高温聚合物电解质膜燃料电池非连续界面构建与演化机制

近日，我所醇类燃料电池及复合电能源研究中心（DNL0305组）王素力研究员和孙公权研究员团队在高温聚合物电解质膜燃料电池（HT-PEMFC）低界面传质阻力多孔电极设计构建研究方面取得新进展，团队基于多孔电极表面能调控，实现了非连续磷酸液—固界面层的可控构建，并阐释了该界面结构在工况下的演化机制与规律。

　　高纯度氢气在制取、存储、运输及加注方面存在的技术瓶颈，一直以来制约着燃料电池的商业化发展。在HT-PEMFC中，由于运行温度升高（150-200^oC）使得电极对毒化组分（一氧化碳、硫化物等）耐受能力大幅提升。因此，HT-PEMFC技术可实现醇类、汽柴油等液态燃料重整制氢产物的直接利用，有望从根本上解决燃料储运问题。但是，其与发展较为成熟的低温聚合物电解质膜燃料电池（LT-PEMFC）相比，HT-PEMFC的面积比功率仅为后者的1/3至1/2，严重制约了其工程应用与商业化进程。这主要由于高温体系下离子传输所必须的磷酸电解质的引入毒化了催化层中Pt基催化剂，以及液态磷酸侵入导致界面传质阻力增大。

　　针对上述技术挑战，研究团队基于近年来在HT-PEMFC磷酸界面构建与演化机制方面的研究成果（J. Energy Chem.，2022；AIChE J.，2022；Nano Energy，2020；Mater. Today Nano，2022），提出了通过多孔电极表面能调控的方法，建立磷酸非均匀聚集与浸润的全新界面结构，并结合静电纺丝与电化学刻蚀手段，在微纳尺度实现了纤维多孔电极的超疏酸构建。团队利用原位环境扫描电镜技术，观察到了在模拟工况条件下磷酸液滴在多孔电极内的聚集分布，在实际多孔电极中实现了“非连续”液态磷酸界面层的构建，颠覆了传统多孔电极的磷酸均匀浸润模式。极限电流实验结合CFD理论计算方法证实，该界面结构大幅降低了液态磷酸对催化活性位点的覆盖厚度，进而显著降低了界面传质阻力。与传统电极相比，该多孔纤维电极所组装的HT-PEMFC膜电极峰值功率密度提高28%，展示了该类燃料电池的实际应用潜力。

　　相关研究结果以“Uneven phosphoric acid interfaces with enhanced electrochemical performance for high-temperature polymer electrolyte fuel cells”为题，发表在《科学进展》（Science Advances）上。该工作的共同第一作者是我所DNL0305组张子楠博士和夏章讯副研究员。上述工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金等项目的资助。（文/图 张子楠、夏章讯）

　　文章链接：https://doi.org/10.1126/sciadv.ade1194