陰離子交換膜燃料電池（AEMFCs）因其潛在的成本優勢而受到廣泛關注，然而，在AEMFCs的發展過程中，復雜的水管理問題是其面臨的重要挑戰。
天津大學團隊設計制備了輕度支化的聚芳基哌啶型陰離子交換膜，成功應用于100 °C的AEMFCs中，證實了輕度支化的膜結構設計結合高溫運行能夠實現高效的水平衡管理，并取得了優異的燃料電池性能（~2 W cm?2的極限功率密度）和耐久性（195 h穩定性測試后電壓衰減~4%，衰減速率140 mV h?1）。
2024年3月8日，相關論文以“High-temperature anion-exchange membrane fuel cells with balanced water management and enhanced stability”為題在線發表于Joule期刊。論文第一作者為薛建黨博士和John C. Douglin，通訊作者為天津大學Michael D. Guiver教授、尹燕教授和以色列理工學院Dario R. Dekel教授。
相比于較為成熟的質子膜燃料電池，對AEMFCs的廣泛關注主要得益于其潛在的成本優勢，即在堿性的操作環境下能夠使用非鉑族貴金屬催化劑和更加便宜的電池組件。經過數十年的發展，AEMFCs在功率輸出和穩定性等方面都取得了實質性進步，然而，要真正實現AEMFCs的推廣應用，其復雜的水管理難題亟需得到有效解決，以便進一步提高燃料電池的耐久性。已有的報道中水管理問題的解決主要是對AEMFCs的膜電極進行重新設計以及對測試條件進行優化，但是AEMFCs中水平衡的敏感性問題仍然沒有得到根本上的解決。
研究者普遍認同提高燃料電池的操作溫度能夠有助于簡化水管理，解決燃料電池對水平衡的敏感問題，同時這種策略在高溫質子膜燃料電池的研究中得到有效驗證，然而由于陰離子交換膜（AEMs）等關鍵材料的限制，高溫陰離子交換膜燃料電池（HT-AEMFCs）的研究目前仍然處于探索階段。基于此背景，作者以聚芳基哌啶型（PAP）AEMs為基礎，進一步設計制備了輕度支化的PAP AEMs（圖1）。
通過對輕度支化的PAP AEMs進行基礎結構性能表征，作者發現輕度支化后的AEMs特性粘度和密度相比于未支化的AEMs均得到顯著提高，同時隨著支化度的進一步增加，特性粘度和密度發生一定程度的下降（表1）。輕度支化后的AEMs較高的特性粘度（4 dL g?1）表示聚合物具有較高的相對分子質量，同時意味著聚合物鏈段纏結的程度增加。作者進一步對AEMs的自由體積參數進行表征，結果表明特性粘度和密度隨著支化度的增加而下降的原因，和更多的剛性支化劑的引入有關，更多的支化單元使得聚合物網絡中自由體積增大。這種由輕度支化的結構設計帶來的聚合物鏈段纏結和自由體積效應對AEMs的性能產生重要影響。
研究團隊首先對AEMs的水管理性能進行了測試表征，其中支化單元為0.5 mol%的AEMs（PTP/TPB-0.5%）在液態水和水蒸氣環境下均表現出合理的吸水率以及良好的耐溶脹性能，同時具有對濕度變化更好的響應性和更快的水擴散系數（圖2）。輕度支化的AEMs實現了合理的吸水率/耐溶脹和快速的水傳輸，表現出優異的水管理性能。已有報道中很少有從AEMs結構設計的角度實現燃料電池的有效水管理。
作者進一步對AEMs的其他關鍵性能進行了測試表征，其中氫氧化離子電導率在80 °C液態水中最高可達126.4 mS cm?1，室溫下機械拉伸強度達到69 MPa，斷裂伸長率達到35%，在80 °C 1 M NaOH溶液中進行堿性穩定性測試60天后膜的化學結構沒有發生顯著變化，在100 °C 1 M NaOH溶液中進行堿性穩定性測試30天后出現了離子基團降解，但是老化后的膜仍然保持了優異的機械性能，保留了約60%的初始電導率。
在H2/O2的AEMFCs測試中，通過提高操作溫度到100 °C同時施加100 kPa背壓，燃料電池的極限功率密度達到~2 W cm?2，同時在大電流區域的傳質問題得到有效解決，沒有出現電壓波動等現象，這意味著100°C的高溫燃料電池達到了優異的水平衡（圖3）。據作者了解，在目前已有的少量超過80 °C的陰離子膜燃料電池報道中，該研究首次實現了高功率密度輸出和優異耐久性的雙贏。
該研究對輕度支化的AEMs的高溫陰離子交換膜燃料電池的研究，為開拓高溫陰離子交換膜燃料電池領域的發展具有重要意義，輕度支化結構的設計證實了對AEMs的性能（尤其是膜的水管理性能）的有效調控，這種AEMs的化學微結構設計實現了膜的高效水平衡優勢，同時與高溫運行相結合，為實現陰離子交換膜燃料電池的簡單、高效水平衡管理提供了科學方法和控制策略。
相關論文信息：
https://doi.org/10.1016/j.joule.2024.02.011
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