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与低温质子交换膜燃料电池相比，在100°至120°C下工作的中温质子交换膜燃料电池(MT PEMFCs)改善了动力学，简化了热管理和水管理，并扩大了燃料耐受性。然而，高温会导致Nafion离聚体脱水，加剧气体输送限制。
2024年9月5日，北京理工大学王博、冯霄共同通讯在Science在线发表题为“Oxygen- and proton-transporting open framework ionomer for medium-temperature fuel cells”的研究论文，该研究开发了一种用于中温燃料电池的氧和质子传递的开骨架离聚体。
受超嗜热菌中发现的渗透物的启发，研究人员开发了α-氨基酮连接的共价有机框架(COF)离聚体，与Nafion交织在一起，作为“可呼吸”的质子导体。这种方法利用协同氢键来保持水，增强水合作用和质子传输，同时减少氧传输阻力。对于商用Pt/C, MT PEMFCs在105°C的阴极下，以H2和空气为燃料，峰值和额定功率密度分别为18.1和9.5瓦/毫克Pt，与缺乏COF的电池相比，分别提高了101和187%。
质子交换膜燃料电池(PEMFCs)提供清洁能源，但有局限性，特别是工作温度。提高PEMFCs的工作温度可以从几个方面改善其性能:提高催化剂的活性和电化学动力学，如果冷却剂输出温度与环境温度之间的温差较大，则可以简化冷却，阴极的泛水将减少，电池对一氧化碳的耐受性将增强，这将扩大氢源的范围。然而，超过100°C的阈值是具有挑战性的，因为水的相变会在膜电极组件(MEA)中产生大量的质子传导障碍。使用磷酸或咪唑作为质子载体的高温PEMFCs(≥120°C)(13-16)面临质子载体泄漏和低功率密度等困难。使用水作为质子载体的中温PEMFCs (MT PEMFCs)可以在中低温工作温度下实现高性能。在80°至120°C的中间温度下，弥合质子电导率差距的策略包括表面疏水涂层和基于短侧链全氟磺酸(PFSA)、基于磺化聚苯乙烯或基于磺化聚苯乙烯的质子传导膜或催化剂层(CL)中的离子单体的发展。尽管做出了这些努力，但克服脱水导致的质子电导率明显下降和提高MT-PEMFC性能仍然具有挑战性。此外，温度的升高进一步提高了水的分压，降低了氧的分压。这种相对变化增强了局部氧传输阻力，加重了CL中传统质子导体的负担。最近，研究发现共价有机框架(COF) CL中氧传输效率的有前途的离聚体。然而，MT PEMFCs面临着水相变和离聚体脱水带来的严峻挑战，使氧-水-催化剂三相微环境复杂化，阻碍了质子传输途径，增加了氧传输阻力。离子内的质量传递和水吸附能（图源自Science）超嗜热生物在80°至125°C的极端高温下茁壮成长，进行呼吸并产生与MT PEMFCs操作需求相似的能量。它们的生存取决于通过脂质层进行有效的气体交换，以及渗透物(如脯氨酸、异亮氨酸和甜菜碱)维持的水合作用，这些渗透物具有α-氨基酮键。受这些生物的启发，作者设计了α-氨基酮连接的COFs (Am-COF)，并将它们与Nafion (Am-COF/ Nafion)交织在一起，为MT PEMFCs创造了“可呼吸”的质子导体。在中温PEMFCs的CL中加入“透气”开放式框架聚合物，创造了一个微环境，不仅提高了保水性，还确保了透气性。α-氨基酮连接的AmCOF-3-SO3H通过协同氢键稳定了水分子，允许Grotthuss质子跳跃以有效传导并加速燃料电池内的氧质量运输。此外，这种方法减轻了Pt中毒，这是Nafion的磺酸基团造成的常见挑战。这一突破强调了晶体离聚体在解决MT PEMFCs的基本挑战方面的潜力，以提高燃料电池在中低温工作温度下的性能。
https://www.science.org/doi/10.1126/science.adk6635![]()
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