用于高效質子交換膜組合再生燃料電池兩性鈦多孔傳輸層

　　Science Advances：

　　第一作者：Ahyoun Lim通訊作者：Yung-Eun Sung, Jong Min

　　Kim and Hyun S. Park通訊單位：韓國首爾國立大學DOI：10.1126/sciadv.abf7866

　　背景隨著溫室氣體排放導致的全球變暖變得越來越嚴重，全世界都在努力用可再生能源替代化石燃料。可再生能源，如陽光、風、波浪和地熱由于其可持續性和環境友好性，近年來越來越多地被利用。然而，由于可再生能源資源存在間歇性，特別是供需不平衡，往往限制了它們的直接利用。為了解決間歇性問題，已經提出了輔助能量存儲和轉換系統，如聚合物電解質膜組合再生燃料電池或鋰離子電池。然而，聚合物電解質膜組合再生燃料電池(PEM-URFCs)所需雙功能多孔傳輸層(PTLs)在單個組合系統中存在以下矛盾:燃料電池(FC)模式下排水的疏水性VS.電解池(EC)模式下補水的親水性。

　　研究的問題本文報告了一種高性能的兩性鈦PTL，其具有交替的疏水和親水通道，因而適用于燃料電池和電解池模式。為了制作兩性PTL，本文使用了一種陰影掩膜構圖工藝，使用超薄聚二甲基硅氧烷(PDMS)刷作為疏水表面改性劑，它可以改變鈦PTL的表面極性而不降低其電導率。因此，兩性PTL的性能在光纖通道(@ 0.6 V)中提高了4.3倍，在光纖通道(@ 1.8 V)中提高了1.9倍。為了闡明其性能增強的原因，在掃描電化學顯微鏡下研究了通過兩性PTL疏水通道中的氣體發散情況。

　　結語

　　為了提高URFC裝置的穩定性，應在URFC質子交換膜中使用更穩定的鉑，如鉑/二氧化錫、氧化鈰上的鉑單層、堅固的OER催化劑和具有良好熱機械穩定性的強化膜。然而，盡管鉑-ECSA減少了31%，在運行160小時后記錄到33%的RT，這僅比全新電池的初始RT低3%。總之，本研究首次引入了一種用于高效URFC相關的兩性鈦PTL，其具有圖案化的親水和疏水通道。圖案化的PTL被設計成具有優化的水和氣體傳輸路徑，同時滿足質子交換膜-URFC存在的矛盾，即燃料電池運行的疏水性和親水性活性。在常規質子交換膜-URFC氧電極中，親水性銥催化劑和疏水性鉑催化劑分別在燃料電池和電化學模式中成為干擾物。通過引入高效的水和氣體傳輸，兩性PTL在燃料電池模式下(0.6 V，相對濕度65)將URFC性能提高了4.3倍，在電子控制模式下(1.8 V)將性能提高了1.9倍。使用兩性性鈦PTL，僅使用0.95g/cm2的鉑和銥就獲得了36%的RT。本研究中顯示的方法提供了很有價值的方案，可用于解決矛盾的水管理問題，并確保高效的水資源綜合利用。