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18
2026
-
09
新能源膜｜Small：季铵化分级通道凝胶膜构建“酸储库–质子发生器”协同体系，实现−20至240 ℃宽温域PEMFC运行
作者：
近日，浙江工业大学黄菲教授、温州大学薛立新教授与美国南卡罗来纳大学 Brian C. Benicewicz教授团队合作，在《Small》上发表*研究成果。研究团队通过多聚磷酸（PPA）介导的溶胶-凝胶工艺结合亲核取代反应，制备了具有季铵化分级通道的凝胶态聚电解质膜（PA/QA-PBI-X-Gel）。该膜通过咪唑与 QA⁺ 双重结合位点，兼具“酸储库”与“质子发生器”功能，在促进磷酸解离的同时有效抑制酸流失。得益于此，该膜在 −20 至 240 ℃ 范围内表现出 0.013 至 0.411 S cm⁻¹ 的优异质子传导率。单电池（H₂/O₂体系）峰值功率密度超 2 W cm⁻²，并实现 −20 ℃ 冷启动与良好的长期耐久性。本工作为开发兼顾高功率、低温运行与长寿命的下一代宽温域燃料电池提供了膜材料方案。
研究背景
高温质子交换膜燃料电池（HT-PEMFC）因具备燃料适应性强、无需复杂水热管理及抗催化剂中毒能力优异等特点，被认为是车载动力和分布式能源领域的重要发展方向。然而，当前广泛采用的磷酸掺杂聚苯并咪唑（PA/PBI）膜仍面临宽温域运行能力不足的问题。在低温条件下，磷酸解离受限、质子传输效率下降，导致燃料电池冷启动困难；而在高温及长期运行过程中，磷酸流失、酸脱水和膜结构退化又会引发性能衰减。目前，单一 PEMFC 平台难以兼顾高温运行与极寒冷启动的全天候需求。因此，突破传统高温膜的低温性能瓶颈，开发能够弥合高低温运行鸿沟、实现宽温域（尤其是极寒无预热冷启动）*稳定运行的新型聚电解质膜，是推动燃料电池汽车走向全气候商业化应用的关键所在。
工作要点
拓宽运行温窗：该研究开发了一种基于季铵化凝胶网络的新型磷酸掺杂聚电解质膜，实现了燃料电池在 −20 ℃ 至 240 ℃ 范围内的*运行。该温度窗口同时覆盖了传统低温（LT-PEMFC）和高温（HT-PEMFC）质子交换膜燃料电池的工作区间，有效缓解了现有 PBI 体系难以兼顾低温启动与高温运行的难题，为构建全气候适应型燃料电池提供了新的材料设计思路。
打破Trade-off效应：通过在凝胶网络中引入季铵阳离子功能位点，构建了兼具离子对锚定作用和层级孔道结构的分级传输体系。该结构能够有效稳定磷酸分子并抑制其流失，同时促进磷酸解离及连续氢键网络的形成，从而实现磷酸保留能力和质子传导性能的同步提升。该工作有效打破了传统 PA/PBI 体系中“增强保酸往往牺牲传导”的固有权衡关系（Trade-off effect）。
实现极寒冷启动：得益于季铵阳离子诱导的低能垒质子传输机制，该膜在 −20 ℃ 条件下仍能够维持有效的质子传导并实现燃料电池零下冷启动。本工作进一步拓展了 PA/PBI 膜的低温工作窗口，显著提升了 HT-PEMFC 在寒冷地区和复杂环境中的应用潜力。
高功率密度输出：基于所构建的季铵化分级通道膜，燃料电池在优化测试条件下（160 ℃，45 psi背压，H₂/O₂）实现了超 2 W cm⁻² 的峰值功率密度，在同类 PA/PBI 体系文献中表现出具竞争力的功率输出。这主要源于高磷酸利用效率、快速质子传输以及优化的传质动力学。
长期运行稳定性：该体系在 40 ℃ 和 180 ℃ 条件下均表现出稳定的长期运行能力，电压衰减速率分别低至 33.6 和 48.8 μV h⁻¹。季铵阳离子与磷酸形成的强离子对作用有效减缓了磷酸流失，凝胶网络结构则维持了膜的尺寸稳定性和界面完整性。
原文链接：https://mp.weixin.qq.com/s/MLFmCZOF8rdAGObq0MZzyA
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