重磅Nature Energy：燃料电池，250 °C高温突破！

第一作者：Seungju Lee, Jong Geun Seong, YoungSuk Jo.

通讯作者：Suk-Woo Nam, So Young Lee，Hyoung-Juhn Kim

通讯单位：韩国科学技术研究院、韩国能源技术研究院

论文速览

在高温下运行聚合物电解质膜（PEM）燃料电池可以简化水管理并允许与高纯度燃料处理单元集成，但现有的聚苯并咪唑（PBI）基质子交换膜燃料电池面临挑战，因为质子传输在160 ℃以上不稳定。

本论文介绍了一种新型的高温操作聚合物电解质膜（PEM），该膜由p-PBI和磷酸氢铈（CeHP）自组装网络（SAN）构成，能够在高达250 °C的温度下应用于燃料电池。

在制备过程中，海胆状CeHP颗粒在PBI基质（SAN-CeHP-PBI）中形成了一个分散良好且相互连接的自组装网络，使其在200 ℃以上的质子传输方面优于p-PBI和常规CeHP-PBI PEMs。

研究团队报告了基于SAN-CeHP-PBI的燃料电池在250 °C干燥的H₂/O₂环境下达到了2.35 W cm^-2的最大功率密度，并且在160-240 °C的热循环（H₂/空气）下500 h内几乎无退化。

此外，SAN-CeHP-PBI还展示了优异的CO耐受性，为与液态氢载体系统集成提供了可能性。

图文导读

图1：传统PA掺杂PBI PEMs（包括m-PBI和AB-PBI）的制造过程，CeHP-PBI的制造过程，以及SAN-CeHP-PBI的原位溶胶-凝胶过程。

图2：海胆状自组装网络聚合物电解质膜与其他材料的形态，包括p-PBI、CeHP-PBI和SAN-CeHP-PBI的SEM图像和TEM图像。

图3：在不同操作温度下，使用CeHP粉末和MEAs从SAN-CeHP-PBI、CeHP-PBI和p-PBI获得的31P VT MAS NMR谱图，以及通过平面质子导电性结果和质子导电性的温度依赖性。

图4：SAN-CeHP-PBI、CeHP-PBI和p-PBI在80、150、200和250 °C操作温度下的电流密度-电压（J-V）和电流密度-功率密度（J-Pd）曲线。

图5：SAN-CeHP-PBI在长期稳定性测试中的性能，包括在250 °C下0.2 A cm^-2恒定电流密度下117 h的测试结果和电化学阻抗谱（EIS）分析。

图6：SAN-CeHP-PBI在高于250 °C的操作温度下的单电池性能结果，以及与其他类型的燃料电池（包括ITFCs、PCFCs、MCFCs和SOFCs）的性能比较。

图7：SAN-CeHP-PBI的操作可靠性和耐久性，包括在不同温度下的热循环测试和CO耐受性测试。

图8：与液态氢载体处理器（LHC processor）集成的HT-PEMFC的性能，包括使用H12-NEC处理器和甲醇重整器的实验系统示意图和性能曲线。

总结展望

本研究开发了一种新型的自组装网络聚合物电解质膜（SAN-CeHP-PBI），该膜能够在250 °C的高温下稳定运行，显著提高了燃料电池的质子传输性能。

通过优化CeHP与p-PBI的自组装过程，实现了优异的分散性和互连性，从而在高温下获得了高效的质子传导。研究中，基于SAN-CeHP-PBI的燃料电池在250 °C时达到了2.35 W cm^-2的最大功率密度，并在500 h的热循环测试中显示出了极低的退化率。

此外，该膜还表现出了卓越的CO耐受性，为与液态氢载体系统集成提供了潜在的应用前景。这些成果不仅为高温燃料电池的发展提供了重要的材料基础，也为未来在交通运输等领域的实际应用铺平了道路。

文献信息

标题：Self-assembled network polymer electrolyte membranes for application in fuel cells at 250 °C

期刊：Nature Energy

DOI：10.1038/s41560-024-01536-4

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