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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