中溫燃料電池重大突破！北京理工大學重磅Science！

CYM 3周前 (09-06) 2428瀏覽

【導讀】

研究顯示，在100°C至120°C下工作的中溫質子交換膜燃料電池（MT PEMFCs）能夠改善動力學和簡化熱管理/水管理，并拓寬了燃料耐受性，但高溫會導致Nafion離子聚合物脫水并加劇氣體運輸限制。因此，PEMFCs的工作溫度通常低于100℃，不同溫度的性能差異導致了現有PEMFCs進一步發展面臨諸多問題。值得注意的是，超嗜熱菌是一種能夠在80°C至125°C的極熱環境中存在的生物，并且能夠進行呼吸并產生能量，類似于MT PEMFCs的運行要求。

【成果掠影】

在此，北京理工大學王博教授和馮霄教授（通訊作者）受超嗜熱菌的啟發，通過與Nafion交織的共價有機框架（COF）可以實現更高的工作溫度，從而提高氫空氣PEMFCs的功率密度。作者合成了一種α-氨基酮連接的COF（Am-COF），并將它們與 Nafion（Am-COF/Nafion）交織在一起，為 MT PEMFC 創造了“透氣”質子導體，其氫鍵位點可在高溫下保留水分，大孔隙可改善氧氣運輸。添加此COF后，商業化Pt/C陰極在105℃下的額定功率密度提高了近90%。

與Nafion或COF中的磺酸基團相比，密度泛函理論（DFT）計算表明，COF 相鄰層中相鄰的羰基（C=O）基團可以同時與水進行分子間氫鍵合，從而顯著提高保水能力。值得注意的是，與基于Nafion的催化劑層（CL）不同，含Am-COF 的CL中的質子電導率不會突然下降，而是在工作溫度>100°C時增加，從而確保質子傳導不間斷。此外，開放式框架離聚物增強的保水性和多孔孔徑降低了 CL中的氧傳輸阻力。在105°C時，具有Am-COF的MEA在0.67 V時達到峰值和額定功率密度，其是沒有COF的MEAs的兩倍多。

相關研究成果以“Oxygen- and proton-transporting open framework ionomer for medium-temperature fuel cells”為題發表在Science上。