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(tuán)隊(duì)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(jì)構(gòu)建研究方面取得新進(jìn)展，團(tuán)隊(duì)基于多孔電極表面能調(diào)控，實(shí)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(jī)制與規(guī)律。

高純度氫氣在制取、存儲(chǔ)、運(yùn)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(yùn)行溫度升高（150-200℃）使得電極對(duì)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(shí)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(chǔ)運(yùn)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(jìn)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(duì)上述技術(shù)挑戰(zhàn)，研究團(tuán)隊(duì)基于近年來在HT-PEMFC磷酸界面構(gòu)建與演化機(jī)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(rùn)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(shí)現(xiàn)了纖維多孔電極的超疏酸構(gòu)建。團(tuán)隊(duì)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(shí)際多孔電極中實(shí)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(rùn)模式。極限電流實(shí)驗(yàn)結(jié)合CFD理論計(jì)算方法證實(shí)，該界面結(jié)構(gòu)大幅降低了液態(tài)磷酸對(duì)催化活性位點(diǎn)的覆蓋厚度，進(jìn)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(shí)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(jìn)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(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金等項(xiàng)目的資助。（文/圖 張子楠、夏章訊）