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东北大学杨景帅课题组 J. Power Sources:在燃料电池用低成本、高性能的高温质子交换膜方面取得新进展
2022-02-25  来源:高分子科技

  燃料电池(Fuel Cells, FC)是一种通过氧化还原反应直接将燃料和氧化剂的化学能转换为电能的发电装置,不受卡诺循环的限制,效率高,污染和噪音较小,且能量密度和功率密度高,成为新能源领域研究的热点。聚苯并咪唑(PBI)的各种衍生物已被探索并被广泛应用于制备高温质子交换膜,将为FC带来高的CO耐受性、简化的水热管理体系和更快的电极动力学等优点。但是,PBI在普通有机溶剂中溶解性差并且合成 PBI 的单体联苯四胺有致癌性等问题,影响了PBI的广泛应用。因此,开发低成本、高性能的高温质子交换膜(HT-PEM),将极大地促进HT-PEMFC实现商业化。


  杨景帅副教授课题组利用超强酸催化反应,以富电子芳烃乙酰基吡啶为原料合成高性能聚合物引入的垂坠吡啶单元为吸附磷酸提供碱性位点,无醚键的刚性苯环结构保证聚合物的抗氧化性。基于磷酸掺杂PTAP组装的燃料电池在无背压条件下的氢氧电池峰值能量密度为743 mW cm-2同时Sigma公司的药品估算聚合物成本PTAP的成本仅为PBI的一半。


1.聚合物PBAPPTAP的合成过程


  该团队通过对聚合物理化性质的研究,发现PTAP 膜在 100 浸入 85 wt% 磷酸溶液后具有 220% 的磷酸掺杂含量,在 180 ℃下的电导率高达 0.102 S cm-1。经过 450 h 的抗氧化性测试,PTAP 膜仍表现出 200% 的高磷酸掺杂含量和 0.086 S cm-1 的高电导率。TGA 结果表明,PTAP PBAP 膜在480 以下均表现出显着的热稳定性,适用于 HT-PEMFC


2. (A) 1 H NMR谱;(B) FT-IR谱;(C) N 2气氛中的 TGA 曲线,加热速率为 10 ℃ min-1(D) PTAP PBAP 膜的抗氧化性曲线68 3% H2O2 + 4 ppm Fe2+

  在前期工作基础上(Journal of Membrane Science 641 (2022) 119884),将上述得到的聚合物PTAP组装燃料电池,测试了电池性能和稳定性,探讨了不同厚度的PTAP膜对电池性能的影响。结果显示厚度为 88 μmPTAP/220%PA 的电池在 120 时的峰值功率密度为 350 mW cm-2,在 180 ℃ 时提升至 592 mW cm-2;厚度为 63 μm PTAP/205%PA 膜在 180 时的峰值功率密度为 743 mW cm-2。同时, PTAP/PA 膜具有高于 1.0 V 的高开路电压 (OCV),表明其透气性较低。在160 ,电流密度为 200 mA cm-2 400 mA cm-2下的电池稳定性,结果表明基于 PTAP/205%PA 的电池在200 mA cm-2 100 h内和400 mA cm-260 h内均表现出良好的稳定性。同时,电池的OCV在所有关停-启动循环测量期间保持在1.0 V左右,进一步证实了PTAP/205%PA膜的电池稳定性和优异的气密性。因此,PTAP聚合物具有较好的电池性能,并且合成过程简单,成本低,它不仅可以扩展HT-PEMFC的膜材料,还可以为其他能量转换和存储设备提供材料。


3. 厚度为 88 μm (A) 63 μm (B) PA 掺杂 PTAP 膜的单电池性能;(C) 不同类型HT-PEM组装的H2 -O2电池峰值功率密度比较



4. 160 °C200 mA cm-2 400 mA cm-2条件单电池性能启停-寿命实验:厚度为 63 μm PTAP/205%PA


  以上相关成果发表在Journal of Power Sources(J. Power Sources 2022, 526, 231131)。论文的第一作者为东北大学理学院硕士生金亚平,通讯作者为杨景帅副教授,共同通讯作者为Technical University of Denmark李庆峰教授。


  论文链接:https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2022.231131

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(责任编辑:xu)
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