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前沿技術(shù)丨大連化物所開發(fā)高溫聚合物電解質(zhì)膜燃料電池抗磷酸流失高耐久性膜電極

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前沿技術(shù)丨大連化物所開發(fā)高溫聚合物電解質(zhì)膜燃料電池抗磷酸流失高耐久性膜電極

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Detalles

近日，中國科學(xué)院大連化物所燃料電池研究部醇類燃料電池及復(fù)合電能源共性核心技術(shù)研究組（DNL0311組）王素力研究員和孫公權(quán)研究員團(tuán)隊在高溫聚合物電解質(zhì)膜燃料電池（HT-PEMFCs）高耐久性膜電極研究方面取得新進(jìn)展。

 

 HT-PEMFCs運行溫度高（150至200 ℃），具有較強(qiáng)的耐CO毒化能力、簡單的水熱管理等優(yōu)勢，在中遠(yuǎn)途重型車輛、船舶動力電源等領(lǐng)域應(yīng)用前景廣闊。HT-PEMFCs可實現(xiàn)高溫運行的關(guān)鍵在于其使用磷酸作為質(zhì)子傳導(dǎo)的媒介。但由于在高負(fù)載（>0.4A cm-2）運行條件下，磷酸遷移的流失限制了電池比功率的提升，同時也限制了電池耐久性的提升。

 本工作中，研究團(tuán)隊在前期磷酸/電催化劑和粘結(jié)劑界面結(jié)構(gòu)、非連續(xù)磷酸液-固界面結(jié)構(gòu)可控構(gòu)建等研究（Science Advances，2023；J. Energy Chem.，2022）基礎(chǔ)上，提出了利用導(dǎo)電聚吡咯與磷酸之間的作用構(gòu)建磷酸緩沖層從而減緩磷酸流失的策略，提升了HT-PEMFCs耐久性，在嚴(yán)苛的加速應(yīng)力測試后，該電池在1.0A/cm2工況條件下的輸出電壓未見明顯衰減，而傳統(tǒng)電極下降了81.8%。此外，團(tuán)隊通過三維X射線顯微技術(shù)（3D-XRM）重建和分析膜電極中磷酸再分配發(fā)現(xiàn)，磷酸遷移流失及其導(dǎo)致的催化劑層結(jié)構(gòu)變化是高負(fù)載運行條件下傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)電池性能降低的主要原因。本工作提出的“蓄酸池”策略為HT-PEMFC在重型交通工具動力電源方面的應(yīng)用提供了有利的技術(shù)支撐。

 

       相關(guān)研究結(jié)果以“Conquering Heavy-Loading Decay of High Temperature Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cells with a Conductive Polymer-Based Phosphoric Acid Reservoir”為題，發(fā)表在《美國化學(xué)會能源快報》（ACS Energy Letters）上。該工作的第一作者是大連化物所DNL0311組博士研究生張子楠。上述工作得到了國家自然科學(xué)基金、國家重點研發(fā)計劃等項目的資助。（文/圖 張子楠、夏章訊）

 

文章鏈接：

   https://doi.org/10.1021/acsenergylett.4c00337 

 

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高溫甲醇燃料電池是將儲存于甲醇燃料中的化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿囊环N電化學(xué)反應(yīng)裝置。甲醇經(jīng)燃料處理器轉(zhuǎn)換為富氫燃料氣直接進(jìn)入燃料電池電堆，氫氣在陽極區(qū)電催化劑的作用下氧化釋放出電子和質(zhì)子，其中質(zhì)子經(jīng)電解質(zhì)膜傳導(dǎo)至陰極區(qū)。電子通過外電路做功并傳導(dǎo)至陰極區(qū)，與到達(dá)陰極區(qū)的質(zhì)子和氧氣在陰極電催化劑的作用下發(fā)生電化學(xué)還原反應(yīng)生成水。

 

 

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