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倫敦大學學院團隊《Science Advances》：納米纖維膜用于增強質(zhì)子交換膜燃料電池的性能和優(yōu)化

文章來源：新能源網(wǎng) 更新時間：2025-10-29 16:04:07

質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC) 作為一種可持續(xù)高效的能源技術備受關注。作為PEMFC 的核心部件，膜電極組件(MEA) 因其內(nèi)部復雜的多相物理和化學相互作用而決定著燃料電池的整體性能。優(yōu)化 MEA 不僅需要改進單個組件，還需要了解它們在系統(tǒng)內(nèi)的協(xié)同作用。在這些組件中，質(zhì)子交換膜 (PEM) 在質(zhì)子傳導、氣體分離和燃料電池整體效率方面發(fā)揮著關鍵作用。然而，PEM 的創(chuàng)新制造方法的發(fā)展落后于膜和催化劑材料的進步。目前，膜的制備仍然主要依賴于溶液澆鑄法。雖然這種方法簡單且經(jīng)濟高效，但也存在一些缺點，例如難以實現(xiàn)均勻的厚度以及難以控制微觀結(jié)構(gòu)，這些都會直接影響膜的性能。人們探索了各種聚合物改性技術，例如將PEM與其他聚合物交聯(lián)或接枝，以增強膜性能。然而，這些改性技術尚未在實際應用中表現(xiàn)出一致的性能和長期穩(wěn)定性。高溫 PEMFC (HT-PEMFC) 在120°至 200°C的較高溫度下運行，與低溫PEMFC (LT-PEMFC) 相比具有明顯的優(yōu)勢，包括消除復雜的水管理系統(tǒng)、耐受不純氫燃料源以及將廢熱集成到熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)中。這些功能簡化了系統(tǒng)設計并提高了整體效率，使 HT-PEMFC 成為固定式和便攜式能源應用的理想選擇。此外，HT-PEMFC 使用磷酸 (PA) 摻雜的PEM，其中 PA 充當主要質(zhì)子導體，取代了 LT-PEMFC 中觀察到的水依賴性傳導機制。與水不同，水會導致 LT-PEMFC 發(fā)生水淹和性能下降，PA 在高溫下仍保留在膜內(nèi)，確保穩(wěn)定的質(zhì)子傳輸。然而，長時間運行時 PA 浸出仍然是一個關鍵問題，因為它可能導致催化劑層(CL) 降解和燃料電池效率下降。 PA中磷 (P) 的存在為使用基于X 射線的技術表征其分布和遷移提供了獨特的優(yōu)勢，而這對于LT-PEMFC 中的水來說是不可行的。這些屬性使HTPEMFC 成為研究關鍵燃料電池機制的最佳平臺，包括三相邊界(TPB) 形成、離子傳輸動力學和MEA 降解過程。
近日，倫敦大學學院團隊開發(fā)了一種具有協(xié)同結(jié)構(gòu)和界面增強的納米纖維膜系統(tǒng)。通過納米纖維結(jié)構(gòu)和表面工程，該膜平衡了質(zhì)子傳導率、機械強度和電化學性能。夾層結(jié)構(gòu)納米纖維膜 (SSNFM) 在 100 小時加速應力測試后達到942 mW cm−2 的峰值功率密度，大大優(yōu)于傳統(tǒng)商用膜 (520 mW cm−2)。電化學表征證實，SSNFM 的質(zhì)子傳導率 (40.4 mS cm−1) 高于商用膜 (17.5 mS cm−1)。包括 X 射線計算機斷層掃描和多相模擬在內(nèi)的多尺度分析揭示了膜性能、催化劑層穩(wěn)定性和三相邊界形成的改善，從而促進了高效的電荷和質(zhì)量傳輸。本研究提出了一種膜設計策略，以增強燃料電池在可持續(xù)能源應用中的性能。相關成果以“Nanofiber membranes for enhanced performance and optimization of proton exchange membrane fuel cells”為題，發(fā)表在《Science Advances》(期刊號：Sci. Adv. 11, eadw5747 (2025) IF=12.5)上。

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