垂直堆叠PTFE纳米纤维阵列高耐久质子交换膜燃料电池复合膜

垂直堆叠PTFE纳米纤维阵列高耐久质子交换膜燃料电池复合膜


由多孔聚四氟乙烯(PTFE)作为机械增强材料和全氟磺酸(PFSA)作为质子传导聚合物组成的增强复合膜(RCM)因其在聚合物质子交换膜(PEM)燃料电池中的高性能而备受关注。然而,在制备RCM时,聚合物纳米复合材料仍然面临着与PFSA中的亲水性磺酸盐基团和疏水性纳米多孔PTFE基质之间不混溶相互作用。因此,来自韩国工业技术研究所高级纺织研发部,首尔国立大学化学与生物工程学院的Chang-Kyu Hwang和KiRoYoon报告了一种用于生产交错排列的PTFE(CA-PTFE)框架。电场引导的静电纺丝能够产生独特的微米级网格型PTFE基质,该基质通过电纺共轭聚合物的退火合成,从而去除载体聚合物,并通过PTFE颗粒的融合形成连续的纤维结构。在网格型PTFE基体中均匀浸渍PFSA的CA-PTFE RCM促进了膜的水合作用,最大限度地减少了溶胀,并使质子通过浓磺酸盐基团有效扩散。

图1是Chang-KyuHwang等人制备RCM的流程示意图,这种RCM的电镜结构图如2所示。图3则是将RCM制备成膜电极组件MEA应用于燃料电池下的性能,可以看到与其他报道的在类似条件下运行的MEA(包括最先进的GORE-SELECT®膜)相比,含有CA-PTFE RCM的MEA可以提供出色的单电池性能。

综上所述,贡通过这种PTFE膜的合理设计,优化性能,最大限度地提高MEA的性能。采用CA-PTFERCM的电池在低湿度和高湿度运行期间均显示出出色的燃料电池性能,在0.6V和相对湿度100%条件下,电流密度为1.38A cm−2和最大功率密度为0.85W cm−2。此外,在单电池运行期间21000次干湿循环之后CA-PTFERCM能够实现持久的稳定性,具有显著低的氢交叉(在0.4V下小于5mA cm−2),这远超应用的膜耐久性标准。这可能使得MEA技术从实验室规模的测试过渡到燃料电池应用中的广泛实际应用成为可能。

图1:通过(a)常规和电场引导静电纺丝(b)和(c)无收集器旋转收集的纳米纤维图案的示意图和图像;(d)CA-PTFE合成和CA-PTFERCM制备的示意图。

图2:(a)排列的PEO/PTFE纤维的低倍率和(b)高倍率SEM图像,(c)排列的PEO/聚四氟乙烯纤维的取向分布函数;(d)低倍和(e)高倍SEM图像以及(f)CA-PTFE的截面图;(g)钙-聚四氟乙烯和(h)钙-PTFERCM的数码照片图像;(i)CA-PTFERCM横截面的SEM图像。

图3:(a)NR212、(b)c-PTFERCM和(c)CA-PTFERCM在相对湿度100%(施加压力为1.5bar)下进行的1500次循环前后的MEA性能。(d)NR212,(e)c-PTFERCM,和(f)CA-PTFERCM在相对湿度50%(施加压力1.0bar)下执行的1500次周期前后的MEA性能;在(a)RH100%和(b)RH50%下测量的1500次循环前后使用NR212、c-PTFERCM和CA-PTFE-RCM的MEA奈奎斯特图(在施加电位为0.6V、频率范围为100MHz和100kHz的情况下进行EIS);(i)CA-PTFERCM的氢交叉电流密度是长期干湿循环前后施加电势的函数(在100%相对湿度和1.0bar 施加压力下测量)。

以上研究成果发表在Nano Energy,论文的第一作者是韩国工业技术研究所高级纺织研发部,首尔国立大学化学与生物工程学院的Chang-Kyu Hwang,通讯作者是Ki Ro Yoon

原文链接:https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2022.107581

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