阴离子交换膜燃料电池（AEMFCs）因其潜在的成本优势而受到广泛关注，然而，在AEMFCs的发展过程中，复杂的水管理问题是其面临的重要挑战。
天津大学团队设计制备了轻度支化的聚芳基哌啶型阴离子交换膜，成功应用于100 °C的AEMFCs中，证实了轻度支化的膜结构设计结合高温运行能够实现高效的水平衡管理，并取得了优异的燃料电池性能（~2 W cm−2的极限功率密度）和耐久性（195 h稳定性测试后电压衰减~4%，衰减速率140 mV h−1）。
2024年3月8日，相关论文以“High-temperature anion-exchange membrane fuel cells with balanced water management and enhanced stability”为题在线发表于Joule期刊。论文第一作者为薛建党博士和John C. Douglin，通讯作者为天津大学Michael D. Guiver教授、尹燕教授和以色列理工学院Dario R. Dekel教授。
相比于较为成熟的质子膜燃料电池，对AEMFCs的广泛关注主要得益于其潜在的成本优势，即在碱性的操作环境下能够使用非铂族贵金属催化剂和更加便宜的电池组件。经过数十年的发展，AEMFCs在功率输出和稳定性等方面都取得了实质性进步，然而，要真正实现AEMFCs的推广应用，其复杂的水管理难题亟需得到有效解决，以便进一步提高燃料电池的耐久性。已有的报道中水管理问题的解决主要是对AEMFCs的膜电极进行重新设计以及对测试条件进行优化，但是AEMFCs中水平衡的敏感性问题仍然没有得到根本上的解决。
研究者普遍认同提高燃料电池的操作温度能够有助于简化水管理，解决燃料电池对水平衡的敏感问题，同时这种策略在高温质子膜燃料电池的研究中得到有效验证，然而由于阴离子交换膜（AEMs）等关键材料的限制，高温阴离子交换膜燃料电池（HT-AEMFCs）的研究目前仍然处于探索阶段。基于此背景，作者以聚芳基哌啶型（PAP）AEMs为基础，进一步设计制备了轻度支化的PAP AEMs（图1）。
图1：典型的聚芳基哌啶型阴离子膜结构（PAP AEMs）及本文制备的轻度支化的PAP AEMs。
通过对轻度支化的PAP AEMs进行基础结构性能表征，作者发现轻度支化后的AEMs特性粘度和密度相比于未支化的AEMs均得到显著提高，同时随着支化度的进一步增加，特性粘度和密度发生一定程度的下降（表1）。轻度支化后的AEMs较高的特性粘度（4 dL g−1）表示聚合物具有较高的相对分子质量，同时意味着聚合物链段缠结的程度增加。作者进一步对AEMs的自由体积参数进行表征，结果表明特性粘度和密度随着支化度的增加而下降的原因，和更多的刚性支化剂的引入有关，更多的支化单元使得聚合物网络中自由体积增大。这种由轻度支化的结构设计带来的聚合物链段缠结和自由体积效应对AEMs的性能产生重要影响。
研究团队首先对AEMs的水管理性能进行了测试表征，其中支化单元为0.5 mol%的AEMs（PTP/TPB-0.5%）在液态水和水蒸气环境下均表现出合理的吸水率以及良好的耐溶胀性能，同时具有对湿度变化更好的响应性和更快的水扩散系数（图2）。轻度支化的AEMs实现了合理的吸水率/耐溶胀和快速的水传输，表现出优异的水管理性能。已有报道中很少有从AEMs结构设计的角度实现燃料电池的有效水管理。
图2：阴离子交换膜的水管理性能（吸水溶胀和水传输性能）。
作者进一步对AEMs的其他关键性能进行了测试表征，其中氢氧化离子电导率在80 °C液态水中最高可达126.4 mS cm−1，室温下机械拉伸强度达到69 MPa，断裂伸长率达到35%，在80 °C 1 M NaOH溶液中进行碱性稳定性测试60天后膜的化学结构没有发生显著变化，在100 °C 1 M NaOH溶液中进行碱性稳定性测试30天后出现了离子基团降解，但是老化后的膜仍然保持了优异的机械性能，保留了约60%的初始电导率。
在H2/O2的AEMFCs测试中，通过提高操作温度到100 °C同时施加100 kPa背压，燃料电池的极限功率密度达到~2 W cm−2，同时在大电流区域的传质问题得到有效解决，没有出现电压波动等现象，这意味着100°C的高温燃料电池达到了优异的水平衡（图3）。据作者了解，在目前已有的少量超过80 °C的阴离子膜燃料电池报道中，该研究首次实现了高功率密度输出和优异耐久性的双赢。
图3：阴离子交换膜燃料电池性能和稳定性。
该研究对轻度支化的AEMs的高温阴离子交换膜燃料电池的研究，为开拓高温阴离子交换膜燃料电池领域的发展具有重要意义，轻度支化结构的设计证实了对AEMs的性能（尤其是膜的水管理性能）的有效调控，这种AEMs的化学微结构设计实现了膜的高效水平衡优势，同时与高温运行相结合，为实现阴离子交换膜燃料电池的简单、高效水平衡管理提供了科学方法和控制策略。（来源：科学网）
相关论文信息：https://doi.org/10.1016/j.joule.2024.02.011
