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過(guò)程工程所莊永兵等Macromolecules：聚酰亞胺材料用作無(wú)濕度環(huán)境寬溫域范圍（30-160°C）運(yùn)行的燃料電池質(zhì)子交換膜
2023-06-02  來(lái)源：高分子科技

  為了減少化石燃料的依賴性及對(duì)環(huán)境的影響，以及滿足可持續(xù)發(fā)展的能源需要，氫作為一種高效清潔的能源載體受到了廣泛關(guān)注。隨著質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）技術(shù)的快速發(fā)展，其高效、零污染物排放的發(fā)電方式將廣泛應(yīng)用于微電子器件、燃料電池汽車和大型電站中。根據(jù)與溫度和濕度相關(guān)的PEM的應(yīng)用條件，PEM主要分為兩類——低溫（LT）-PEM（在30?100°C下運(yùn)行）和高溫（HT）-PEM（在100?200°C下運(yùn)行）。例如，杜邦公司商業(yè)化的全氟磺酸基膜（Nafion ®膜系列）只能在高濕度和100°C以下使用，這需要復(fù)雜的水熱管理系統(tǒng)及配套的散熱器和加濕器。此外，磺化聚酰亞胺等作為LT-PEM也受到關(guān)注。目前應(yīng)用于HT-PEMFC最有潛力的膜是磷酸（PA）摻雜的聚苯并咪唑（PBIs）膜等。然而，它們表現(xiàn)出較差的溶解可加工性和在低溫低濕條件下具有較低的質(zhì)子電導(dǎo)。因此，研發(fā)在無(wú)濕度環(huán)境寬溫域范圍內(nèi)均能高效運(yùn)行的PEM成為現(xiàn)階段迫在眉睫的難題。迄今為止，很少有能在無(wú)濕度環(huán)境寬溫域范圍運(yùn)行的聚酰亞胺質(zhì)子交換膜的研究報(bào)道。


  最近中國(guó)科學(xué)院過(guò)程工程研究所莊永兵研究員等人在《Macromolecules》發(fā)表了名為“Finely adjusted intrinsically microporous copolyimide electrolyte  membranes for fuel cells operating in a wide temperature range”的文章，第一作者為中科院過(guò)程所博士生張宇。參與研究單位包括韓國(guó)漢陽(yáng)大學(xué)及衡陽(yáng)師范學(xué)院。研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金委面上項(xiàng)目（No. 52173210）及江蘇冰城氫能科技有限公司企業(yè)委托項(xiàng)目資助。相關(guān)研究成果申請(qǐng)國(guó)家發(fā)明專利6項(xiàng)，獲得專利授權(quán)5項(xiàng)。 


圖1 PA摻雜聚酰亞胺質(zhì)子交換膜的結(jié)構(gòu)及其質(zhì)子導(dǎo)電途徑的示意圖。


  在這項(xiàng)工作中，研究團(tuán)隊(duì)基于朝格爾堿基（Tro?ger’s base (TB)）合成了自具微孔結(jié)構(gòu)的共聚酰亞胺（co-PI），首次將聚酰亞胺用于寬溫域范圍運(yùn)行的質(zhì)子交換膜（PEMs）。將冠醚單元引入含朝格爾堿基的自具微孔聚酰亞胺主鏈，由于微孔的強(qiáng)大虹吸作用，以及冠醚和TB單元與磷酸（PA）和/或H2O的酸堿相互作用，即使沒(méi)有任何外部加濕器，磷酸摻雜的co-PI膜電極組件（MEA）可在無(wú)濕度的寬溫域或低濕度（低于60%RH）低溫（30?90°C）環(huán)境，氫氣/空氣條件下穩(wěn)定運(yùn)行。單電池性能方面，PI-TB-N30C在無(wú)水條件下，在80°C和160°C下分別獲得了250和361 mW cm?2的最大功率密度。此外，PA摻雜的co-PI-MEA可以在低溫或高溫下實(shí)現(xiàn)120小時(shí)的長(zhǎng)期穩(wěn)定操作。此項(xiàng)研究為拓寬自具微孔聚酰亞胺材料的應(yīng)用及制備適于寬溫域范圍運(yùn)行的燃料電池質(zhì)子交換膜提供了思路。


圖2基于65wt%PA摻雜的燃料電池在30°C、80°C和160°C、H2/空氣條件下的極化曲線和功率密度曲線。


  相關(guān)鏈接：Zhang, Y.; Dai, J.;  Lai, H.;  Wan, Y.;  Lee, Y. M.; Zhuang, Y. Finely Adjusted Intrinsically Microporous Copolyimide Electrolyte Membranes for Fuel Cells Operating in a Wide Temperature Range. Macromolecules, 2023. 

  https://doi.org/10.1021/acs.macromol.3c00395

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