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第一作者：Seungju Lee, Jong Geun Seong, YoungSuk Jo.

通訊作者：Suk-Woo Nam, So Young Lee，Hyoung-Juhn Kim

通訊單位：韓國科學技術研究院、韓國能源技術研究院

論文速覽

在高溫下運行聚合物電解質膜（PEM）燃料電池可以簡化水管理并允許與高純度燃料處理單元集成，但現有的聚苯并咪唑（PBI）基質子交換膜燃料電池面臨挑戰，因為質子傳輸在160 ℃以上不穩定。

本論文介紹了一種新型的高溫操作聚合物電解質膜（PEM），該膜由p-PBI和磷酸氫鈰（CeHP）自組裝網絡（SAN）構成，能夠在高達250 °C的溫度下應用于燃料電池。

在制備過程中，海膽狀CeHP顆粒在PBI基質（SAN-CeHP-PBI）中形成了一個分散良好且相互連接的自組裝網絡，使其在200 ℃以上的質子傳輸方面優于p-PBI和常規CeHP-PBI PEMs。

研究團隊報告了基于SAN-CeHP-PBI的燃料電池在250 °C干燥的H₂/O₂環境下達到了2.35 W cm^-2的最大功率密度，并且在160-240 °C的熱循環（H₂/空氣）下500 h內幾乎無退化。

此外，SAN-CeHP-PBI還展示了優異的CO耐受性，為與液態氫載體系統集成提供了可能性。

圖文導讀

圖1：傳統PA摻雜PBI PEMs（包括m-PBI和AB-PBI）的制造過程，CeHP-PBI的制造過程，以及SAN-CeHP-PBI的原位溶膠-凝膠過程。

圖2：海膽狀自組裝網絡聚合物電解質膜與其他材料的形態，包括p-PBI、CeHP-PBI和SAN-CeHP-PBI的SEM圖像和TEM圖像。

圖3：在不同操作溫度下，使用CeHP粉末和MEAs從SAN-CeHP-PBI、CeHP-PBI和p-PBI獲得的31P VT MAS NMR譜圖，以及通過平面質子導電性結果和質子導電性的溫度依賴性。

圖4：SAN-CeHP-PBI、CeHP-PBI和p-PBI在80、150、200和250 °C操作溫度下的電流密度-電壓（J-V）和電流密度-功率密度（J-Pd）曲線。

圖5：SAN-CeHP-PBI在長期穩定性測試中的性能，包括在250 °C下0.2 A cm^-2恒定電流密度下117 h的測試結果和電化學阻抗譜（EIS）分析。

圖6：SAN-CeHP-PBI在高于250 °C的操作溫度下的單電池性能結果，以及與其他類型的燃料電池（包括ITFCs、PCFCs、MCFCs和SOFCs）的性能比較。

圖7：SAN-CeHP-PBI的操作可靠性和耐久性，包括在不同溫度下的熱循環測試和CO耐受性測試。

圖8：與液態氫載體處理器（LHC processor）集成的HT-PEMFC的性能，包括使用H12-NEC處理器和甲醇重整器的實驗系統示意圖和性能曲線。

總結展望

本研究開發了一種新型的自組裝網絡聚合物電解質膜（SAN-CeHP-PBI），該膜能夠在250 °C的高溫下穩定運行，顯著提高了燃料電池的質子傳輸性能。

通過優化CeHP與p-PBI的自組裝過程，實現了優異的分散性和互連性，從而在高溫下獲得了高效的質子傳導。研究中，基于SAN-CeHP-PBI的燃料電池在250 °C時達到了2.35 W cm^-2的最大功率密度，并在500 h的熱循環測試中顯示出了極低的退化率。

此外，該膜還表現出了卓越的CO耐受性，為與液態氫載體系統集成提供了潛在的應用前景。這些成果不僅為高溫燃料電池的發展提供了重要的材料基礎，也為未來在交通運輸等領域的實際應用鋪平了道路。

文獻信息

標題：Self-assembled network polymer electrolyte membranes for application in fuel cells at 250?°C

期刊：Nature Energy

DOI：10.1038/s41560-024-01536-4

原創文章，作者：wang，如若轉載，請注明來源華算科技，注明出處：http://www.zzhhcy.com/index.php/2024/06/10/6aba0c3f20/

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