质子交换膜燃料电池 (PEMFC) 是一种动力电池，可将氢和氧电化学反应过程中产生的化学能转化为电能，功率密度高、操作温度低、环境友好。虽然这种电池有着很好的应用前景，但它们大多数只能在有限的温度范围内运行，例如 80-90 ℃或 140-180℃。相比之下，使用磷酸（PA）掺杂的聚苯并咪唑膜（PBI/PA）的高温PEMFC能够在140 °C 以上的温度下运行，不仅不需要加湿或热管理系统，而且较高的操作温度可增强电催化剂的反应活性。据报道，基于 PBI/PA 膜的 PEMFC 可以在 160 °C 的温度下稳定运行超过 27,000 小时。然而，当冷启动或频繁启动时，水冷凝会导致PBI/PA膜中掺杂的水溶性 PA 会渗出，质子传导性能下降，从而将燃料电池的工作温度范围限制在 140 °C 以下。因此，拓宽操作温度并进一步实现零下冷启动能力成为高温 (HT) PEMFC 系统商业化的关键挑战。
近日，中国科学院、天津师范大学和天津大学的研究人员设计出了一种新型质子交换膜燃料电池（PEMFC），突破了此前的 PEMFC 工作温度范围，可在 -20 至 200°C 的温度范围内稳定工作。该项研究成果将促进 PEMFC 的广泛使用，同时降低其制造成本，该项成果已经发表在《Nature Energy》上。
Tang, H., Geng, K., Wu, L. et al. Nat Energy (2022).
文中提到，当考虑磷酸(PA)从聚苯并咪唑(PBI)膜泄漏时，根据酸碱相互作用的概念，研究团队认为一个苯并咪唑分子会吸收一个磷酸(PA)分子，另一方面PBI膜中的所有其他PA分子，大多通过氢键相互作用保留下来。
研究人员利用所谓的“毛细管虹吸效应”，制造出了具有刚性、高自由体积的Tröger碱衍生聚合物（TB）构成的PA掺杂的本征超微孔膜，其组装的HT PEMFC能够在–20 °C 到 200 °C 的温度范围内运行，无需外部加湿，且允许多次启动和关闭循环，实现了高温燃料电池技术的重大改进和突破。研究人员认为，新的膜和电池设计也将改善整个燃料电池系统，使其无需辅助加热系统即可运行，从而降低制造成本。
与传统的PBI/PA膜相比，该超微孔膜具有以下几个优点：
可调的亚纳米级微孔，平均孔尺寸为3.3 Å，并表现出惊人的PA虹吸效应；
即使在高RH条件下也能保持较高的PA 保留率，并且质子传导保留率比传统的 PBI/PA膜高1000倍以上；
所组成的HT PEMFC在 15 °C 下进行 150 次启动/关闭循环后仍然具有高达 95% 的峰值功率密度保持率，且在 -20 °C 下也可以完成超过 100 次循环。
该团队工作研究的TB基超微孔膜不仅为解决低温质子交换膜燃料电池的低温运行和冷启动问题提供了新的策略，而且突破了低温和高温质子交换膜燃料电池的经典定义。特别是对于不同的电解质，例如质子导电离子液体，可以仔细地调整孔的大小和分布以及微孔结构的功能性(对电解质的亲酸性和吸附性)，以确保电解质保持和提高电池性能。
在接下来的研究中，他们计划将毛细管虹吸效应也应用于催化剂层，以提高其有效性并减少催化剂负载。此外，他们还将专注于微调膜孔的大小，以进一步提高燃料电池的稳定性和导电性。