中国科学院苏州纳米所研究员周小春ACS Nano: 高功率密度轻柔燃料电池

【引言】

柔性器件由于其具有柔性、形状可调节、轻便、优异的机械性能等诸多优点而广受关注。尽管随着研究的深入柔性器件已经取得了重大进步，但目前仍存在很多亟待解决的问题。质子交换膜燃料电池是一种新型的能源，其具有高能量密度、高转换效率、环境友好等优点。但传统的质子交换膜燃料电池由于需要使用石墨或者金属作为气流通道和集流体，导致其不仅又重又大，而且难以做成柔性器件。而自吸气式的质子交换膜燃料电池虽然不需要再额外泵入空气，但仍然需要使用石墨或金属，仍很难使其做成柔性器件，且其能量密度要比传统质子交换膜燃料电池小。研究人员基于以上问题设计了一种基于碳纳米管的柔性质子交换膜燃料电池，其具有很高的功率密度以及优异的机械性能，并且器件本身重量轻、体积小、柔性好、成本低、利于大规模生产。

【成果简介】

 近日，苏州纳米技术与纳米仿生研究所研究员周小春课题组通过设计一种新型的柔性复合电极从而制备出轻柔的吸气式质子交换膜燃料电池。新型的柔性电极由碳纳米管膜打孔后再复合碳纸制备而成，其具有优异的导电性、良好的柔性和高透气性等优点，有利于反应物和产物的输运。并且这种电极可同时作为气体传输层和集流体，取代了传统质子交换膜燃料电池中的石墨或金属集流体，极大减小了燃料电池的体积和重量。由这种柔性电极制备出的质子交换膜燃料电池具有5190WL^-1的体积功率密度和2230Wkg^-1的质量功率密度，弯折600次后仍可以保留89.1%的性能，从30m高度落下5次后性能保持不变，展现出极高的功率密度和优异的机械性能。该工作发表在ACS Nano上，题为“Flexible and Lightweight Fuel Cell with High Specific Power Density”。

【图文导读】

图1 不同质子交换膜燃料电池结构示意图

a, 传统质子交换膜燃料电池结构，空气和氧气被泵入电池内；

b, 吸气式质子交换膜燃料电池结构，空气自然渗透入电池内；

c, 柔性吸气式质子交换膜燃料电池结构。

图2 柔性和传统质子交换膜燃料电池性能对比

a, b 分别为传统和柔性吸气式质子交换膜燃料电池照片，工作区域均为1×1cm²；

c, 传统和柔性吸气式质子交换膜燃料电池极化曲线。

图3 柔性燃料电池的柔性复合电极组装过程示意图

a, 碳纳米管膜的SEM照片，插图为其截面照片；

b, 激光打孔后的碳纳米管膜SEM照片；

c, 打孔后的碳纳米管膜和碳纸复合的SEM照片；

d, 膜电极照片，不同颜色区分不同材料；

e, 柔性燃料电池光学照片。

图4 碳纳米管膜厚度对燃料电池性能的影响

a, 不同厚度碳纳米管膜的方块电阻；

b, 不同厚度碳纳米管膜组装的燃料电池的功率密度。

图5 柔性燃料电池机械性能测试

a, 4×1cm柔性燃料电池弯折50°；

b, 柔性燃料电池弯折时的电流密度；

c, 600次弯折前后电池放电曲线对比；

d, 不同弯折角度下的电池性能；

e, 不同扭转角度下的电池性能；

f, 不同弯折次数下的电极方块电阻。

图6 柔性燃料电池跌落测试

a, 跌落测试示意图，跌落高度为30m；

b, 不同跌落次数下的电池性能。

图7 柔性燃料电池应用

a, 柔性燃料电池堆栈示意图；

b, 53颗LED灯被柔性燃料电池点亮；

c, 柔性燃料电池为手机充电。

【小结】

在这项工作中，研究者设计一种新型的柔性复合电极进而制备出轻柔的吸气式质子交换膜燃料电池。新型的柔性电极其具有优异的导电性、良好的柔性和高透气性等优点，制备出的柔性燃料电池相较于传统燃料电池具有重量轻，体积小，能量密度高，机械性能好等优点，展现出柔性器件巨大的应用潜力。

文献链接：Flexible and Lightweight Fuel Cell with High Specific Power Density （ACS Nano, 2017, DOI: 10.1021/acsnano.7b01880）

本文由材料人编辑部张涛麟编译，黄超审核，点我加入材料人编辑部。

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