【文章概述】
质子交换膜燃料电池（PEMFC）因其具有功率密度高、操作温度低、环境友好等优点而备受人们的关注。尤其是在2014年丰田发布燃料电池电动汽车Mirai，掀起一波又一波的热潮。但是，现有的技术中，燃料电池汽车的核心部件PEMFC仍然存在诸多技术壁垒需要克服。目前已经商业化的低温PEMFC存在随着相对湿度 (RH) 的降低， PEM的导电性会降低并最终脱水，导致寿命较短，而使用磷酸（PA）掺杂的聚苯并咪唑膜（PBI/PA）的高温PEMFC在冷启动或频繁启动时，水冷凝会导致PBI/PA膜中掺杂的水溶性PA的渗出，质子传导性能下降。因此拓宽操作温度并进一步实现零下冷启动能力成为高温 (HT) PEMFC 系统商业化的关键挑战。
【成果简介】
中科院山西煤炭化学研究所李南文研究员和中科院北化所尤伟研究员及天津大学的Michael D. Guiver教授共同合作报道了一种可以在–20°C到200°C的温度范围内运行的组装HT PEMFC。这种本征超微孔膜是具有刚性、高自由体积的Tröger碱衍生聚合物（TB）构成的PA掺杂而成。在没有外部加湿的条件下，可实现多次启动和关闭循环，实现了高温燃料电池技术的重大改进和突破！该材料符合奇材馆理念，后续开发值得期待！
【图文导图】
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图1基于TB 聚合物的超微孔膜的化学结构和孔特征。
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图2不同条件下 PA 掺杂膜的电导率和 PA 损失。
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图3没有背压或外部加湿下，超微孔膜组装的 MEA 的电化学性能。
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图4电池性能的耐久性。
【奇材馆点评】
总体来说，作者为我们展示一种具有刚性、高自由体积的Tröger碱衍生聚合物（TB）构成的PA掺杂的本征超微孔膜。这种膜展示出惊人的虹吸效应，即使在高RH条件下也能保持较高的PA保留率，且质子传导保留率比传统的 PBI/PA膜高1000倍以上。所组成的HT PEMFC在15°C下进行150次启动/关闭循环后仍然具有高达95%的峰值功率密度保持率，且在-20°C下也可以完成超过100次循环。基于DMBP-TB/PA的MEA作为单一装置在–20°C到200°C之间平稳运行，这是迄今为止实现的最广泛的PEMFC工作温度范围之一。
【论文信息】
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Fuel cells with an operational range of –20 °C to 200 °C enabled by phosphoric acid-doped intrinsically ultramicroporous membranes |
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Nano Energy：（IF=17.087） |
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Pub Date ：2022.1.3 |
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https://doi.org/10.1038/s41560-021-00956-w |
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Hongying Tang, Kang Geng, Lei Wu, Junjie Liu, Zhiquan Chen, Wei You, Feng Yan, Michael D. Guiver & Nanwen Li |
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State Key Laboratory of Coal Conversion, Institute of Coal Chemistry, Chinese Academy of Sciences, Taiyuan, China Beijing National Laboratory for Molecular Sciences (BNLMS), CAS Key Laboratory of Engineering Plastics, Institute of Chemistry, Chinese Academy of Sciences, Beijing, China State Key Laboratory of Engines, Tianjin University, Tianjin, China |
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