可以弯曲 90 度。确认折叠后性能几乎没有下降，即使电池弯曲90度，也能保持高达90%的初始性能。

最后，还可以通过串联多个 t-PEMFC 模块来增加这些燃料电池的总功率输出。可以通过简单地将管状部件一个接一个地插入来连接各个单元。两个电池串联的燃料电池体积为0.565cm 3，重量轻，重量为0.22g ，非常紧凑。当使用加湿 H2 作为燃料源时，两节电池组能够实现 198 mW 的功率输出性能和 897.7 W·kg-1 比功率密度。极化曲线测量表明，即使在超过 100 次循环后，电池仍保持相同的性能。使用液态甲醇作为燃料也可以使电池稳定运行。

相信IBS团队的全新创新设计将显着推进燃料电池领域的发展。预计柔性 t-PEMFC 在需要机械运动的设备中可以有广泛的应用，例如无人机、机器人、电线和需要移动性的小型管道。预计该技术还可应用于基于聚合物膜电极的电化学装置，用于各种工艺，包括水电解和CO 2转化。

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