科學家將新型燃料電池工作溫度拓寬至負二十攝氏度至二百攝氏度

傳統質子交換膜燃料電池因其功率密度高和污染極小被應用于許多便攜式和固定式系統組建中，但是其運行溫度范圍有限。

通常在80攝氏度～90攝氏度時，采用完全加濕的全氟磺酸膜；在140攝氏度～180攝氏度時，則采用未加濕的磷酸摻雜膜，以避免水冷凝引起未加濕的磷酸浸出。如果傳統質子交換膜燃料電池運行溫度和濕度范圍更廣，就可以簡化水、熱調控，從而降低成本。

正在測試中的燃料電池

中國科學院和天津大學科研團隊開發了一種由剛性、高自由體積、堿衍生聚合物構成的磷酸摻雜本征超微孔膜，可在負20攝氏度～200攝氏度的溫度范圍內工作，較大地拓寬了原有的工作溫度范圍。

這種平均超微孔半徑為3.3埃（?）的膜顯示出了虹吸效應，即使在高濕度條件下也能保持未加濕的磷酸的高保留率，并且比常規的密集未加濕的磷酸摻雜聚苯并咪唑膜的質子電導率保留率高3個數量級以上。

所制得的未加濕的磷酸摻雜傳統質子交換膜燃料電池可保持95%的峰值功率密度，并且在15攝氏度下可輕松啟動或關閉循環150次，甚至在負20攝氏度這樣的極端條件下，也能夠實現愈100次循環。

2022年1月13日，相關論文以《通過磷酸摻雜的本征超微孔膜實現運行溫度范圍為負20攝氏度～200攝氏度的燃料電池》為題發表在《自然·影響因子》上。

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李南文

該論文由中國科學院化學研究所中國科學院工程塑料重點實驗室尤偉（音譯）教授、天津大學發動機國家重點實驗室邁克爾·吉弗教授、中國科學院煤化學研究所煤轉化國家重點實驗室李南文教授擔任共同第一作者。

質子交換膜燃料電池中采用的電解質有兩種，分別為全氟磺酸（聚電解質）和聚苯并咪唑的高溫磷酸摻雜聚電解質，它們都有各自的優點和局限性。

由于這兩種電解質在相對低溫（負80攝氏度）的全加濕條件下，具有出色的質子導電性，全氟磺酸的質子交換膜燃料電池已經走向商業化，應用于汽車領域。隨著相對濕度的進一步降低，磺化質子交換膜的導電性大幅降低直至最終脫水。

在使用傳統磺化質子交換膜車輛的商用質子交換膜燃料電池時，要進行水熱管理，如需要大型散熱器來散發不需要的熱量。

V型橋式雙環二胺聚合物的化學結構和性質

相比之下，酸堿型PEMFC在140攝氏度以上的溫度下運行時，則通常不需要加濕或加裝熱管理系統。較高的運行溫度可提高電催化劑的反應性，并增加對氫氣入口流中一氧化碳或硫化氫污染物的耐受性（150攝氏度時，一氧化碳濃度>1%）。

盡管聚苯并咪唑膜的質子交換膜燃料電池在160攝氏度下無需額外加濕，就能可靠運行超過2.7萬小時，但在頻繁進行啟動或關閉循環時，如存在濕氣時，摻入膜中的水溶性未加濕的磷酸就會浸出，將燃料電池限制在140攝氏度以下。

因此，拓寬工作溫度和相對濕度窗口，使高溫質子交換膜燃料電池系統實現零度以下啟動是其商業化的關鍵挑戰。

由于二甲基苯并咪唑聚合物膜即使在負30攝氏度時也有較高的質子傳導性，需要在沒有外部加濕或背壓的情況下研究如何擴大膜電極組件工作溫度范圍。

令人驚訝的是，基于二甲基苯并咪唑聚合物膜的MEA可以輕易在負20攝氏度條件下啟動，并在一定的峰值功率密度下運行。而其它的膜電極組件則受制于其相對較低的質子導電率，而未能做到這一點。

隨著運行溫度從負20攝氏度增加到160攝氏度，二甲基苯并咪唑聚合物膜的峰值功率密度繼續上升，高頻阻抗從5.0歐平方厘米下降到0.23歐平方厘米，而當進一步將電池溫度上升至200攝氏度時，則沒有觀察到性能改善和高頻阻抗的下降。

沒有背壓或外部加濕的MEA曲線

由二甲基苯并咪唑聚合物膜衍生的M E A在40攝氏度下運行時，顯示出了較高的峰值功率，雙氧水電池在160攝氏度、80攝氏度和40攝氏度時表現出的性能趨勢相同。因此，可以證明單個裝置可以從負20攝氏度～200攝氏度平穩運行，這是迄今為止能夠達到最廣泛的一種工作溫度范圍。

總之，由于脫域效應和酸堿相互作用，對水的凝結顯示出了更高的耐受性，該團隊所研究的超微孔基膜，主要克服了低溫質子交換膜燃料電池運行和冷啟動的難題；其次，刷新了人們對低溫和高溫質子交換膜燃料電池的概念認知，尤其像質子導電離子液體這樣的電解質。

該團隊還對孔的大小和分布以及微孔結構的功能（對電解質的親酸性和吸收性）進行了嚴謹調控，以確保對電解質的保留及電池性能的提升。因此，他們堅信拓寬質子交換膜燃料電池的應用指日可待。