全氟磺酸（PFSA）質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（GIWAXS和GISAXS）探索了短支鏈全氟磺酸質子交換膜從溶液到成膜過程中的動態結構演變。并發現了一種“溪流-水庫”形態，可以實現高效的質子傳輸。短側鏈 (SSC) PFSA PEM 是在形態優化的指導下制造的，其質子傳導率為 193 milliSiemens per centimeter [95% 相對濕度 (RH)] 和 40 milliSiemens per centimeter (40% RH) 80℃。改進的玻璃化轉變溫度、透水性和機械強度使高溫低濕 FC 應用成為可能。燃料電池測試結果表明，在高溫低濕條件下（110℃, 25% RH），短支鏈全氟磺酸質子交換膜比長支鏈全氟磺酸質子交換膜電池性能高出了82.3%。對鏈構象、包裝機制的見解，PFSA 的結晶和相分離建立了結構-性能關系。此外，SSC-PFSA PEM 非常適合高功率密度和重載應用迫切需要的高溫低濕的燃料電池。
Fig 1. ( A ) SSC-PFSA 成膜過程的原位 GIWAXS表征。( B ) 臨界結構形態的衍射峰。( C ) 離子相衍射峰 (~0.2 Å
-1 ) 和 ( D ) 鏈序峰 (1.2 Å
-1 ) 的演化過程。SSC-PFSA 薄膜在 ( E ) 面內 (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 ) 溶劑蒸發過程中的四步 PFSA 鏈自組裝。( B ) 鏈構象在溶劑蒸發和 ( C ) 鏈排序過程中發生變化（q從 1.8 到 2.0 Å
-1 ）。( D ) SSC-PFSA膜結構三維示意圖：灰色區域代表疏水相，黃色區域代表親水相。
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Fig 3. ( A ) PFSA 離聚物的化學結構。( B ) PFSA 膜的吸水率和相應的含水量（插圖）。( C ) PFSA 膜在室溫和飽和水蒸氣環境下厚度方向的溶脹率 (~2 μm)。( D ) 膜在 23±2℃和 50% RH 下的應力-應變曲線。( E ) PFSA 膜的動態力學分析光譜。( F ) PFSA 膜在 80℃和不同 RH 值下的質子傳導率。
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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 且無背壓的情況下，具有膜 LSV 的 MEA 中的氫交叉電流。EIS 測量：在 ( C ) 1 A/cm
2和 ( D ) 2 A/cm
2在 80℃和 95% RH 下運行的 MEA 的奈奎斯特圖。等效電路模型顯示在 (C) 和 (D) 的插圖中。SLPM，標準升每分鐘。
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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 測試和 ( D ) 在 75℃和 100% RH 下的氫交叉。SLPM，標準升每分鐘。
相關研究工作由上海交通大學YONGMING ZHANG和FENG LIU課題組于2023年共同發表在《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。
轉自《石墨烯研究》公眾號
