Nature Communications：面向世界科技前沿，浙工大高从堦院士团队在高温质子交换膜燃料电池领域取得新突破
氢燃料电池作为新能源电动汽车的理想动力源，已被提升至国家能源战略高度。传统的氢燃料电池技术路线为氢-加氢站-燃料电池。然而高纯氢气的制备、高压储存、运输、加氢站的建设等问题制约其广泛应用与推广。甲醇重整制氢燃料电池采用甲醇作为液体燃料，便于储存运输，氢气“即产即用”，可利用现有加油站的便利完成甲醇分销加注，更加安全可靠。若能实现重整制氢器与质子交换膜燃料电池之间的温度匹配（200-300°C），即可直接利用由甲醇生成的高温富氢重整气，大幅简化系统并且提升能量利用效率。然而，目前所使用的磷酸掺杂型高温质子交换膜的服役温度仍然局限在120-200°C，温度过高时会因为磷酸脱水缩聚和膜力学蠕变等问题而导致质子传导与电池性能的衰减。因此，挑战该温度极限，研发能够在200°C以上高效稳定运行的新型高温质子交换膜成为实现甲醇重整系统与燃料电池现场集成和一体化直接联用的关键所在。
凝胶态双交联高温质子交换膜的制备、
成膜机理与3D片层微观形貌
鉴于此，浙江工业大学膜分离与水科学技术研究院高从堦院士团队的黄菲教授联合温州大学薛立新研究员采用多聚磷酸溶胶-凝胶技术，原位构筑了具有三维（3D）片层双交联结构的凝胶态磷酸掺杂聚苯并咪唑（DC-PBI-G）高温质子交换膜。研究表明，在具有质子传导特性的磷酸盐桥和聚合物支化骨架双重交联网络的协同作用机制下，这类膜材料可以在高温下有效地锚定并且限域保留磷酸分子，成功抑制了膜内96%磷酸的脱水缩聚，大幅提升膜力学抗蠕变性能，并兼具优异的质子传导率（0.348S/cm）与稳定性。基于DC-PBI-G的燃料电池展现出了在200-240°C严苛服役条件下高达1.20-1.48W/cm2的单池输出功率密度峰以及250小时长期运行测试中仅0.27mV/h的电压衰减率，最终实现了高温甲醇重整气的高效稳定利用。
该项创新性研究打破了常规高温质子交换膜燃料电池的服役局限性，为高性能质子膜的研发提供新材料和新方法，有望解决因氢气的制、储、运、加注而引发的产业发展瓶颈，对于实现国家“双碳”战略目标具有科学意义和应用价值。
DC-PBI-G膜的综合性能与增强机制分析
高温质子交换膜燃料电池
输出性能与长期运行稳定性
相关研究以“Double cross-linked 3D layered PBI proton exchange membranes for stable fuel cell performance above 200 °C”为题于2024年4月22日发表在期刊《自然·通讯》（Nature Communications），浙江工业大学为第一单位，文章第一作者为浙江工业大学博士研究生张良，通讯作者为浙江工业大学黄菲教授、温州大学薛立新研究员。该研究得到了国家自然科学基金项目（No. NSFC-22209147）与中国工程院战略研究与咨询项目（No. 2022-DZ-08）的资助。
该课题组在凝胶态质子交换膜与离子溶解膜的研究和应用上取得了系列进展（Nat. Commun. 2024,15,3409; Adv. Energy Mater. 2024,14,2303481; J. Energy Chem. 2023,85,91等）。
原文链接
https://www.nature.com/articles/s41467-024-47627-4
学者介绍
黄 菲
浙江工业大学教授，美国康涅狄格大学化学工程博士。长期专注于凝胶态质子/离子交换膜材料在清洁能源领域的研发和产业化，包括燃料电池、液流电池和电解水制氢等。拥有十年海外科研工作和应用器件开发经验，先后在美国内布拉斯加林肯分校和南卡罗莱纳大学从事科研工作。在Nat. Commun.、Adv. Energy Mater.、Energy Stor. Mater.、J. Mem. Sci.、J. Energy Chem.、ACS Sustain. Chem. Eng.、Small、ACS Appl. Energy Mater.、J. Electrochem. Soc.等国际专业学术期刊上发表SCI论文30余篇，获得美国授权专利4项。2019年入选浙江省海外高层次人才。
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