面向高温质子交换膜燃料电池的新一代高温质子交换膜及其膜电极
技术描述
相较于高压氢气，以液态甲醇为燃料，利用甲醇重整器原位产氢，具有燃料能量密度高（大于1kWh／L）、储运便捷、安全可靠、不依赖于加氢站等优势。甲醇重整制氢是吸热反应，而燃料电池发电是放热反应。现有高温质子交换膜燃料电池（HT-PEMFC），采用聚苯并咪唑（PBI）掺杂磷酸高温质子交换膜，其运行温度（160-180℃）低于甲醇重整器工作温度（200-300℃），导致燃料电池余热难以被甲醇重整器所利用。亟待开发可工作在200℃以上温区的高温质子交换膜与膜电极。在科技部国际合作项目和重点研发计划支持下，团队历经十年，研发了新型高温质子交换膜及其膜电极。
技术优势
1、发明了PBI掺杂CsH5(PO4)2高温质子交换膜。传统的PBI掺杂磷酸高温质子交换膜，其质子导体为磷酸，从室温到工作温度（160～180℃）均为液态，液态磷酸易于流失；溶胀率高达250～300%，导致低机械强度（13.6Mpa）。PBI掺杂CsH5(PO4)2高温质子交换膜的优势在于：CsH5(PO4)2室温为固态，温度高于熔点转变为液态熔融质子导体，具有高质子电导率，且在熔点以下为固态，不易发生流失；溶胀率仅为30-40%，可显著降低气体渗透，且保持高机械强度（84Mpa）。 2、发明了基于PBI掺杂CsH5(PO4)2高温质子交换膜的高性能膜电极制备技术。与常规运行在160～180℃的基于PBI掺杂磷酸高温质子交换膜的HT-PEMFC相比，采用PBI掺杂CsH5(PO4)2高温质子交换膜装配的HT-PEMFC，开路电压更高（约为1V），归因于其显著低的溶胀率，使之大幅降低气体渗透。因其可工作在220℃温区，能够与甲醇重整器匹配。
效果指标
本成果可在分布式发电、野外露营、单兵系统、燃料电池汽车、船舶等领域得到广泛应用。