近日，大连化物所燃料电池研究部醇类燃料电池及复合电能源共性核心技术研究组(DNL0311组)王素力研究员和孙公权研究员团队在高温聚合物电解质膜方面取得新进展，研发出一类磷酸掺杂聚联苯基哌啶电解质膜，拓宽了高温聚合物电解质膜燃料电池(HT-PEMFC)的操作温度，为该类电池的实际应用奠定基础。
HT-PEMFC具有耐CO毒化能力强、水热管理简单等优势，近年来成为研究热点。传统的磷酸掺杂聚苯并咪唑膜由于磷酸与聚苯并咪唑之间的结合能(约17kcal/mol)低，在低温、高湿环境下磷酸流失严重，导致该类电池工作温度限制在140至180℃。拓宽高温聚合物电解质膜的工作温度，将有助于缩短电池启动时间，提高电池的环境适应性。
本工作中，研究团队利用哌啶阳离子与H2PO4-间的高结合能(约109kcal/mol)这一特点，研制出一类新型磷酸掺杂聚联苯基哌啶电解质膜，审稿人认为，“该工作首次将哌啶基电解质膜应用于HT-PEMFC领域”。团队通过取代基效应调控哌啶阳离子周围的空间位阻、聚合物电解质膜的亲疏水性和自由体积，从而进一步提高了电解质膜与磷酸间的相互作用(磷酸掺杂度较传统聚苯并咪唑提高约1倍)，将电解质膜的工作温度拓宽到40至160℃。特别是在120℃、干气进料这一“汽车中燃料电池的理想运行条件”下，该类膜组装的燃料电池峰值功率密度超过1.5W/cm2，且稳定运行时间超过1000h，展示了该类聚合物电解质膜的优势与实际应用潜力。
相关研究结果以“Alkyl-substituted poly(arylene piperidinium) membranes enhancing the performance of high-temperature polymer electrolyte membrane fuel cells”为题，于近日发表在《材料化学A》(Journal of Materials Chemistry A)上。该工作的共同第一作者是我所DNL0311组博士研究生李晋源和杨丛荣副研究员。上述工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金等项目的资助。(文/图 李晋源)
