北京航空航天大学卢善富教授课题组CEJ：磷酸缓释策略增强高温质子交换膜燃料电池耐久性

磷酸缓释策略增强高温质子交换膜燃料电池耐久性

第一作者：张家林，张巨佳

通讯作者：卢善富*

单位：北京航空航天大学

高温质子交换膜燃料电池（HT-PEMFCs）由于其工作温度介于130 至 180 °C，具有广泛的燃料来源，简单的水热管理系统等优势。磷酸是目前HT-PEMFC最为高效、成熟的质子导体，然而，受制于阴极水凝结以及电迁移过程所致使的磷酸迁移流失问题，HT-PEMFCs难以在低温和高电流负载等苛刻条件下稳定运行。因此，提高膜电极中磷酸的保留率成为当前HT-PEMFCs系统面临的关键挑战。

为提升膜电极的磷酸保留能力，在膜和催化层两方面已开展了大量研究，例如自聚微孔膜构筑、离子对作用调控、疏水粘结剂引入。膜和催化层界面调控可以有效调控磷酸迁移行为，对提升膜电极稳定性具有重要作用，然而目前关于膜和催化层界面的研究依然较少。因此，本工作从质子交换膜-催化层界面入手，创新性地提出了原位构筑磷酸缓释层的设计思路，可以保证初始阶段有合适量的磷酸进入催化层形成三相界面，原位形成的致密层在质子传递的同时大幅降低电解质膜中磷酸的流失速率，进而拓宽了高温膜电极的工作温度，为增强HT-PEMFCs的耐久性提供了新策略。

近日，北京航空航天大学卢善富教授课题组在国际知名期刊《Chemical Engineering Journal》上发表题为“Phosphoric acid sustained-release strategy boosting durability of high temperature proton exchange membrane fuel cells”的研究工作。本文章在膜和催化层之间原位构筑磷酸缓释层的方式减缓了磷酸的迁移速率，避免了磷酸向催化层中的过度迁移，进而增强了高温质子交换膜燃料电池的耐久性，并且拓宽了燃料电池的运行温度。

图1. 磷酸缓释策略示意图

要点一：原位构筑策略保证快速质子传递

本工作采用原位形成磷酸缓释层的方式，以保证质子传递通道的构筑。首先在膜和催化剂层之间插入高亲酸性的二氧化硅层，二氧化硅层作为磷酸储库对催化层内的磷酸含量进行调节，并进一步与磷酸在高温下发生原位反应转变成更为致密且具备质子传导能力的磷酸氢硅缓释层，催化层内合适的磷酸量保证了快速的质子传导。这种原位构筑的方式保证了连续质子传导网络的构建，质子可以在界面和催化层内快速的传递。

要点二：减缓的磷酸迁移速率

活化期间，具有缓释层的催化层的循环伏安曲线中双层面积增加22.69%（无缓释层催化层为34.18%），电化学活性面积增加34.5%，因此缓释层的存在可以减缓磷酸的迁移速率并保障催化层中的快速质子传递；此外考察了膜电极在40 °C，60 %RH相对湿度下的稳定性，结果显示具有缓释层的质子交换膜的电导率保持率得到提升，其电导率保持率可以从4%提升至85%，表明磷酸迁移流失速率得以大幅降低。证明所形成的缓释层与磷酸之间的强相互作用和自身的物理阻隔效应减缓了磷酸的迁移速率。

要点三：增强的电池稳定性

具有缓释层的膜电极在30000次加速应力测试（AST）后，0.6V下的电流密度仅衰减15%（无缓释层膜电极为58.6%），物质传输阻力的增幅仅10.9%（无缓释层膜电极为105.4%），阴极催化层中的催化剂团聚体尺寸更小，有效减缓催化剂颗粒的长大，维持电池的性能。此外，单电池在160 °C，1.5 A cm-2大电流密度下，单电池电压衰减率仅为无缓释层电池的1.35%，展示出优异的高温运行稳定性。在40 °C时电池的峰值功率密度提高1.3倍，电压衰减率仅为37.5 μV h⁻¹，是无缓释层电池的0.75%，展现了良好的低温稳定性。本工作所提出的磷酸缓释策略增强了高温质子交换膜燃料电池的稳定性，并且为拓宽燃料电池运行温度提供了新的思路。

“Phosphoric acid sustained-release strategy boosting durability of high temperature proton exchange membrane fuel cells”

https://doi.org/10.1016/j.cej.2025.164518

卢善富教授简介：北京航空航天大学能源与动力工程学院教授，博士生导师。国家自然科学优秀青年基金获得者，北京高层次创新人才，大兴新国门领军人才。主要从事聚合物电解质膜燃料电池基础与工程化研究，并已实现高温膜燃料电池技术多场景应用，率领团队建成了国内第一条自主高温膜电极产线。以第一/通讯作者在PNAS、Chem. Eng. Sci.、Adv. Mater. 等期刊发表学术论文150余篇，获授权发明专利20项；承担国家基金优秀青年基金、国家重点研发计划项目等国家级课题多项；曾荣获教育部自然科学二等奖、中国能源研究会新能源创新奖二等奖等学术奖励。

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