燃料電池的商業(yè)化不可避免地帶來回收問題。因此，實(shí)現(xiàn)燃料電池的高可回收性對(duì)其可持續(xù)發(fā)展尤為重要。在此，制備了具有互穿網(wǎng)絡(luò)的可回收獨(dú)立微孔層 (MPL)，可顯著提高燃料電池的可回收性和可持續(xù)性。互穿網(wǎng)絡(luò)使獨(dú)立MPL具有高強(qiáng)度（17.7 MPa）、高透氣性（1.55×10
-13 m
2）和高燃料電池性能（峰值功率密度1.35 W cm
-2），為其高性能應(yīng)用提供了基礎(chǔ)保障和高度可回收的燃料電池。此外，獨(dú)立的 MPL 對(duì)各種 GDB 具有很強(qiáng)的適應(yīng)性，為選擇高度可回收的 GDB 提供了很高的可能性。值得注意的是，獨(dú)立的 MPL 和氣體擴(kuò)散背襯 (GDB) 可以很容易地從用過的膜電極組件 (MEA) 上分離。這不僅在催化劑涂層膜 (CCM) 的回收中節(jié)省了> 90 vol% 的溶劑，而且與 CCM 相比，GDB 和獨(dú)立 MPL 的使用壽命至少延長了138 倍（假設(shè) CCM 為 20,000 小時(shí)，則為 2,760,000 小時(shí)）。因此，獨(dú)立的 MPL 顯著提高了燃料電池的可回收性和可持續(xù)性，并有望成為下一代燃料電池不可或缺的組成部分。
Fig 1. 使用常規(guī) MPL 和我們的獨(dú)立 MPL 的廢 MEA 回收方案。 （左側(cè)）常規(guī) MPL 的回收方案：GDLs 參與催化劑和 PEM 的回收，不僅導(dǎo)致大量溶劑的消耗，而且難以重復(fù)使用 GDLs 進(jìn)行結(jié)構(gòu)破壞。 （右側(cè)）獨(dú)立 MPL 的回收方案：GDL 不參與催化劑和 PEM 的回收，這不僅顯著減少了溶劑消耗（不到傳統(tǒng) MPL 的 10%），而且還可以回收和再利用 GDL。
Fig 2. 獨(dú)立 MPL 的結(jié)構(gòu)和物理特性。 (a) MWCNT 松散網(wǎng)絡(luò)、(b) SWCNT 交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)和 (c) SWCNT/MWCNT 互穿網(wǎng)絡(luò)的方案。 (d) MWCNT 松散網(wǎng)絡(luò)、(e) SWCNT 交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)和 (e) SWCNT/MWCNT 互穿網(wǎng)絡(luò)的 SEM 圖像。 (g) 獨(dú)立 MPL 的實(shí)力SWCNT 和 MWCNT 含量的變化（含 20% PTFE）。 (h) 隨著 SWCNT 和 MWCNT 含量的變化（含 20% PTFE），獨(dú)立 MPL 的平面透氣率。 (i) 45×45 cm
2 (2025 cm
2) 的大型獨(dú)立 MPL 的光學(xué)圖像。
Fig3. 獨(dú)立 MPL 和傳統(tǒng) MPL 的燃料電池性能。 (a) 具有傳統(tǒng) MPL 的 MEA 方案 (a1) 和 SEM 圖像 (a2)。 (b) 具有獨(dú)立 MPL 的 MEA 方案 (b1) 和 SEM 圖像 (b2)。 (c) 氫-空氣燃料電池性能。燃料電池在 80ºC、200 kPaabs 氣壓和 60 RH% 的陽極和陰極條件下進(jìn)行了測試。 H
2 和空氣的氣體流速分別為 125 sccm 和 500 sccm。 (d) 0.2 V 時(shí)的電流密度。(e) 峰值功率密度。 (f) 電化學(xué)活性表面積 (ECSA)。 (g) 1.5 A cm
-2 下的電化學(xué)阻抗譜 (EIS)。 (h) 孔徑分布。 (i) 貫穿平面的氣體滲透率。 (j) 平面電阻。
Fig 4. 不同的 GDB 及其在獨(dú)立 MPL 下的燃料電池性能。 (a)表面和(b)碳布的交叉視圖的SEM圖像； (c) 表面和(d) 碳?xì)值慕徊嬉晥D； (e) 表面和 (f) 泡沫鎳的截面圖；和 (g) 表面和 (h) 銅網(wǎng)的交叉視圖。 (i) 具有獨(dú)立 MPL 的不同 GDB 的燃料電池性能。燃料電池在 80ºC、200 kPaabs 氣壓和 60 RH% 的陽極和陰極條件下進(jìn)行了測試。H
2 和空氣的氣體流速分別為 125 sccm 和 500 sccm。 (j) 0.2 V 時(shí)的電流密度。(k) 峰值功率密度。
Fig 5. GDL 的可重用性。 (a) 加速壓力測試和 MEA 恢復(fù)。壽命終止的CCM 和陰極獨(dú)立 MPL 被原始 CCM 和陰極獨(dú)立 MPL 取代，而陰極 GDB、陽極獨(dú)立 MPL 和陽極 GDB 被重復(fù)使用。 (b) 燃料電池在壽命開始 (BOL)、第 1000 次循環(huán)和第 5000 次循環(huán)時(shí)的性能。燃料電池在 80ºC、200 kPaabs 氣壓和 60 RH% 的陽極和陰極條件下進(jìn)行了測試。 H
2 和空氣的氣體流速分別為 125 sccm 和 500 sccm。 (c) BOL 的燃料電池性能和每次回收。 (d) 0.6 V BOL 和每次恢復(fù)時(shí)的功率密度。 (e) 重復(fù)使用的組件的導(dǎo)電性。 (f) 重復(fù)使用部件的水接觸角。 (g) BOL 和第 4 次回收后燃料電池的 ECSA。
Fig 6. 回收不同的廢 MEA。 (a) 帶有傳統(tǒng) MPL 的廢 MEA 和帶有獨(dú)立 MPL 的廢 MEA 的光學(xué)圖像。 (b) 裝有 50 mL 溶劑的量筒。 (c) 使用傳統(tǒng) MPL 回收 MEA 的溶劑消耗。 (d) (f) 使用獨(dú)立 MPL 回收 MEA 的溶劑消耗。 (e) 陽極 GDB、陽極獨(dú)立 MPL 和陰極 GDB 的直接回收和再利用。
相關(guān)研究工作由中科院蘇州納米所Xiaochun Zhou課題組于2023年在線發(fā)表在《Adv. Mater.》期刊上，原文：A Recyclable Standalone Microporous Layer with Interpenetrating Network for Sustainable Fuel Cells。
轉(zhuǎn)自《石墨烯研究》公眾號(hào)
