院士團隊Angew封面:鹼性膜燃料電池技術突破,功率密度新突破

2021-01-09 學研天地

研究背景

自2000年以來，低成本的鹼性膜燃料電池（AEMFCs）一直被視為替代質子交換膜燃料電池（PEMFCs）最有發展前景的技術手段，也被美國能源部（DOE）視為人類未來10年（2020-2030）重點研發與突破的電池技術。近年來，雖然無數的氫氧化（HOR）和氧還原（ORR）催化劑被開發應用於AEMFCs， 但本質上制約AEMFCs發展與商用的根本原因—還是其最為關鍵的核心部件—鹼性膜（AEM）與離聚物（ionomer）的 「缺失」。

想要替代PEMFCs，真正實現AEMFCs在氫燃料電池汽車等領域的應用，AEMFCs就必須克服功率密度低與壽命差的短板。目前國內外大多數的鹼性膜都面臨OH-傳導率低，壽命與機械性能差，氣密性與乾濕循環穩定性不足等問題。因此，目前鮮有幾種鹼性膜的AEMFCs功率密度能達到PEMFCs的水平（~1.5 W cm-2）：比如，美國洛斯阿拉莫斯國家實驗室（~1.5 W cm-2），美國喬治亞理工/南卡羅來納大學（>2.5 W cm-2），英國薩裡大學（~2.0 W cm-2），美國德拉瓦大學/國內武漢大學（1.5~2 W cm-2）的鹼性膜，而其他類型以及商業的鹼性膜（如，FuMA-Tech, Tokuyama, Gen）絕大多數都表現出較差的壽命與低的AEMFCs功率密度（0.1~0.5 W cm-2）。

成果簡介

近期，基於應用研究，韓國漢陽大學的Young Moo Lee院士課題組開發了系列高分子量的烷基嵌段型聚芳基哌啶共聚物（PDTP-x, 如圖1），揭示了鹼性膜與離聚物中水蒸汽滲透率在不同溼度下對電池水管理的影響機制。作者通過調控聚合物的離子交換容量與水蒸汽滲透率，選擇性的將此類聚合物應用於鹼性膜與陰陽極的離聚物，有效提升了陽極水的反滲透以及電池水管理，實現了AEMFCs在超高功率密度下的水平衡。

圖1. PDTP-x的合成路線圖。

研發的PDTP-x 鹼性膜具有超高的熱機械性能（拉伸強度達80 MPa，楊氏模量與儲存模量均超過2000 MPa，為已知鹼性膜之最），高的OH-傳導率 >150 mS/cm（超質子膜的水平），適中的溶脹與水吸收、優良的氣密性、高的耐鹼性（1 M NaOH at 80 ℃ >1500 h），如圖2。

圖2. a) 不同溼度下膜的水滲透率 (Water Permeability) 變化，b) 不同溼度下膜的氫氣滲透率 (Hydrogen Permeability) 變化, c) 不同膜在室溫下的機械性能，d) 不同膜在不同溼度，60 ℃下的離子傳導率。

研發的PDTP-x 離聚物具有OH-傳導率高、水蒸氣滲透率快、耐鹼性好，對催化劑的苯基吸附影響低等優點。

PDTP-x 的AEMFCs，在H2-O2下，電池功率密度達到2.58 W cm-2，電流密度接近 8 A cm-2, 在H2-air下功率密度達到1.38 W cm-2，處於世界頂尖水平。此類電池功率僅低於美國喬治亞理工的GT-x 增強膜，如圖3。

圖3. a) 鹼性膜，離聚物，以及膜電極照片，b) 基於PDTP-25膜與TKK Pt/C催化劑，不同陽/陰（A/C）極離聚物對AEMFCs電池性能的影響, c) 基於PFBP/PDTP-75離聚物與TKK Pt/C 陰極，不同陽極催化劑對電池性能的影響，d) 基於PDTP-25鹼性膜，AEMFCs在H2-O2與H2-air下的超高電池功率。

此外，PDTP-x 的AEMFCs比功率成本（Specific Power=功率密度÷貴金屬催化劑載量）超過 8 W g-1，在鉑基催化劑（PGM）的AEMFCs中（<5 W g-1）屬最高水平，如圖4。此類AEMFCs有效降低了貴金屬催化劑的載量，克服目前AEMFC催化劑載量高的短板。

圖4. 目前AEMFCs的功率密度與比功率成本對比。

陳南君（Nanjun Chen）博士後與胡川（Chuan Hu）博士為本文的第一作者，通訊作者為Young Moo Lee教授。目前，Lee的課題組已經成功開發出兩種性能優異的鹼性膜（PDTP-x為其中一種），可實現50-100 g/Batch的聚合物放大生產。相關論文發表於Angew. Chem. Int. Ed.。

受疫情影響，另一系列高性能的鹼性膜以及離聚物將在Nature Communications上推遲報導。Lee的課題組正致力於AEMFCs電池壽命以及非鉑催化劑在AEMFCs的應用研究，已取得突破性的成果，歡迎繼續關注。

文獻詳情：

Poly(alkyl-terphenyl piperidinium) ionomers and membranes with outstanding alkaline membrane fuel cell performance of 2.58 W cm-2

Young Moo Lee, Nanjun Chen, Chuan Hu, Ho Hyun Wang, Sun Pyo Kim, Hae Min Kim, Won Hee Lee, Joon Yong Bae, Jong Hyeong Park

Angew. Chem. Int. Ed., 2020, DOI: 10.1002/anie.202013395

團隊簡介

Prof. Young Moo Lee, 漢陽大學前校長，韓國工程院與科學院院士，第七屆東協膜協會主席，聚合物膜工程領域頂級雜誌Journal of Membrane Science 編輯。以通訊作者在Science (2 篇), Nature (1 篇), Nature Energy, Energy & Environmental Science, Progress in Polymer Science, Angewandte Chemie, Nature Communication, Journal of Membrane Science等氣體分離膜，新能源，水處理等聚合物膜領域發表高水平論文400餘篇以及多項具有國際影響力的專利, h因子103，他引34000餘次。

陳南君，漢陽大學博士後（2019. 8~至今），本碩博畢業於北京化工大學（導師：朱紅教授），北京市優秀畢業生，博士國家獎學金，以第一作者在Progress Polymer Science（1 篇）, Angewandte Chemie（1 篇）, Nature Communication（1 篇）, Journal of Material Chemistry A, ACS Applied Material & Interface, Journal of Membrane Science, Polymer Chemistry, Nanoscale, Electrochimica Acta等聚合物膜及燃料電池領域發表高水平論文13篇。4項國際專利（PCT專利1項，韓國專利3項），3項中國授權專利。H因子指數：14，他引用450餘次。

胡川，漢陽大學博士（2019. 8~至今），碩士畢業於廈門大學，以第一作者在Angewandte Chemie, Journal of Material Chemistry A, Journal of Membrane Science等燃料電池鹼性膜領域發表研究論文4篇，1項韓國專利。

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