Angew封面：碱性膜燃料电池技术突破，功率密度达2.58 W/cm2

自2000年以来，低成本的碱性膜燃料电池（AEMFCs）一直被视为替代质子交换膜燃料电池（PEMFCs）最有发展前景的技术手段，也被美国能源部（DOE）视为人类未来10年（2020-2030）重点研发与突破的电池技术。近年来，虽然无数的氢氧化（HOR）和氧还原（ORR）催化剂被开发应用于AEMFCs， 但本质上制约AEMFCs发展与商用的根本原因—还是其最为关键的核心部件—碱性膜（AEM）与离聚物（ionomer）的 “缺失”。

想要替代PEMFCs，真正实现AEMFCs在氢燃料电池汽车等领域的应用，AEMFCs就必须克服功率密度低与寿命差的短板。目前国内外大多数的碱性膜都面临OH^-传导率低，寿命与机械性能差，气密性与干湿循环稳定性不足等问题。因此，目前鲜有几种碱性膜的AEMFCs功率密度能达到PEMFCs的水平（~1.5 W cm^-2）：比如，美国洛斯阿拉莫斯国家实验室（~1.5 W cm^-2），美国佐治亚理工/南卡罗来纳大学（>2.5 W cm^-2），英国萨里大学（~2.0 W cm^-2），美国特拉华大学/国内武汉大学（1.5~2 W cm^-2）的碱性膜，而其他类型以及商业的碱性膜（如，FuMA-Tech, Tokuyama, Gen）绝大多数都表现出较差的寿命与低的AEMFCs功率密度（0.1~0.5 W cm^-2）。

近期，基于应用研究，韩国汉阳大学的Young Moo Lee院士（点击查看介绍）课题组开发了系列高分子量的烷基嵌段型聚芳基哌啶共聚物（PDTP-x, 如图1），揭示了碱性膜与离聚物中水蒸汽渗透率在不同湿度下对电池水管理的影响机制。作者通过调控聚合物的离子交换容量与水蒸汽渗透率，选择性的将此类聚合物应用于碱性膜与阴阳极的离聚物，有效提升了阳极水的反渗透以及电池水管理，实现了AEMFCs在超高功率密度下的水平衡。

图1. PDTP-x的合成路线图。

研发的PDTP-x 碱性膜具有超高的热机械性能（拉伸强度达80 MPa，杨氏模量与储存模量均超过2000 MPa，为已知碱性膜之最），高的OH^-传导率 >150 mS/cm（超质子膜的水平），适中的溶胀与水吸收、优良的气密性、高的耐碱性（1 M NaOH at 80 ℃ >1500 h），如图2。

图2. a) 不同湿度下膜的水渗透率 (Water Permeability) 变化，b) 不同湿度下膜的氢气渗透率 (Hydrogen Permeability) 变化,  c) 不同膜在室温下的机械性能，d) 不同膜在不同湿度，60 ℃下的离子传导率。

研发的PDTP-x 离聚物具有OH^-传导率高、水蒸气渗透率快、耐碱性好，对催化剂的苯基吸附影响低等优点。

PDTP-x 的AEMFCs，在H₂-O₂下，电池功率密度达到2.58 W cm^-2，电流密度接近 8 A cm^-2, 在H₂-air下功率密度达到1.38 W cm^-2，处于世界顶尖水平。此类电池功率仅低于美国佐治亚理工的GT-x 增强膜，如图3。

图3. a) 碱性膜，离聚物，以及膜电极照片，b) 基于PDTP-25膜与TKK Pt/C催化剂，不同阳/阴（A/C）极离聚物对AEMFCs电池性能的影响,  c) 基于PFBP/PDTP-75离聚物与TKK Pt/C 阴极，不同阳极催化剂对电池性能的影响，d) 基于PDTP-25碱性膜，AEMFCs在H₂-O₂与H₂-air下的超高电池功率。

此外，PDTP-x 的AEMFCs比功率成本（Specific Power=功率密度÷贵金属催化剂载量）超过 8 W g^-1，在铂基催化剂（PGM）的AEMFCs中（<5 W g^-1）属最高水平，如图4。此类AEMFCs有效降低了贵金属催化剂的载量，克服目前AEMFC催化剂载量高的短板。

图4. 目前AEMFCs的功率密度与比功率成本对比。

陈南君（Nanjun Chen）博士后与胡川（Chuan Hu）博士为本文的第一作者，通讯作者为Young Moo Lee教授。目前，Lee的课题组已经成功开发出两种性能优异的碱性膜（PDTP-x为其中一种），可实现50-100 g/Batch的聚合物放大生产。相关论文发表于Angew. Chem. Int. Ed.。

受疫情影响，另一系列高性能的碱性膜以及离聚物将在Nature Communications上推迟报道。Lee的课题组正致力于AEMFCs电池寿命以及非铂催化剂在AEMFCs的应用研究，已取得突破性的成果，欢迎继续关注。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Poly(alkyl-terphenyl piperidinium) ionomers and membranes with outstanding alkaline membrane fuel cell performance of 2.58 W cm^-2

Young Moo Lee, Nanjun Chen, Chuan Hu, Ho Hyun Wang, Sun Pyo Kim, Hae Min Kim, Won Hee Lee, Joon Yong Bae, Jong Hyeong Park

Angew. Chem. Int. Ed., 2020, DOI: 10.1002/anie.202013395

通讯作者

Prof. Young Moo Lee, 汉阳大学前校长，韩国工程院与科学院院士，第七届东盟膜协会主席，聚合物膜工程领域顶级杂志Journal of Membrane Science 编辑。以通讯作者在Science (2 篇), Nature (1 篇), Nature Energy, Energy & Environmental Science, Progress in Polymer Science, Angewandte Chemie, Nature Communication, Journal of Membrane Science 等气体分离膜，新能源，水处理等聚合物膜领域发表高水平论文400余篇以及多项具有国际影响力的专利, h因子103，他引34000余次。

Young Moo Lee

https://www.x-mol.com/university/faculty/284079

课题组网址：

http://mbl.hanyang.ac.kr/

陈南君，汉阳大学博士后（2019. 8~至今），本硕博毕业于北京化工大学（导师：朱红教授），北京市优秀毕业生，博士国家奖学金，以第一作者在Progress Polymer Science（1 篇）, Angewandte Chemie（1 篇）, Nature Communication（1 篇）, Journal of Material Chemistry A, ACS Applied Material & Interface, Journal of Membrane Science, Polymer Chemistry, Nanoscale, Electrochimica Acta等聚合物膜及燃料电池领域发表高水平论文13篇。4项国际专利（PCT专利1项，韩国专利3项），3项中国授权专利。H因子指数：14，他引用450余次。

胡川，汉阳大学博士（2019. 8~至今），硕士毕业于厦门大学，以第一作者在Angewandte Chemie, Journal of Material Chemistry A, Journal of Membrane Science等燃料电池碱性膜领域发表研究论文4篇，1项韩国专利。