高温聚合物电解质膜燃料电池膜电极中磷酸分布及调控策略研究进展

高温聚合物电解质膜燃料电池(HT-PEMFC)由于其较高的运行温度(140–200℃)而具有较快的电极反应动力学和良好的抗CO等杂质气体毒化能力以及简化水热管理等优势,是PEMFC的重要发展方向之一。HT-PEMFC的核心部件为基于磷酸掺杂聚合物电解质膜(HT-PEM)组装的膜电极(MEA)。在高温膜电极(HT-MEA)中,一方面聚合物电解质膜和催化层中的离子传导极大地依赖于磷酸的含量;而另一方面磷酸分子填充在高分子链周围会引起聚合物膜力学性能的下降,迁移进催化层中的磷酸容易导致阴阳极催化层的“酸淹”以及在铂催化剂表面吸附而降低催化剂活性。因此,研究磷酸在高温聚合物电解质膜电极中的分布状态和迁移过程,对构建高性能和高稳定性的HT-PEMFC至关重要。基于此,本文对近年来HT-MEA中磷酸的分布、动态迁移过程的研究现状进行了梳理分析,对HT-MEA(包括高温聚合物电解质膜和催化层)中磷酸分布和迁移的调节与优化策略研究进展进行了较全面的综述,并对其未来发展趋势进行了评述和展望。

聚醚砜-聚乙烯吡咯烷酮高温聚合物电解质膜及燃料电池堆性能研究

基于磷酸掺杂聚苯并咪唑膜(PA/PBI)的高温聚合物电解质膜燃料电池具有高的输出功率和优异的稳定性,然而PBI膜昂贵的价格和复杂的制备工艺限制了高温聚合物电解质膜燃料电池的商业化应用。本研究以成本低和制备工艺简单的聚醚砜-聚乙烯吡咯烷酮(PES-PVP)膜的商业化应用为目标,小规模制备了幅宽为40 cm的PES-PVP复合膜,证实了流延法放大制备PES-PVP复合膜的可行性。PES-PVP膜中每个PVP重复单元的吸附量达4.9个磷酸(PA)分子,且在180℃的质子电导率达85 mS·cm^-1。此外,尺寸为165 cm2的PA/PES-PVP高温膜电极在150℃的输出功率达0.19 W·cm^-2@0.6 V,与同尺寸的商业化PA/PBI高温膜电极的输出功率相当,并在近3000 h的寿命测试中展示出良好的稳定性。最后,将PA/PES-PVP高温膜电极(单片有效面积200 cm2)组装高温膜燃料电池短堆,其中基于3片膜电极的短堆展现出良好的电堆启停稳定性;基于20片膜电极电堆的峰值功率达1.15 kW。以上结果表明所制备的PA/PES-PVP是一种性能优良、价格便宜的高温聚合物电解质膜材料,并且基于该膜材料组装的高温聚合物电解质膜电池和电堆性能优异。本研究工作为高温聚合物电解质膜燃料电池关键材料和电堆的国产化提供了研究基础。