最新Nature Energy：燃料電池聚合物電解質膜的最新進展

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一、【科學背景】

在低溫條件下，低溫質子交換膜燃料電池（LT-PEMFCs）利用全氟磺酸膜作為質子交換膜，具有低噪音、高功率密度和單次氫氣充電可覆蓋長距離駕駛等優點，但需要極高純度的氫氣和復雜的熱管理系統。為了提高對氫氣雜質（包括CO）的耐受性、促進燃料電池冷卻和簡化水管理系統，人們希望在略高的操作溫度范圍（120–150℃）下運行LT-PEMFCs。然而，全氟磺酸基膜材料的玻璃化轉變溫度（T_g）較低，導致在超過該溫度運行時可能會降低材料的機械強度和尺寸特性。

為了克服這些挑戰，研究人員轉向了高溫質子交換膜燃料電池（HT-PEMFCs），選擇具有高于推薦溫度的T_g值的其他質子交換膜材料。目前，最有前景的高溫質子交換膜（HT-PEM）是由磷酸（PA）摻雜的聚苯并咪唑（PBI）膜，但其在實際電池中的性能通常不盡如人意，功率密度較低且在180℃下的長期穩定性有限。在160℃以上的操作溫度下，通過PA的質子傳導受到限制。許多研究人員嘗試在高溫下穩定HT-PEMFCs的質子傳導，其中一些策略包括開發復合膜以增強PA/水的保留和質子傳導性。

二、【創新成果】

近日，韓國科學技術研究院的Suk-Woo Nam?和So Young Lee教授以及韓國能源技術研究所的Hyoung-Juhn Kim教授致開發了一種新型的聚合物電解質膜，其中包含了特殊的質子載體，如氫磷酸鈰納米纖維（CeHP）。通過調控質子載體在聚合物基質中的互連性和分散性，形成了自組裝網絡結構，促進了質子傳導并提高了抗CO能力。這項研究展示了這種新型聚合物電解質膜在高溫下運行的優越性能，為未來高溫燃料電池系統的發展提供了重要的技術支持和應用前景。該項工作在Nature Energy期刊上發表，題為“Self-assembled network polymer electrolyte membranes for application in fuel cells at 250?°C”。

圖1 自組裝網絡聚合物電解質膜的制造過程 @ 2024 Springer Nature Limited

圖2 海膽狀自組裝網絡聚合物電解質膜與其他材料的比較 @ 2024 Springer Nature Limited

圖3 高溫下增強的質子傳輸 @ 2024 Springer Nature Limited

圖4 SAN–CeHP–PBI燃料電池性能 @ 2024 Springer Nature Limited

圖5 SAN–CeHP–PBI的穩定性 @ 2024 Springer Nature Limited

圖6 SAN–CeHP–PBI優異的電化學性能 @ 2024 Springer Nature Limited

圖7 SAN–CeHP–PBI的運行可靠性和耐用性 @ 2024 Springer Nature Limited

圖8 與LHC處理器集成的HT-PEMFC的性能 @ 2024 Springer Nature Limited

三、【科學啟迪】

該成果開發了基于獨特類型的質子載體的高溫質子交換膜燃料電池（HT-PEMFCs），通過調整載體在p-PBI PEMs中的互連性和分散性，促進了質子傳導。該成果展示了在250°C下運行的SAN–CeHP–PBI燃料電池具有卓越的電化學性能，最大功率密度為2.35 W cm^?2，并在熱循環中表現出極低的降解。這種燃料電池顯示出對CO的良好耐受性和長期穩定性，展示了在高溫度下運行的高性能集成燃料電池系統的巨大潛力。結合SAN–CeHP–PBI的PEMFC與LHC處理器，使得低純度氫氣可以直接用于燃料電池，為實現高體積能量密度提供了可能，并解決了與物理氫氣儲存方法相關的問題。作者指出這種方法在直接LHC燃料電池的發展方面具有巨大潛力，特別適合在各種商業應用中實際應用。

原文詳情：https://www.nature.com/articles/s41560-024-01536-4