陰離子交換膜燃料電池（anion-exchange membrane fuel cells，AEMFCs）透過氫氣與氧氣反應產生潔淨電力。相較於傳統燃料電池技術，新技術優勢在於可使用成本較低、來源更充足的材料，有望大幅降低整體系統成本。陰離子交換膜燃料電池具有廣泛的應用潛力，包括交通運輸、航空、航太、無人機、分散式能源系統、備援電力，以及偏遠地區的電力供應。目前陰離子交換膜燃料電池的主要技術瓶頸在於兼顧提升功率輸出與能源效率的同時，進一步改善整體性能與耐久性。由 Dario Dekel 教授、Michael Guiver 教授、Karam Yassin 博士及 Sapir Willdorf-Cohen 博士共同完成於近期發表在《Nature Energy》期刊的研究成果，正是聚焦在解決這些問題。Dekel 教授任職於以色列理工學院 Wolfson 化學工程學院，並擔任 Nancy & Stephen Grand 以色列理工學院能源計畫（GTEP）主任。Guiver 教授任職於中國天津大學，是能源應用高分子膜領域的國際知名專家。Karam Yassin 博士為研究人員兼中央氫能技術實驗室主任。Sapir Willdorf-Cohen 博士則是 Wolfson 化學工程學院 Dekel 教授研究團隊成員。
過去，環境空氣中的二氧化碳大多被視為會降低燃料電池性能、縮短裝置壽命的有害污染物。當陰離子交換膜燃料電池直接使用含有二氧化碳的環境空氣供氣時，二氧化碳會與陰極產生的氫氧根離子反應，形成碳酸氫根與碳酸根離子，進而降低陰離子交換膜的離子導電率，因此長期以來一直是影響陰離子交換膜燃料電池性能的重要問題。然而，研究團隊指出，二氧化碳對實際運作中燃料電池的作用並非只有單一化學反應，而是涉及多種機制之間的複雜交互作用，包括不同陰離子的傳輸、濃度極化、反向擴散、水分分布改變、陽離子穩定性，以及局部 pH 值變化。
基於這項觀察，研究人員提出二氧化碳管理（CO₂ management）這個新概念，主張不應只將二氧化碳視為需要排除的障礙，而應透過適當管理其在電池中的傳輸、分布與相關化學物種，將負面影響降至最低，甚至進一步加以利用，改善燃料電池性能。這項概念與燃料電池中的水管理相似，核心在於平衡、輸送及利用與二氧化碳相關的物種，以提升陰離子交換膜燃料電池的運作表現。研究團隊同時提出一個看似反直覺的二氧化碳的正向穩定作用概念。根據此概念，在特定條件下二氧化碳未必完全有害，甚至可能有助於提升燃料電池直接使用環境空氣時的長期性能穩定性。
Dekel 教授表示，多年來，二氧化碳一直被視為陰離子交換膜燃料電池面臨的主要挑戰之一。然而，研究結果顯示，實際情況比過去認為的更加複雜。在特定條件下，二氧化碳可能有助於提升燃料電池材料的長期穩定性。若能學會適當管理二氧化碳，而非只是設法將其完全排除，將有望為開發成本更低、耐用且高效能，並能直接使用環境空氣運作的燃料電池鋪路。這些研究結果可能帶來廣泛的技術應用，有助於加速氫燃料電池的實際導入。潛在應用涵蓋乘用車、火車、無人機與船舶等交通運輸工具，以及分散式能源系統與自主供電技術。
原始論文：https://doi.org/10.1038/s41560-026-01999-7
