伦敦大学学院团队《Science Advances》：纳米纤维膜用于增强质子交换膜燃料电池的性能和优化-山东化工网

伦敦大学学院团队《Science Advances》：纳米纤维膜用于增强质子交换膜燃料电池的性能和优化

文章来源：新能源网更新时间：2025-10-29 16:04:07

质子交换膜燃料电池(PEMFC) 作为一种可持续高效的能源技术备受关注。作为PEMFC 的核心部件，膜电极组件(MEA) 因其内部复杂的多相物理和化学相互作用而决定着燃料电池的整体性能。优化 MEA 不仅需要改进单个组件，还需要了解它们在系统内的协同作用。在这些组件中，质子交换膜 (PEM) 在质子传导、气体分离和燃料电池整体效率方面发挥着关键作用。然而，PEM 的创新制造方法的发展落后于膜和催化剂材料的进步。目前，膜的制备仍然主要依赖于溶液浇铸法。虽然这种方法简单且经济高效，但也存在一些缺点，例如难以实现均匀的厚度以及难以控制微观结构，这些都会直接影响膜的性能。人们探索了各种聚合物改性技术，例如将PEM与其他聚合物交联或接枝，以增强膜性能。然而，这些改性技术尚未在实际应用中表现出一致的性能和长期稳定性。高温 PEMFC (HT-PEMFC) 在120°至 200°C的较高温度下运行，与低温PEMFC (LT-PEMFC) 相比具有明显的优势，包括消除复杂的水管理系统、耐受不纯氢燃料源以及将废热集成到热电联产系统中。这些功能简化了系统设计并提高了整体效率，使 HT-PEMFC 成为固定式和便携式能源应用的理想选择。此外，HT-PEMFC 使用磷酸 (PA) 掺杂的PEM，其中 PA 充当主要质子导体，取代了 LT-PEMFC 中观察到的水依赖性传导机制。与水不同，水会导致 LT-PEMFC 发生水淹和性能下降，PA 在高温下仍保留在膜内，确保稳定的质子传输。然而，长时间运行时 PA 浸出仍然是一个关键问题，因为它可能导致催化剂层(CL) 降解和燃料电池效率下降。 PA中磷 (P) 的存在为使用基于X 射线的技术表征其分布和迁移提供了独特的优势，而这对于LT-PEMFC 中的水来说是不可行的。这些属性使HTPEMFC 成为研究关键燃料电池机制的最佳平台，包括三相边界(TPB) 形成、离子传输动力学和MEA 降解过程。
近日，伦敦大学学院团队开发了一种具有协同结构和界面增强的纳米纤维膜系统。通过纳米纤维结构和表面工程，该膜平衡了质子传导率、机械强度和电化学性能。夹层结构纳米纤维膜 (SSNFM) 在 100 小时加速应力测试后达到942 mW cm−2 的峰值功率密度，大大优于传统商用膜 (520 mW cm−2)。电化学表征证实，SSNFM 的质子传导率 (40.4 mS cm−1) 高于商用膜 (17.5 mS cm−1)。包括 X 射线计算机断层扫描和多相模拟在内的多尺度分析揭示了膜性能、催化剂层稳定性和三相边界形成的改善，从而促进了高效的电荷和质量传输。本研究提出了一种膜设计策略，以增强燃料电池在可持续能源应用中的性能。相关成果以“Nanofiber membranes for enhanced performance and optimization of proton exchange membrane fuel cells”为题，发表在《Science Advances》(期刊号：Sci. Adv. 11, eadw5747 (2025) IF=12.5)上。