用于高效质子交换膜组合再生燃料电池两性钛多孔传输层

　　Science Advances：

　　第一作者：Ahyoun Lim通讯作者：Yung-Eun Sung, Jong Min

　　Kim and Hyun S. Park通讯单位：韩国首尔国立大学DOI：10.1126/sciadv.abf7866

　　背景随着温室气体排放导致的全球变暖变得越来越严重，全世界都在努力用可再生能源替代化石燃料。可再生能源，如阳光、风、波浪和地热由于其可持续性和环境友好性，近年来越来越多地被利用。然而，由于可再生能源资源存在间歇性，特别是供需不平衡，往往限制了它们的直接利用。为了解决间歇性问题，已经提出了辅助能量存储和转换系统，如聚合物电解质膜组合再生燃料电池或锂离子电池。然而，聚合物电解质膜组合再生燃料电池(PEM-URFCs)所需双功能多孔传输层(PTLs)在单个组合系统中存在以下矛盾:燃料电池(FC)模式下排水的疏水性VS.电解池(EC)模式下补水的亲水性。

　　研究的问题本文报告了一种高性能的两性钛PTL，其具有交替的疏水和亲水通道，因而适用于燃料电池和电解池模式。为了制作两性PTL，本文使用了一种阴影掩膜构图工艺，使用超薄聚二甲基硅氧烷(PDMS)刷作为疏水表面改性剂，它可以改变钛PTL的表面极性而不降低其电导率。因此，两性PTL的性能在光纤通道(@ 0.6 V)中提高了4.3倍，在光纤通道(@ 1.8 V)中提高了1.9倍。为了阐明其性能增强的原因，在扫描电化学显微镜下研究了通过两性PTL疏水通道中的气体发散情况。

　　结语

　　为了提高URFC装置的稳定性，应在URFC质子交换膜中使用更稳定的铂，如铂/二氧化锡、氧化铈上的铂单层、坚固的OER催化剂和具有良好热机械稳定性的强化膜。然而，尽管铂-ECSA减少了31%，在运行160小时后记录到33%的RT，这仅比全新电池的初始RT低3%。总之，本研究首次引入了一种用于高效URFC相关的两性钛PTL，其具有图案化的亲水和疏水通道。图案化的PTL被设计成具有优化的水和气体传输路径，同时满足质子交换膜-URFC存在的矛盾，即燃料电池运行的疏水性和亲水性活性。在常规质子交换膜-URFC氧电极中，亲水性铱催化剂和疏水性铂催化剂分别在燃料电池和电化学模式中成为干扰物。通过引入高效的水和气体传输，两性PTL在燃料电池模式下(0.6 V，相对湿度65)将URFC性能提高了4.3倍，在电子控制模式下(1.8 V)将性能提高了1.9倍。使用两性性钛PTL，仅使用0.95g/cm2的铂和铱就获得了36%的RT。本研究中显示的方法提供了很有价值的方案，可用于解决矛盾的水管理问题，并确保高效的水资源综合利用。