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重磅Nature Energy:燃料電池,250 °C高溫突破!

重磅Nature Energy:燃料電池,250 °C高溫突破!
第一作者:Seungju Lee, Jong Geun Seong, YoungSuk Jo.
通訊作者:Suk-Woo Nam, So Young Lee,Hyoung-Juhn Kim
通訊單位:韓國科學技術(shù)研究院、韓國能源技術(shù)研究院
論文速覽
在高溫下運行聚合物電解質(zhì)膜(PEM)燃料電池可以簡化水管理并允許與高純度燃料處理單元集成,但現(xiàn)有的聚苯并咪唑(PBI)基質(zhì)子交換膜燃料電池面臨挑戰(zhàn),因為質(zhì)子傳輸在160 ℃以上不穩(wěn)定。
本論文介紹了一種新型的高溫操作聚合物電解質(zhì)膜(PEM),該膜由p-PBI和磷酸氫鈰(CeHP)自組裝網(wǎng)絡(luò)(SAN)構(gòu)成,能夠在高達250 °C的溫度下應(yīng)用于燃料電池。
在制備過程中,海膽狀CeHP顆粒在PBI基質(zhì)(SAN-CeHP-PBI)中形成了一個分散良好且相互連接的自組裝網(wǎng)絡(luò),使其在200 ℃以上的質(zhì)子傳輸方面優(yōu)于p-PBI和常規(guī)CeHP-PBI PEMs。
研究團隊報告了基于SAN-CeHP-PBI的燃料電池在250 °C干燥的H2/O2環(huán)境下達到了2.35 W cm-2的最大功率密度,并且在160-240 °C的熱循環(huán)(H2/空氣)下500 h內(nèi)幾乎無退化。
此外,SAN-CeHP-PBI還展示了優(yōu)異的CO耐受性,為與液態(tài)氫載體系統(tǒng)集成提供了可能性。
圖文導(dǎo)讀
重磅Nature Energy:燃料電池,250 °C高溫突破!
圖1:傳統(tǒng)PA摻雜PBI PEMs(包括m-PBI和AB-PBI)的制造過程,CeHP-PBI的制造過程,以及SAN-CeHP-PBI的原位溶膠-凝膠過程。
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圖2:海膽狀自組裝網(wǎng)絡(luò)聚合物電解質(zhì)膜與其他材料的形態(tài),包括p-PBI、CeHP-PBI和SAN-CeHP-PBI的SEM圖像和TEM圖像。
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圖3:在不同操作溫度下,使用CeHP粉末和MEAs從SAN-CeHP-PBI、CeHP-PBI和p-PBI獲得的31P VT MAS NMR譜圖,以及通過平面質(zhì)子導(dǎo)電性結(jié)果和質(zhì)子導(dǎo)電性的溫度依賴性。
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圖4:SAN-CeHP-PBI、CeHP-PBI和p-PBI在80、150、200和250 °C操作溫度下的電流密度-電壓(J-V)和電流密度-功率密度(J-Pd)曲線。
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圖5:SAN-CeHP-PBI在長期穩(wěn)定性測試中的性能,包括在250 °C下0.2 A cm-2恒定電流密度下117 h的測試結(jié)果和電化學阻抗譜(EIS)分析。
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圖6:SAN-CeHP-PBI在高于250 °C的操作溫度下的單電池性能結(jié)果,以及與其他類型的燃料電池(包括ITFCs、PCFCs、MCFCs和SOFCs)的性能比較。
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圖7:SAN-CeHP-PBI的操作可靠性和耐久性,包括在不同溫度下的熱循環(huán)測試和CO耐受性測試。
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圖8:與液態(tài)氫載體處理器(LHC processor)集成的HT-PEMFC的性能,包括使用H12-NEC處理器和甲醇重整器的實驗系統(tǒng)示意圖和性能曲線。
總結(jié)展望
本研究開發(fā)了一種新型的自組裝網(wǎng)絡(luò)聚合物電解質(zhì)膜(SAN-CeHP-PBI),該膜能夠在250 °C的高溫下穩(wěn)定運行,顯著提高了燃料電池的質(zhì)子傳輸性能。
通過優(yōu)化CeHP與p-PBI的自組裝過程,實現(xiàn)了優(yōu)異的分散性和互連性,從而在高溫下獲得了高效的質(zhì)子傳導(dǎo)。研究中,基于SAN-CeHP-PBI的燃料電池在250 °C時達到了2.35 W cm-2的最大功率密度,并在500 h的熱循環(huán)測試中顯示出了極低的退化率。
此外,該膜還表現(xiàn)出了卓越的CO耐受性,為與液態(tài)氫載體系統(tǒng)集成提供了潛在的應(yīng)用前景。這些成果不僅為高溫燃料電池的發(fā)展提供了重要的材料基礎(chǔ),也為未來在交通運輸?shù)阮I(lǐng)域的實際應(yīng)用鋪平了道路。
文獻信息
標題: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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