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中科大徐銅文/楊正金團隊EES：多功能粘合劑，實現(xiàn)高功率、低鉑載量和耐用高溫燃料電池！

第一作者：李惠

通訊作者：徐銅文、楊正金

通訊單位：中國科學技術(shù)大學

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最先進的高溫聚合物電解質(zhì)膜燃料電池（HT-PEMFC），使用摻雜磷酸的聚苯并咪唑（PBI）材料平臺，對于長途運輸很有前景，但存在輸出功率低、鉑（Pt）利用率低以及在惡劣/動態(tài)操作條件下磷酸快速流失的問題。

本文報道了一種多功能含磷離子聚合物粘合劑（PFPA-PIM-SBI），該粘合劑源自本征微孔聚合物（PIMs），用于解決高溫質(zhì)子交換膜燃料電池（HT-PEMFCs）中的幾個關鍵問題。

PFPA-PIM-SBI通過共價鍵合的五氟苯基磷酸基團增強了質(zhì)子傳導性，其高度扭曲的分子構(gòu)型可能阻止了苯基團在鉑催化劑上的不利吸附，同時聚合物鏈封裝的阻滯提供了高微孔性，有助于氣體和產(chǎn)物的快速質(zhì)量傳輸。

這些特性共同促成了高性能的H₂/O₂燃料電池，實現(xiàn)了約50%的高Pt利用率，240 °C時的峰值功率密度超過1000 mW cm^-2，以及在超低Pt負載量0.07 mg cm^-2下，Pt質(zhì)量比峰值功率密度達到6.4 W mgPt^-1。

研究還發(fā)現(xiàn)，PFPA-PIM-SBI的非典型磷酸吸附性可以防止磷酸從膜到電極的遷移和隨后流失，使得在超低鉑載量或在加速應力測試下的燃料電池壽命更長。

圖文導讀

圖1：PFPA-PIM-SBI的合成和分子構(gòu)型，以及控制離子聚合物PFPA-TP、PVDF和PBI的N₂吸附-脫附等溫線和³¹P NMR譜。

圖2：PFPA-PIM-SBI離子聚合物粘合劑改善的三相界面示意圖，以及從分子動力學模擬得到的PFPA-PIM-SBI、PFPA-TP、PVDF和PBI離子聚合物在離子聚合物-鉑界面附近的O₂分布，以及不同離子聚合物的動態(tài)水蒸氣吸附等溫線。

圖3：PFPA-PIM-SBI基H₂/O₂燃料電池在提升的溫度和不同Pt載量下的性能，以及在不同Pt負載量下HT-PEMFC H₂/O₂燃料電池的Pt質(zhì)量特異性峰值功率密度的比較。

圖4：PFPA-PIM-SBI在膜電極界面對PA的非典型潤濕性示意圖，以及在動態(tài)切換電流密度和高頻的啟動/關閉中斷下，PFPA-PIM-SBI或PA-PBI作為離子聚合物粘合劑組裝的H₂/O₂ HT-PEMFC的電池電壓記錄。

總結(jié)展望

本研究中，作者概述了理想電極離子聚合物粘合劑材料的幾個特征，以PFPA-PIM-SBI為例，這是一種源自本征微孔聚合物的含磷離子聚合物粘合劑。PFPA-PIM-SBI為高達240°C的高溫H₂/O₂燃料電池提供了顯著的功率輸出、鉑利用率和耐久性，超越了已報道的HT-PEMFC膜電極組裝（MEAs）的性能。PFPA-PIM-SBI的非典型PA潤濕性，有效地防止了PA的損失，并顯著提高了MEA的穩(wěn)定性。

這一發(fā)現(xiàn)顯著提高了PA-PBI膜基HT-PEMFC在各種操作條件下的耐久性，包括高鉑載量和超低鉑載量以及動態(tài)電流和氣體化學計量比切換循環(huán)，頻繁的啟動/關閉循環(huán)。因此，使用PFPA-PIM-SBI作為粘合劑材料為減少HT-PEMFC中的鉑載量和提高耐久性提供了重要機會，特別是在重型車輛應用的背景下。未來的工作應致力于合成磷酰化聚合物膜，這些膜由于磷酸基團之間的強氫鍵相互作用而太脆。

文獻信息

標題：Electrode binder design for high-power, low-Pt loading and durable high temperature fuel cells

期刊：Energy & Environmental Science

DOI：10.1039/D4EE00646A

原創(chuàng)文章，作者：計算搬磚工程師，如若轉(zhuǎn)載，請注明來源華算科技，注明出處：http://www.zzhhcy.com/index.php/2024/04/27/c9227d62aa/

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