Paul Scherrer研究所(PSI)的研究人员在实验室开发了一种涂层技术，可以提高燃料电池的效率。燃料电池由氢气和氧气发电。气体从外部输送到电池的电极。然而，在通往电极的途中，气体遇到在燃料电池中不断产生的液态水，并且应该流出电池。当积水过多时，气体流动得更慢，从而限制了电力的产生。“我们新开发的涂层确保液态水和气体通过单独的通道流过燃料电池中的多孔材料。这提高了燃料电池的性能和稳定性，”研究负责人Pierre Boillat表示。 PSI电化学实验室。
燃料电池将气体中含有的化学能转化为电能。所产生的电力可用于例如为电动汽车提供动力。
在燃料电池中发生的反应的唯一化学产物是水。因此，燃料电池汽车的“废气”仅含有无害的水蒸气。
自2013年以来，燃料电池车已准备好进行批量生产。但世界各地的研究人员继续致力于提高燃料电池系统的效率并降低成本。
水限制电力输出
这项工作的一个重要方面是从燃料电池的不希望的部分中除去液态水，因为它会破坏气体的流动。例如，水聚集在所谓的气体扩散层的孔中，该层通常由碳纤维材料组成，其中确保氢气和氧气的输送和精细分布到电池的电极。聚集在气体扩散层中的水阻碍了气体的流动，因此限制了电池的功率输出。
在商业上可获得的燃料电池中，气体扩散层的碳纤维通常用疏水聚合物均匀涂覆，目的是使水更容易流出。利用这种涂层，水在材料中任意分布，并且气体通常被迫沿着通过扩散层的曲折路径。结果，气体仅缓慢地到达电极，从而降低了燃料电池的性能。
PSI的新解决方案通过创建几乎所有水收集的独立“径流通道”来解决问题。在剩余的干燥通道中，气体可以更快地流动。
适合大规模生产的工艺
PSI研究人员从早期的实验中已经知道，重要的不仅是扩散层中水的量，而且还有水的分布。“这是我们第一次在适合大规模生产的过程中实现这一想法，”PSI博士生Antoni Forner-Cuenca解释说，他在实验室进行了实验。
PSI研究人员的概念是将原始的防水聚合物涂层部分地沿直线路径转变为亲水涂层。水基本上被吸入那些通道，而气体扩散层的其余区域基本上保持干燥。PSI科学家已经申请了这一过程的专利。
为了形成水通道，研究人员将亲水(吸水)分子插入到原始聚合物的结构中。首先，他们必须用电子束处理聚合物，以便它能够粘合待附着的分子。
电子束和亲水分子
这涉及通过金属掩模或栅格传输电子束以产生两个不同的区域：在光束穿过栅格的位置，随后可以改变原始涂层以产生亲水通道。在光束不通过栅格的地方，原始聚合物保持疏水。
在由电子束改变的区域中，原始聚合物涂层与特定分子发生化学反应，使其变得亲水，从而为液态水的有效去除创造了优先途径。
在PSI开发的用于在电子束的帮助下附着功能分子的过程被研究人员描述为“辐射嫁接”。它类似于园艺中常见的嫁接过程，其中有价值的植物被移植到外来但坚固的茎上。在这种情况下，亲水性分子使基础聚合物具有所需的亲水性。
科学家们能够证明他们创造的通道实际上确实将几乎所有的水都吸入其中。相比之下，其他地区几乎完全干燥。科学家使用来自PSI散裂中子源SINQ的ICON光束线的中子获得的气体扩散层图像提供了证据。
