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Nat. Commun.:高电池功率聚(芴-联苯哌啶)离聚物与碱性膜

碱性膜(AEMs)与离聚物(AEIs)是实现低成本碱性膜氢燃料电池(AEMFCs)与碱性膜水电解制氢(AEMWEs)商业化的关键材料,也是制约此类电池技术发展的核心因素。


近日,韩国汉阳大学Young Moo Lee院士(点击查看介绍)燃料电池小组开发了系列刚性的聚(芴-联苯哌啶)(PFAP)型离聚物与碱性膜(图1),并对不同类型离聚物与碱性膜的AEMFC电池性能进行系统应用研究。作者利用高水蒸气渗透 (water permeability) 与高离子交换容量 (IEC) 的离聚物来加速高电密下的阳/阴极水传输,有效优化了燃料电池水管理策略,大大提升AEMFCs的电池功率与电池寿命。

图1. 不同类型PFAP的合成路线图。


该文主要结论如下:(1) PFBP离聚物相比于现阶段的离聚物,具有更高的离子传导率与寿命、更快的水蒸气透过率、更低的贵金属催化剂吸附以及更好的溶解性。(2) PFTP型的碱性膜相比于普通的聚联苯哌啶膜,具有更低的氢气渗透率、更高的离子传导率以及更高的机械强度与尺寸稳定性,如图2与图3。(3) 此外,本文对AEMFCs的电池性能进行了全面的优化。包括:离聚物的分子量、IEC以及水吸收;碱性膜的厚度、离子传导率以及机械强度;电池的电极湿度、催化剂类型(贵金属+非贵金属)、膜电极制备方法、电池水管理等。(4) 基于PFAP的AEMFCs,其电池功率在H2-O2下可轻松突破2.3 W cm-2H2-空气下可超过~1.25 W cm-2,电池寿命也可达到200 h(<5% 压降),达到领域范围内顶尖水平,如图4与图5。

图2. a) AEMFCs电池示意图;b) PFAP的水吸收;c) PFAP在不同湿度下的水蒸气吸附。d) 不同湿度下膜的氢气渗透率 (Hydrogen Permeability)变化; e) 不同湿度下膜的水渗透率 (Water Permeability) 变化。


图3. a) 和b)  PFAP在不同形态下的离子传导率;c) 与d) PFTP碱性膜照片,e) PFTP膜扫描电镜,f) 与g) PFTP膜在不同形态下的机械性能。 


图4. AEMFC电池性能:a) 不同离聚物在低RH下的电池曲线;b) 不同离聚物在高RH下的电池曲线;c) PFBP离聚物的分子量对电池功率的影响;d) Pt-Ru/C阳极,H2-O2下的电池功率; e) Pt-Ru/C阳极,H2-空气下的电池功率; f) 阴极非贵金属催化剂下的电池功率。


图5. a) 碱性膜在碱性水溶液下的化学寿命;b) 碱性膜在AEMFC的电池寿命;c)现阶段碱性膜与离聚物的AEMFC电池功率与离子传导率对比。


陈南君(Nanjun Chen)博士后为本文的第一作者,通讯联系人为Young Moo Lee教授。目前,Lee的课题组正致力于AEMFCs电池寿命以及非铂催化剂在AEMFCs的应用研究,欢迎继续关注。


原文(扫描或长按二维码,识别后直达原文页面,或点此查看原文):

Poly(fluorenyl aryl piperidinium) membranes and ionomers for anion exchange membrane fuel cells

Nanjun Chen, Ho Hyun Wang, Sun Pyo Kim, Hae Min Kim, Won Hee Lee, Chuan Hu, Joon Yong Bae, Eun Seob Sim, Yong-Chae Chung, Jue-Hyuk Jang, Sung Jong Yoo, Yongbing Zhuang, Young Moo Lee 

Nat. Commun., 202112, 2367, DOI: 10.1038/s41467-021-22612-3


导师介绍

Young Moo Lee

https://www.x-mol.com/university/faculty/284079 


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