天津大学Nature Energy：燃料电池性能不行？加点磁场

背景介绍

阴离子交换膜燃料电池（AEMFCs）作为能量转换装置正在被深入研究。其中，阴离子交换膜（AEMs）的设计对于实现所需的AEMFCs功率输出和性能稳定性至关重要。离子从AEM的阴极到阳极，因此阴离子交换膜（AEMs）中的透过面（TP）传导路径，可作为氢氧根离子在电极之间传输短而有效的路径，能够提高燃料电池功率输出。

但当前的AEM通常具有随机分布且形状不规则的导电域，这些域易于产生各向同性电导率。为了提高TP电导率，电场和磁场已被用于在AEM中创建面向TP的结构，但性能提升幅度不大，能够通过开发同时具有磁响应性和具有阴离子导电能力的材料来规避。此外，碱稳定性对AEM也至关重要。

主要内容

鉴于此，天津大学Michael D. Guiver教授和尹燕副教授使用顺磁性二茂铁聚合物在磁场下制备TP取向的AEM。磁场诱导混合价态，从而实现更高的阴离子解离和增强的碱/氧化还原稳定性。

特别是，二茂铁阳离子磁响应性和阴离子电导率的结合提升了TP电导率。具体来说，本文合成了一种具有化学惰性主链的高分子量聚（乙烯基二茂铁）（PF），且PF上的配体交换激活烷基的取代基效应以提高稳定性，从而提供相应的配体交换的PF（LPF）。在PF或LPF中，从二茂铁到二茂铁的部分氧化（即电离）使混合价态聚合物具有适当的离子交换容量（IEC），以平衡令人满意的电导率和适当的溶胀/机械强度。部分电离的PF和LPF转化为氢氧化物形式，分别表示为PF-OH和LPF-OH。磁场下的溶液浇铸提供了TP取向的高导电 PF-OH和LPF-OH AEMs。

实验结果表明，本文的AEM在95 的水中显示出160 mS cm-1 TP离子电导率，并且在95 的碱性溶液中4320小时内没有明显的离子电导率损失。由此组装的燃料电池80 和80%相对湿度的情况下实现737 mW cm-2的功率输出，在500 mA cm-2，120 和40%相对湿度的500小时下增加了3.9%的电压损失和2.2%的高频电阻的耐久性。

相关论文以“Magnetic-field-oriented mixed-valence-stabilized ferrocenium anion-exchange membranes for fuel cells”为题发表在Nature Energy。

图文详情

图1. PF-OH和LPF-OH的合成

图2. 聚合物和膜样品的外观和光谱分析

图3. 膜表征

图4. 膜电导率和稳定性

图5. AEMFC评估

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