中科院苏州纳米所Xiaochun Zhou课题组--具有互穿网络的可回收的独立式微孔层用于可持续性燃料电池

燃料电池的商业化不可避免地带来回收问题。因此，实现燃料电池的高可回收性对其可持续发展尤为重要。在此，制备了具有互穿网络的可回收独立微孔层 (MPL)，可显着提高燃料电池的可回收性和可持续性。互穿网络使独立MPL具有高强度（17.7 MPa）、高透气性（1.55×10^-13 m²）和高燃料电池性能（峰值功率密度1.35 W cm^-2），为其高性能应用提供了基础保障和高度可回收的燃料电池。此外，独立的 MPL 对各种 GDB 具有很强的适应性，为选择高度可回收的 GDB 提供了很高的可能性。值得注意的是，独立的 MPL 和气体扩散背衬 (GDB) 可以很容易地从用过的膜电极组件 (MEA) 上分离。这不仅在催化剂涂层膜 (CCM) 的回收中节省了> 90 vol% 的溶剂，而且与 CCM 相比，GDB 和独立 MPL 的使用寿命至少延长了138 倍（假设 CCM 为 20,000 小时，则为 2,760,000 小时）。因此，独立的 MPL 显着提高了燃料电池的可回收性和可持续性，并有望成为下一代燃料电池不可或缺的组成部分。         

         

Fig 1. 使用常规 MPL 和我们的独立 MPL 的废 MEA 回收方案。（左侧）常规 MPL 的回收方案：GDLs 参与催化剂和 PEM 的回收，不仅导致大量溶剂的消耗，而且难以重复使用 GDLs 进行结构破坏。（右侧）独立 MPL 的回收方案：GDL 不参与催化剂和 PEM 的回收，这不仅显着减少了溶剂消耗（不到传统 MPL 的 10%），而且还可以回收和再利用 GDL。

     

          Fig 2. 独立 MPL 的结构和物理特性。(a) MWCNT 松散网络、(b) SWCNT 交联网络和 (c) SWCNT/MWCNT 互穿网络的方案。(d) MWCNT 松散网络、(e) SWCNT 交联网络和 (e) SWCNT/MWCNT 互穿网络的 SEM 图像。(g) 独立 MPL 的实力SWCNT 和 MWCNT 含量的变化（含 20% PTFE）。(h) 随着 SWCNT 和 MWCNT 含量的变化（含 20% PTFE），独立 MPL 的平面透气率。(i) 45×45 cm² (2025 cm²) 的大型独立 MPL 的光学图像。

          Fig3. 独立 MPL 和传统 MPL 的燃料电池性能。(a) 具有传统 MPL 的 MEA 方案 (a1) 和 SEM 图像 (a2)。(b) 具有独立 MPL 的 MEA 方案 (b1) 和 SEM 图像 (b2)。(c) 氢-空气燃料电池性能。燃料电池在 80ºC、200 kPaabs 气压和 60 RH% 的阳极和阴极条件下进行了测试。H₂ 和空气的气体流速分别为 125 sccm 和 500 sccm。(d) 0.2 V 时的电流密度。(e) 峰值功率密度。(f) 电化学活性表面积 (ECSA)。(g) 1.5 A cm^-2 下的电化学阻抗谱 (EIS)。(h) 孔径分布。(i) 贯穿平面的气体渗透率。(j) 平面电阻。

        Fig 4. 不同的 GDB 及其在独立 MPL 下的燃料电池性能。(a)表面和(b)碳布的交叉视图的SEM图像；(c) 表面和(d) 碳毡的交叉视图；(e) 表面和 (f) 泡沫镍的截面图；和 (g) 表面和 (h) 铜网的交叉视图。(i) 具有独立 MPL 的不同 GDB 的燃料电池性能。燃料电池在 80ºC、200 kPaabs 气压和 60 RH% 的阳极和阴极条件下进行了测试。H₂ 和空气的气体流速分别为 125 sccm 和 500 sccm。(j) 0.2 V 时的电流密度。(k) 峰值功率密度。

     

          Fig 5. GDL 的可重用性。(a) 加速压力测试和 MEA 恢复。寿命终止的CCM 和阴极独立 MPL 被原始 CCM 和阴极独立 MPL 取代，而阴极 GDB、阳极独立 MPL 和阳极 GDB 被重复使用。(b) 燃料电池在寿命开始 (BOL)、第 1000 次循环和第 5000 次循环时的性能。燃料电池在 80ºC、200 kPaabs 气压和 60 RH% 的阳极和阴极条件下进行了测试。H₂ 和空气的气体流速分别为 125 sccm 和 500 sccm。(c) BOL 的燃料电池性能和每次回收。(d) 0.6 V BOL 和每次恢复时的功率密度。(e) 重复使用的组件的导电性。(f) 重复使用部件的水接触角。(g) BOL 和第 4 次回收后燃料电池的 ECSA。

      

          Fig 6. 回收不同的废 MEA。(a) 带有传统 MPL 的废 MEA 和带有独立 MPL 的废 MEA 的光学图像。(b) 装有 50 mL 溶剂的量筒。(c) 使用传统 MPL 回收 MEA 的溶剂消耗。(d) (f) 使用独立 MPL 回收 MEA 的溶剂消耗。(e) 阳极 GDB、阳极独立 MPL 和阴极 GDB 的直接回收和再利用。

相关研究工作由中科院苏州纳米所Xiaochun Zhou课题组于2023年在线发表在《Adv. Mater.》期刊上，原文：A Recyclable Standalone Microporous Layer with Interpenetrating Network for Sustainable Fuel Cells。