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07
2026
-
05
新能源膜丨Nature Energy：铜离子交联薄膜助力高温聚合物电解质膜燃料电池
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高温聚合物电解质膜燃料电池具有固有的杂质耐受性和简化的热/水管理能力。然而，传统磷酸掺杂膜相对较厚（通常>50μm）以抵消磷酸诱导的机械降解，这会导致欧姆损耗，从而限制燃料电池性能。
2026年05月01日，北京航空航天大学卢善富、相艳、张劲团队在Nature Energy期刊发表题为“Thin membranes with Cu-ion crosslinking for high temperature polymer electrolyte membrane fuel cells”的研究论文，团队成员张振国为论文第一作者，卢善富、相艳、张劲为论文共同通讯作者。
该研究报道了一种20μm厚、机械性能优异的磷酸掺杂膜，该膜引入了动态Cu离子交联，用于高功率密度的高温聚合物电解质膜燃料电池。动态Cu-聚合物配位作用形成了动态交联网络，提供了韧性和延展性，同时具有自发自修复能力。同时，Cu离子通过静电相互作用以及磷酸分子中O-H键的极化作用，改善了磷酸的保持能力和质子解离能力。所制得的薄膜具有*低欧姆电阻（0.06Ωcm²），同时保持了较低的氢气交叉电流密度（0.95mAcm⁻²）。采用该膜的燃料电池在200℃（H₂/O₂）下实现了3.08Wcm⁻²的峰值功率密度，并在160℃、1.0Acm⁻²条件下运行503h，降解可忽略不计。
图文详解
高温聚合物电解质膜燃料电池在氢经济中可发挥重要作用，尤其适用于重型车辆、船舶应用和航空航天设备，在这些领域中，其对燃料杂质的耐受性以及简化的热管理能力相比低温系统具有优势。磷酸掺杂聚合物电解质膜，尤其是商业化的聚苯并咪唑（PA/PBI）膜，为高温下的无水质子传导树立了标准。然而，采用PA/PEMs的HT-PEMFCs的功率密度远低于采用全氟磺酸（PFSA）膜的低温PEMFCs。这一差距主要源于欧姆损耗，PA/PEMs表现出约0.1-0.2Ωcm²的高欧姆电阻，比PFSA膜高出一个数量级。
大量研究致力于提升PA/PEMs的性能，重点集中在增强聚合物-酸相互作用、设计微相分离或本征微孔膜结构以及开发替代质子导体。这些策略已将功率密度逐步提升至瓦每平方厘米水平，同时扩展了操作范围（-20至250℃）。值得关注的突破包括：基于本征超微孔膜的HT-PEMFCs展示了可靠的零下启动能力，以及自组装CeHP/PBI复合膜系统在250℃下实现了2.35Wcm⁻²的功率密度。然而，进一步提升HT-PEMFCs功率密度仍然受到材料基本限制的制约。
在低温PEMFCs、电解液系统和水处理领域中，薄型PEMs（5-20μm）的成功应用表明，降低厚度可显著降低离子电阻。然而，类似方法在PA/PEMs中面临严重限制。对导电性至关重要的磷酸掺杂本质上会削弱机械完整性。这种材料限制要求传统的PA/PBI膜具有较高的厚度（>50μm），从而保持相对较高的欧姆电阻。尽管降低厚度会按比例降低电阻，但更薄的PA/PEMs会遭受过度的氢气交叉、酸流失和快速机械失效。共价交联虽然增强了主链刚性，但会增加薄膜的脆性，在电池组装过程中引发微裂纹并限制质子载体迁移率。因此，制备能够同时实现高质子电导率、机械稳定性和低气体渗透性的薄型PA/PEMs仍然是高功率密度HT-PEMFCs面临的一项挑战。
在此，该研究报道了一种动态Cu离子交联策略，以克服薄型PA/PEMs中的这一瓶颈。此前已有研究表明，富含苯并咪唑的PBI可作为多齿配体用于多齿配位，表现出介于弱氢键和刚性共价交联之间的中等结合能。在本研究体系中，Cu离子与聚苯并咪唑链中的苯并咪唑位点配位，形成了动态可重构交联网络（Cu-PBI）。在该网络中，强而可逆的Cu-N键解离实现了快速动态键交换，同时增强了膜的机械强度和延展性，并赋予了自修复能力。Cu离子进一步通过强静电相互作用锚定磷酸，并通过增强质子解离，有助于提高质子电导率。因此，所获得的20μm PA/Cu-PBI膜不仅实现了*低的欧姆电阻（0.06Ωcm²），还实现了低氢气交叉电流密度（0.95mAcm⁻²）和拉伸强度（21.7MPa）。基于该膜的单电池在200℃下输出了3.08Wcm⁻²的高功率密度，并在多种操作条件下表现出优异的耐久性。
动态Cu离子交联赋予超薄PA/Cu-PBI膜优异的机械强度和韧性，克服了传统共价网络的局限性，并为高功率密度HT-PEMFCs实现了可靠的20μm厚PA/PEMs。动态Cu-N键进一步赋予其本征自修复能力，能够密封会损害耐久性的微裂纹。同时，Cu离子中心增强了磷酸保持能力和质子解离。这些综合优势使得在高温操作下实现了高功率密度和稳定性。因此，该研究为薄型、高性能HT-PEMFCs展示了一种可行的材料平台。未来的研究可通过探索多种过渡金属配位剂和定制配位结构来进一步优化质子传导、机械弹性和长期耐久性，从而扩展这一研究范式。
原文链接：https://mp.weixin.qq.com/s/-h7UWhTwuSt6yviCdcRsqQ
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