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近日，我所燃料電池研究部醇類燃料電池及復合電能源共性核心技術研究組（DNL0311組）王素力研究員和孫公權研究員團隊在高溫聚合物電解質膜方面取得新進展，研發出一類磷酸摻雜聚聯苯基哌啶電解質膜，拓寬了高溫聚合物電解質膜燃料電池（HT-PEMFC）的操作溫度，為該類電池的實際應用奠定基礎。
HT-PEMFC具有耐CO毒化能力強、水熱管理簡單等優勢，近年來成為研究熱點。傳統的磷酸摻雜聚苯并咪唑膜由于磷酸與聚苯并咪唑之間的結合能（約17kcal/mol）低，在低溫、高濕環境下磷酸流失嚴重，導致該類電池工作溫度限制在140至180℃。拓寬高溫聚合物電解質膜的工作溫度，將有助于縮短電池啟動時間，提高電池的環境適應性。
本工作中，研究團隊利用哌啶陽離子與H2PO4-間的高結合能（約109kcal/mol）這一特點，研制出一類新型磷酸摻雜聚聯苯基哌啶電解質膜，審稿人認為，“該工作首次將哌啶基電解質膜應用于HT-PEMFC領域”。團隊通過取代基效應調控哌啶陽離子周圍的空間位阻、聚合物電解質膜的親疏水性和自由體積，從而進一步提高了電解質膜與磷酸間的相互作用（磷酸摻雜度較傳統聚苯并咪唑提高約1倍），將電解質膜的工作溫度拓寬到40至160℃。特別是在120℃、干氣進料這一“汽車中燃料電池的理想運行條件”下，該類膜組裝的燃料電池峰值功率密度超過1.5W/cm2，且穩定運行時間超過1000h，展示了該類聚合物電解質膜的優勢與實際應用潛力。
相關研究結果以“Alkyl-substituted poly(arylene piperidinium) membranes enhancing the performance of high-temperature polymer electrolyte membrane fuel cells”為題，于近日發表在《材料化學A》（Journal of Materials Chemistry A）上。該工作的共同第一作者是我所DNL0311組博士研究生李晉源和楊叢榮副研究員。上述工作得到了國家重點研發計劃、國家自然科學基金等項目的資助。（文/圖 李晉源）
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