科學(xué)家將新型燃料電池工作溫度拓寬至負(fù)二十?dāng)z氏度至二百攝氏度

傳統(tǒng)質(zhì)子交換膜燃料電池因其功率密度高和污染極小被應(yīng)用于許多便攜式和固定式系統(tǒng)組建中，但是其運(yùn)行溫度范圍有限。

通常在80攝氏度～90攝氏度時(shí)，采用完全加濕的全氟磺酸膜；在140攝氏度～180攝氏度時(shí)，則采用未加濕的磷酸摻雜膜，以避免水冷凝引起未加濕的磷酸浸出。如果傳統(tǒng)質(zhì)子交換膜燃料電池運(yùn)行溫度和濕度范圍更廣，就可以簡化水、熱調(diào)控，從而降低成本。

正在測試中的燃料電池

中國科學(xué)院和天津大學(xué)科研團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種由剛性、高自由體積、堿衍生聚合物構(gòu)成的磷酸摻雜本征超微孔膜，可在負(fù)20攝氏度～200攝氏度的溫度范圍內(nèi)工作，較大地拓寬了原有的工作溫度范圍。

這種平均超微孔半徑為3.3埃（?）的膜顯示出了虹吸效應(yīng)，即使在高濕度條件下也能保持未加濕的磷酸的高保留率，并且比常規(guī)的密集未加濕的磷酸摻雜聚苯并咪唑膜的質(zhì)子電導(dǎo)率保留率高3個(gè)數(shù)量級以上。

所制得的未加濕的磷酸摻雜傳統(tǒng)質(zhì)子交換膜燃料電池可保持95%的峰值功率密度，并且在15攝氏度下可輕松啟動(dòng)或關(guān)閉循環(huán)150次，甚至在負(fù)20攝氏度這樣的極端條件下，也能夠?qū)崿F(xiàn)愈100次循環(huán)。

2022年1月13日，相關(guān)論文以《通過磷酸摻雜的本征超微孔膜實(shí)現(xiàn)運(yùn)行溫度范圍為負(fù)20攝氏度～200攝氏度的燃料電池》為題發(fā)表在《自然·影響因子》上。

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李南文

該論文由中國科學(xué)院化學(xué)研究所中國科學(xué)院工程塑料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室尤偉（音譯）教授、天津大學(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室邁克爾·吉弗教授、中國科學(xué)院煤化學(xué)研究所煤轉(zhuǎn)化國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室李南文教授擔(dān)任共同第一作者。

質(zhì)子交換膜燃料電池中采用的電解質(zhì)有兩種，分別為全氟磺酸（聚電解質(zhì)）和聚苯并咪唑的高溫磷酸摻雜聚電解質(zhì)，它們都有各自的優(yōu)點(diǎn)和局限性。

由于這兩種電解質(zhì)在相對低溫（負(fù)80攝氏度）的全加濕條件下，具有出色的質(zhì)子導(dǎo)電性，全氟磺酸的質(zhì)子交換膜燃料電池已經(jīng)走向商業(yè)化，應(yīng)用于汽車領(lǐng)域。隨著相對濕度的進(jìn)一步降低，磺化質(zhì)子交換膜的導(dǎo)電性大幅降低直至最終脫水。

在使用傳統(tǒng)磺化質(zhì)子交換膜車輛的商用質(zhì)子交換膜燃料電池時(shí)，要進(jìn)行水熱管理，如需要大型散熱器來散發(fā)不需要的熱量。

V型橋式雙環(huán)二胺聚合物的化學(xué)結(jié)構(gòu)和性質(zhì)

相比之下，酸堿型PEMFC在140攝氏度以上的溫度下運(yùn)行時(shí)，則通常不需要加濕或加裝熱管理系統(tǒng)。較高的運(yùn)行溫度可提高電催化劑的反應(yīng)性，并增加對氫氣入口流中一氧化碳或硫化氫污染物的耐受性（150攝氏度時(shí)，一氧化碳濃度>1%）。

盡管聚苯并咪唑膜的質(zhì)子交換膜燃料電池在160攝氏度下無需額外加濕，就能可靠運(yùn)行超過2.7萬小時(shí)，但在頻繁進(jìn)行啟動(dòng)或關(guān)閉循環(huán)時(shí)，如存在濕氣時(shí)，摻入膜中的水溶性未加濕的磷酸就會(huì)浸出，將燃料電池限制在140攝氏度以下。

因此，拓寬工作溫度和相對濕度窗口，使高溫質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)零度以下啟動(dòng)是其商業(yè)化的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。

由于二甲基苯并咪唑聚合物膜即使在負(fù)30攝氏度時(shí)也有較高的質(zhì)子傳導(dǎo)性，需要在沒有外部加濕或背壓的情況下研究如何擴(kuò)大膜電極組件工作溫度范圍。

令人驚訝的是，基于二甲基苯并咪唑聚合物膜的MEA可以輕易在負(fù)20攝氏度條件下啟動(dòng)，并在一定的峰值功率密度下運(yùn)行。而其它的膜電極組件則受制于其相對較低的質(zhì)子導(dǎo)電率，而未能做到這一點(diǎn)。

隨著運(yùn)行溫度從負(fù)20攝氏度增加到160攝氏度，二甲基苯并咪唑聚合物膜的峰值功率密度繼續(xù)上升，高頻阻抗從5.0歐平方厘米下降到0.23歐平方厘米，而當(dāng)進(jìn)一步將電池溫度上升至200攝氏度時(shí)，則沒有觀察到性能改善和高頻阻抗的下降。

沒有背壓或外部加濕的MEA曲線

由二甲基苯并咪唑聚合物膜衍生的M E A在40攝氏度下運(yùn)行時(shí)，顯示出了較高的峰值功率，雙氧水電池在160攝氏度、80攝氏度和40攝氏度時(shí)表現(xiàn)出的性能趨勢相同。因此，可以證明單個(gè)裝置可以從負(fù)20攝氏度～200攝氏度平穩(wěn)運(yùn)行，這是迄今為止能夠達(dá)到最廣泛的一種工作溫度范圍。

總之，由于脫域效應(yīng)和酸堿相互作用，對水的凝結(jié)顯示出了更高的耐受性，該團(tuán)隊(duì)所研究的超微孔基膜，主要克服了低溫質(zhì)子交換膜燃料電池運(yùn)行和冷啟動(dòng)的難題；其次，刷新了人們對低溫和高溫質(zhì)子交換膜燃料電池的概念認(rèn)知，尤其像質(zhì)子導(dǎo)電離子液體這樣的電解質(zhì)。

該團(tuán)隊(duì)還對孔的大小和分布以及微孔結(jié)構(gòu)的功能（對電解質(zhì)的親酸性和吸收性）進(jìn)行了嚴(yán)謹(jǐn)調(diào)控，以確保對電解質(zhì)的保留及電池性能的提升。因此，他們堅(jiān)信拓寬質(zhì)子交換膜燃料電池的應(yīng)用指日可待。