最新Nature Energy：燃料电池聚合物电解质膜的最新进展

辞书

一、【科学背景】

在低温条件下，低温质子交换膜燃料电池（LT-PEMFCs）利用全氟磺酸膜作为质子交换膜，具有低噪音、高功率密度和单次氢气充电可覆盖长距离驾驶等优点，但需要极高纯度的氢气和复杂的热管理系统。为了提高对氢气杂质（包括CO）的耐受性、促进燃料电池冷却和简化水管理系统，人们希望在略高的操作温度范围（120–150℃）下运行LT-PEMFCs。然而，全氟磺酸基膜材料的玻璃化转变温度（T_g）较低，导致在超过该温度运行时可能会降低材料的机械强度和尺寸特性。

为了克服这些挑战，研究人员转向了高温质子交换膜燃料电池（HT-PEMFCs），选择具有高于推荐温度的T_g值的其他质子交换膜材料。目前，最有前景的高温质子交换膜（HT-PEM）是由磷酸（PA）掺杂的聚苯并咪唑（PBI）膜，但其在实际电池中的性能通常不尽如人意，功率密度较低且在180℃下的长期稳定性有限。在160℃以上的操作温度下，通过PA的质子传导受到限制。许多研究人员尝试在高温下稳定HT-PEMFCs的质子传导，其中一些策略包括开发复合膜以增强PA/水的保留和质子传导性。

二、【创新成果】

近日，韩国科学技术研究院的Suk-Woo Nam 和So Young Lee教授以及韩国能源技术研究所的Hyoung-Juhn Kim教授致开发了一种新型的聚合物电解质膜，其中包含了特殊的质子载体，如氢磷酸铈纳米纤维（CeHP）。通过调控质子载体在聚合物基质中的互连性和分散性，形成了自组装网络结构，促进了质子传导并提高了抗CO能力。这项研究展示了这种新型聚合物电解质膜在高温下运行的优越性能，为未来高温燃料电池系统的发展提供了重要的技术支持和应用前景。该项工作在Nature Energy期刊上发表，题为“Self-assembled network polymer electrolyte membranes for application in fuel cells at 250 °C”。

图1 自组装网络聚合物电解质膜的制造过程 @ 2024 Springer Nature Limited

图2 海胆状自组装网络聚合物电解质膜与其他材料的比较 @ 2024 Springer Nature Limited

图3 高温下增强的质子传输 @ 2024 Springer Nature Limited

图4 SAN–CeHP–PBI燃料电池性能 @ 2024 Springer Nature Limited

图5 SAN–CeHP–PBI的稳定性 @ 2024 Springer Nature Limited

图6 SAN–CeHP–PBI优异的电化学性能 @ 2024 Springer Nature Limited

图7 SAN–CeHP–PBI的运行可靠性和耐用性 @ 2024 Springer Nature Limited

图8 与LHC处理器集成的HT-PEMFC的性能 @ 2024 Springer Nature Limited

三、【科学启迪】

该成果开发了基于独特类型的质子载体的高温质子交换膜燃料电池（HT-PEMFCs），通过调整载体在p-PBI PEMs中的互连性和分散性，促进了质子传导。该成果展示了在250°C下运行的SAN–CeHP–PBI燃料电池具有卓越的电化学性能，最大功率密度为2.35 W cm⁻²，并在热循环中表现出极低的降解。这种燃料电池显示出对CO的良好耐受性和长期稳定性，展示了在高温度下运行的高性能集成燃料电池系统的巨大潜力。结合SAN–CeHP–PBI的PEMFC与LHC处理器，使得低纯度氢气可以直接用于燃料电池，为实现高体积能量密度提供了可能，并解决了与物理氢气储存方法相关的问题。作者指出这种方法在直接LHC燃料电池的发展方面具有巨大潜力，特别适合在各种商业应用中实际应用。

原文详情：https://www.nature.com/articles/s41560-024-01536-4