催化层掺杂共价有机框架材料提升高温聚电解质膜燃料电池性能

作     者：田立亮 张玮琦 解政 彭凯 马强 徐谦 Sivakumar Pasupathi 苏华能 Liliang Tian;Weiqi Zhang;Zheng Xie;Kai Peng;Qiang Ma;Qian Xu;Sivakumar Pasupathi;Huaneng Su

作者机构：江苏大学能源研究院江苏镇江212013 西开普大学南非先进材料化学研究所南非开普敦7535 

出 版 物：《物理化学学报》 (Acta Physico-Chimica Sinica)

年 卷 期：2021年第37卷第9期

页      面：218-224页

核心收录：

学科分类：081704[工学-应用化学] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 

基　　金：国家重点研发计划(2018YFE0121200) 国家自然科学基金(21676126) 江苏高校优势学科建设工程项目(PAPD)资助 

主　　题：高温聚电解质膜燃料电池 膜电极 共架有机框架 磷酸流失 稳定性 

摘      要：基于磷酸掺杂聚苯并咪唑(PBI)高温聚电解质膜燃料电池(HT-PEMFC)具有环境耐受性好、水热管理简单等优点,被认为是未来PEMFC的发展方向。而减少其运行过程中磷酸电解质的流失是维持HT-PEMFC性能稳定性的关键因素。在本工作中,我们提出在电极催化层中引入一种席夫碱型(SNW-1)共价有机框架(COF)材料的策略来减少膜电极(MEA)中的磷酸流失,从而增强HT-PEMFC的耐久性。由于该COF材料中大量与磷酸分子匹配的微孔和特定的官能团结构,使其不仅拥有优越的磷酸保留能力,而且具有良好的质子传导能力,因此该HT-PEMFC在电池加速老化测试中展现出很好的稳定性。此外,发现在催化层中引入5%–10%的COF材料,可有效提高电极电化学活性面积并降低电池的欧姆内阻和电荷转移电阻,从而可进一步提高HT-PEMFC放电性能。在150℃、氢/空和常压操作条件下,工作电压0.6 V时催化层中添加10%COF材料的电池电流密度达到0.361 A·cm^(−2),较常规电池性能提升30%左右。该工作说明在催化层中掺杂适量COF材料有希望成为提升HT-PEMFC性能和耐久性的一种有效策略。