突破高溫燃料電池脫水瓶頸：雙層二維奈米質子交換膜之協同傳導機制研究
科技產業資訊室(iKnow) - 廖雅韻 發表於 2026年5月21日
圖、突破高溫燃料電池脫水瓶頸：雙層二維奈米質子交換膜之協同傳導機制研究
在全球積極推動淨零碳排與能源轉型的浪潮下，氫能與燃料電池被視為未來潔淨能源系統的重要支柱。燃料電池能將化學能直接轉換為電能，過程中僅產生水與熱能，因此被廣泛應用於氫能車輛、重型工業設備、醫療院所與資料中心備援電力，甚至延伸至對重量與效率要求極高的航太任務。
然而，若要進一步提升發電效率並縮小系統體積，燃料電池仍必須突破「高溫操作」的關鍵限制。高溫可提升電化學反應效率，同時簡化冷卻與散熱系統，使設備更輕量、更容易維護，也更符合工業應用需求。
目前主流的高分子質子交換膜（Proton-exchange Membranes, PEMs）高度依賴水分維持質子傳導網絡，一旦溫度超過100°C便容易脫水，導致質子導電率大幅下降，使燃料電池效能衰退甚至失效。這種「脫水危機」成為高溫燃料電池發展最重要的瓶頸之一。
近期澳洲研究團隊提出一種創新的高溫無水質子導電膜設計，利用二維奈米材料打造全新的膜架構，為高溫燃料電池提供關鍵突破，該研究成果發表於《Science Advances》期刊。
研究團隊以聚乙烯亞胺功能化的單層石墨烯（PEI-graphene）與六方氮化硼（PEI-BN）奈米片作為構成單元，並以磷酸（Phosphoric Acid, PA）作為奈米通道內的無機質子導體，構築出具備雙層結構的「石墨烯／氮化硼／磷酸（GBP）膜」。其中，上層薄而緻密的氮化硼（BN）層具備良好的電子絕緣特性，可有效阻斷電子穿透並降低短路風險；下層較厚的石墨烯層則提供優異的機械強度與韌性，使薄膜在高溫環境下仍能保持結構穩定。
此研究成功研發出一款可在250°C高溫、無加濕條件下運作的二維奈米質子交換膜。透過「奈米限域效應」所產生的強大毛細作用力，磷酸分子得以被穩定鎖定於奈米通道內，使其在250°C下的質量流失率僅約2.1%，顯著改善傳統膜材在高溫環境容易酸流失的缺陷。
該膜材透過奈米皺褶的「穿膜式傳導」與通道內「氫鍵跳躍」的雙重機制，大幅降低傳輸阻力，在 250°C 時達到 166 mS/cm 的優異導電率；實際應用於氫氧燃料電池時，峰值功率密度創下 1011 mW/cm² 的新高紀錄（是傳統 PBI/PA 薄膜的三倍），且連續運作 150 小時後，每小時電壓僅衰減 0.19 mV，展現出極高的長期穩定性。
此外，這款薄膜的高緻密結構也有效降低甲醇滲透問題，使直接甲醇燃料電池（DMFC）得以使用高達16 M的高濃度甲醇燃料，並在250°C下達到502 mW/cm²的峰值功率表現。此成果顯示該膜材未來在無人機、機動載具與便攜式高能量密度電源系統上具有高度應用潛力。
整體而言，這項結合二維奈米片與奈米限域磷酸的創新架構，成功突破高溫燃料電池膜材長期受制於脫水與酸流失的雙重瓶頸。研究團隊採用的黏性球磨法可實現單層奈米片的公克級製備，而真空過濾組膜與磷酸浸漬步驟亦具備放大潛力，顯示此技術具有實際規模化生產的可行性。展望未來，這一設計理念亦有望延伸應用於水電解產氫、二氧化碳還原及氨合成等關鍵電化學裝置，為全球淨零碳排願景提供更具突破性的材料解方。（1126字；圖1）
參考資料：
Ultra-thin membrane enables high-efficiency hydrogen fuel cells for transport and industry. TechXplore, 2026/05/15
Proton-shuttling nanosheet membranes enable high-power-density protonic fuel cells. Science Advances, 2026/5/15 (DOI: 10.1126/sciadv.aea1569)
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