全氟磺酸（PFSA）質(zhì)子交換膜作為燃料電池電堆的核心部件之一，決定了電池的輸出功率和壽命。在這里，研究人員采用原位X射線技術(shù)（GIWAXS和GISAXS）探索了短支鏈全氟磺酸質(zhì)子交換膜從溶液到成膜過(guò)程中的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)演變。并發(fā)現(xiàn)了一種“溪流-水庫(kù)”形態(tài)，可以實(shí)現(xiàn)高效的質(zhì)子傳輸。短側(cè)鏈 (SSC) PFSA PEM 是在形態(tài)優(yōu)化的指導(dǎo)下制造的，其質(zhì)子傳導(dǎo)率為 193 milliSiemens per centimeter [95% 相對(duì)濕度 (RH)] 和 40 milliSiemens per centimeter (40% RH) 80℃。改進(jìn)的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度、透水性和機(jī)械強(qiáng)度使高溫低濕 FC 應(yīng)用成為可能。燃料電池測(cè)試結(jié)果表明，在高溫低濕條件下（110℃, 25% RH），短支鏈全氟磺酸質(zhì)子交換膜比長(zhǎng)支鏈全氟磺酸質(zhì)子交換膜電池性能高出了82.3%。對(duì)鏈構(gòu)象、包裝機(jī)制的見(jiàn)解，PFSA 的結(jié)晶和相分離建立了結(jié)構(gòu)-性能關(guān)系。此外，SSC-PFSA PEM 非常適合高功率密度和重載應(yīng)用迫切需要的高溫低濕的燃料電池。
Fig 1. ( A ) SSC-PFSA 成膜過(guò)程的原位 GIWAXS表征。( B ) 臨界結(jié)構(gòu)形態(tài)的衍射峰。( C ) 離子相衍射峰 (~0.2 Å
-1 ) 和 ( D ) 鏈序峰 (1.2 Å
-1 ) 的演化過(guò)程。SSC-PFSA 薄膜在 ( E ) 面內(nèi) (IP) 和 ( F ) 面外 (OOP) 方向上的原位 GISAXS 圖。GISAXS在 ( G ) IP 和 ( H ) OOP 方向上的 Guinier-Porod 擬合圖。
Fig 2.( A ) 溶劑蒸發(fā)過(guò)程中的四步 PFSA 鏈自組裝。( B ) 鏈構(gòu)象在溶劑蒸發(fā)和 ( C ) 鏈排序過(guò)程中發(fā)生變化（q從 1.8 到 2.0 Å
-1 ）。( D ) SSC-PFSA膜結(jié)構(gòu)三維示意圖：灰色區(qū)域代表疏水相，黃色區(qū)域代表親水相。
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Fig 3. ( A ) PFSA 離聚物的化學(xué)結(jié)構(gòu)。( B ) PFSA 膜的吸水率和相應(yīng)的含水量（插圖）。( C ) PFSA 膜在室溫和飽和水蒸氣環(huán)境下厚度方向的溶脹率 (~2 μm)。( D ) 膜在 23±2℃和 50% RH 下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。( E ) PFSA 膜的動(dòng)態(tài)力學(xué)分析光譜。( F ) PFSA 膜在 80℃和不同 RH 值下的質(zhì)子傳導(dǎo)率。
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Fig 4. ( A ) PFSA 膜在 80℃和 95% RH 在 H
2 /空氣下的極化曲線。( B ) 在 80℃和 95% RH 且無(wú)背壓的情況下，具有膜 LSV 的 MEA 中的氫交叉電流。EIS 測(cè)量：在 ( C ) 1 A/cm
2和 ( D ) 2 A/cm
2在 80℃和 95% RH 下運(yùn)行的 MEA 的奈奎斯特圖。等效電路模型顯示在 (C) 和 (D) 的插圖中。SLPM，標(biāo)準(zhǔn)升每分鐘。
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Fig 5. PFSA 膜在 ( A ) 100℃ 和 25% RH 和 ( B ) 110℃ 和 25% RH 在 H
2/空氣下的極化曲線。( C ) 在 90℃和 30% RH 下的 OCV 測(cè)試和 ( D ) 在 75℃和 100% RH 下的氫交叉。SLPM，標(biāo)準(zhǔn)升每分鐘。
相關(guān)研究工作由上海交通大學(xué)YONGMING ZHANG和FENG LIU課題組于2023年共同發(fā)表在《Science Advances》期刊上，原文：High-temperature low-humidity proton exchange membrane with “stream-reservoir” ionic channels for high-power-density fuel cells。
轉(zhuǎn)自《石墨烯研究》公眾號(hào)
