高溫聚合物電解質膜燃料電池非連續界面構建與演化機制

近日，我所醇類燃料電池及復合電能源研究中心（DNL0305組）王素力研究員和孫公權研究員團隊在高溫聚合物電解質膜燃料電池（HT-PEMFC）低界面傳質阻力多孔電極設計構建研究方面取得新進展，團隊基于多孔電極表面能調控，實現了非連續磷酸液—固界面層的可控構建，并闡釋了該界面結構在工況下的演化機制與規律。

　　高純度氫氣在制取、存儲、運輸及加注方面存在的技術瓶頸，一直以來制約著燃料電池的商業化發展。在HT-PEMFC中，由于運行溫度升高（150-200^oC）使得電極對毒化組分（一氧化碳、硫化物等）耐受能力大幅提升。因此，HT-PEMFC技術可實現醇類、汽柴油等液態燃料重整制氫產物的直接利用，有望從根本上解決燃料儲運問題。但是，其與發展較為成熟的低溫聚合物電解質膜燃料電池（LT-PEMFC）相比，HT-PEMFC的面積比功率僅為后者的1/3至1/2，嚴重制約了其工程應用與商業化進程。這主要由于高溫體系下離子傳輸所必須的磷酸電解質的引入毒化了催化層中Pt基催化劑，以及液態磷酸侵入導致界面傳質阻力增大。

　　針對上述技術挑戰，研究團隊基于近年來在HT-PEMFC磷酸界面構建與演化機制方面的研究成果（J. Energy Chem.，2022；AIChE J.，2022；Nano Energy，2020；Mater. Today Nano，2022），提出了通過多孔電極表面能調控的方法，建立磷酸非均勻聚集與浸潤的全新界面結構，并結合靜電紡絲與電化學刻蝕手段，在微納尺度實現了纖維多孔電極的超疏酸構建。團隊利用原位環境掃描電鏡技術，觀察到了在模擬工況條件下磷酸液滴在多孔電極內的聚集分布，在實際多孔電極中實現了“非連續”液態磷酸界面層的構建，顛覆了傳統多孔電極的磷酸均勻浸潤模式。極限電流實驗結合CFD理論計算方法證實，該界面結構大幅降低了液態磷酸對催化活性位點的覆蓋厚度，進而顯著降低了界面傳質阻力。與傳統電極相比，該多孔纖維電極所組裝的HT-PEMFC膜電極峰值功率密度提高28%，展示了該類燃料電池的實際應用潛力。

　　相關研究結果以“Uneven phosphoric acid interfaces with enhanced electrochemical performance for high-temperature polymer electrolyte fuel cells”為題，發表在《科學進展》（Science Advances）上。該工作的共同第一作者是我所DNL0305組張子楠博士和夏章訊副研究員。上述工作得到了國家重點研發計劃、國家自然科學基金等項目的資助。（文/圖 張子楠、夏章訊）

　　文章鏈接：https://doi.org/10.1126/sciadv.ade1194