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近日，大連化物所醇類燃料電池及復(fù)合電能源研究中心（DNL0305組）王素力研究員和孫公權(quán)研究員團隊在高溫聚合物電解質(zhì)膜燃料電池（HT-PEMFC）低界面?zhèn)髻|(zhì)阻力多孔電極設(shè)計構(gòu)建研究方面取得新進展，團隊基于多孔電極表面能調(diào)控，實現(xiàn)了非連續(xù)磷酸液—固界面層的可控構(gòu)建，并闡釋了該界面結(jié)構(gòu)在工況下的演化機制與規(guī)律。
高純度氫氣在制取、存儲、運輸及加注方面存在的技術(shù)瓶頸，一直以來制約著燃料電池的商業(yè)化發(fā)展。在HT-PEMFC中，由于運行溫度升高（150-200℃）使得電極對毒化組分（一氧化碳、硫化物等）耐受能力大幅提升。因此，HT-PEMFC技術(shù)可實現(xiàn)醇類、汽柴油等液態(tài)燃料重整制氫產(chǎn)物的直接利用，有望從根本上解決燃料儲運問題。但是，其與發(fā)展較為成熟的低溫聚合物電解質(zhì)膜燃料電池（LT-PEMFC）相比，HT-PEMFC的面積比功率僅為后者的1/3至1/2，嚴(yán)重制約了其工程應(yīng)用與商業(yè)化進程。這主要由于高溫體系下離子傳輸所必須的磷酸電解質(zhì)的引入毒化了催化層中Pt基催化劑，以及液態(tài)磷酸侵入導(dǎo)致界面?zhèn)髻|(zhì)阻力增大。
針對上述技術(shù)挑戰(zhàn)，研究團隊基于近年來在HT-PEMFC磷酸界面構(gòu)建與演化機制方面的研究成果（J. Energy Chem.，2022；AIChE J.，2022；Nano Energy，2020；Mater. Today Nano，2022），提出了通過多孔電極表面能調(diào)控的方法，建立磷酸非均勻聚集與浸潤的全新界面結(jié)構(gòu)，并結(jié)合靜電紡絲與電化學(xué)刻蝕手段，在微納尺度實現(xiàn)了纖維多孔電極的超疏酸構(gòu)建。團隊利用原位環(huán)境掃描電鏡技術(shù)，觀察到了在模擬工況條件下磷酸液滴在多孔電極內(nèi)的聚集分布，在實際多孔電極中實現(xiàn)了“非連續(xù)”液態(tài)磷酸界面層的構(gòu)建，顛覆了傳統(tǒng)多孔電極的磷酸均勻浸潤模式。極限電流實驗結(jié)合CFD理論計算方法證實，該界面結(jié)構(gòu)大幅降低了液態(tài)磷酸對催化活性位點的覆蓋厚度，進而顯著降低了界面?zhèn)髻|(zhì)阻力。與傳統(tǒng)電極相比，該多孔纖維電極所組裝的HT-PEMFC膜電極峰值功率密度提高28%，展示了該類燃料電池的實際應(yīng)用潛力。
相關(guān)研究結(jié)果以“Uneven phosphoric acid interfaces with enhanced electrochemical performance for high-temperature polymer electrolyte fuel cells”為題，發(fā)表在《科學(xué)進展》（Science Advances）上。該工作的共同第一作者是大連化物所DNL0305組張子楠博士和夏章訊副研究員。上述工作得到了國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金等項目的資助。（文/圖 張子楠、夏章訊）
