宽温域高温质子交换膜燃料电池研究最新进展

近年来,由于电动汽车领域巨大需求的推动,清洁可持续的质子交换膜燃料电池等新能源技术迅猛发展。然而其较低的工作温度(≤80 ℃)使得该系统只能以高纯氢气作为燃料,而高纯氢气的制备、运输和存储等挑战极大地限制了该系统的广泛应用。

相对于低温运行的质子交换膜燃料电池,高温质子交换膜燃料电池对H2燃料中的CO等杂质具有更高的耐受能力,因此可直接采用甲醇等液体现场重整氢气制作为燃料,有望解决质子交换膜燃料电池加氢难的问题。然而液态燃料重整制氢温度远高于现有商业化高温质子交换膜燃料电池的工作温度,导致系统效率较低。如何降低二者的温差是提升系统效率的关键。

高温质子交换膜燃料电池工作温度的高低主要决定于高温质子交换膜,而质子导体则是核心。现有商业化高温质子交换膜都采用磷酸为质子导体,但随着工作温度的升高,磷酸流失加快导致电池性能衰减速率提升。相对而言,无机固体质子导体具有良好的高温质子电导率稳定性,但成膜困难。寻找合适的高温质子导体和膜材料是提升高温质子交换膜工作温度(≥200 ℃)的重要挑战。

2020年6月8日,北京航空航天大学卢善富教授、澳大利亚科廷大学蒋三平教授和丹麦科技大学李庆峰教授团队综述了宽温域高温质子交换膜燃料电池(150-250 ℃)的最新进展,并提出了未来发展方向,相关成果以 “Advancement toward Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cells at Elevated Temperatures” 为题发表在Research上。

提升高温质子交换膜工作温度的关键在于开发新的质子导体,而采用磷酸盐或者焦磷酸盐复合高温无机固体质子导体的聚合物膜是提升高温质子交换膜燃料电池工作温度的理想选择之一,同时未来还需开发新的聚合物基体以替代合成路径复杂的PBI膜。更加重要的是,未来还需对复合膜高温质子电导率的稳定机制和质子传导机理进行详细的探讨。另一方面,燃料电池工作温度的提升促进了非贵金属催化剂在高温质子交换膜燃料电池中的应用,未来还需全面考察基于非贵金属催化剂和复合膜的高温质子交换膜燃料电池的高温稳定性和输出功率以及在重整甲醇燃料电池中的应用。

作者简介

卢善富,北京航空航天大学空间与环境学院教授,国家自然科学基金优秀青年科学基金和北京市青年拔尖人才计划获得者,主要从事聚合物电解质膜燃料电池、液流电池在内的能源转换与存储器件研究。近五年在高温质子交换膜燃料电池的关键材料与器件研究方面取得系列重要研究进展。

蒋三平,澳大利亚科廷大学约翰∙科廷杰出教授,并获得科廷大学终身成就奖。他主要从事电化学能源转换与储存技术方面的研究,特别是在燃料电池领域做了大量的原创性的研究,是全球能源科学与工程学科最具影响力的高被引的学者之一。

李庆峰,现为丹麦科技大学能源转化与存储系全职教授,是高温聚合物电解质膜燃料电池领域的资深专家。他的研究领域包含聚合物电解质、电催化剂以及燃料电池和电解池相关技术。[research科学研究]

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