雙極界面聚合物膜燃料電池研究進展

盧善富　彭思侃,2　相　艷,*

(1北京航空航天大學空間與環境學院，仿生能源材料與器件北京市重點實驗室，北京100191；2北京航空材料研究院，北京100095)

?

雙極界面聚合物膜燃料電池研究進展

盧善富1彭思侃1,2相艷1,*

(1北京航空航天大學空間與環境學院，仿生能源材料與器件北京市重點實驗室，北京100191；2北京航空材料研究院，北京100095)

雙極界面聚合物膜燃料電池(BPFCs)作為一類新型的具有酸堿雙極界面結構的聚合物膜燃料電池，其新穎的膜電極結構帶來了突出的優勢以及獨特的界面問題。隨著關鍵材料與界面工藝的發展，近年來雙極界面聚合物膜燃料電池取得了顯著的研究成果。本文將梳理膜電極工藝及結構、關鍵反應界面、水傳輸機制以及非鉑催化劑應用等方面的研究進展。這些基礎理論與關鍵技術的發展為雙極界面聚合物膜燃料電池未來深入研究和開發奠定了良好的基礎。

雙極界面；智能水管理；非鉑催化劑；聚合物膜燃料電池

www.whxb.pku.edu.cn

1　引言

聚合物膜燃料電池(PEFC)作為一種高能量密度的電化學能量轉化裝置，一直被視為新能源技術終極解決方案之一。隨著PEFC技術規模化和商業化進程的不斷深入，低成本、智能化、輕量化已成為必然的發展趨勢。雙極界面聚合物膜燃料電池(簡稱雙極燃料電池，BPFC)是近年來提出的一類新型的具有酸堿雙極界面結構的聚合物膜燃料電池(見圖1)。雙極界面結構使BPFC具有以下兩方面的突出優勢：(1)雙極界面反應改變了膜電極內水的分布和傳輸規律，有望實現膜電極的內部自潤濕，解決聚合物電解質水化1,2和控制問題3；(2)雙極性催化環境可以發揮堿性催化的優勢，例如應用非鉑催化劑降低電池成本4－7，加快氧還原8、甲醇氧化9等反應的催化動力學，緩解鉑催化劑的腐蝕10等。因此，膜電極結構的創新使得開發雙極界面概念的燃料電池有望解決簡化電池水管理及降低催化劑成本問題11，為實現聚合物膜燃料電池的低成本、智能化、輕量化開辟了新路徑。

圖1　雙極界面聚合物膜燃料電池典型結構示意圖Fig.1　Typical configuration of the bipolar interfacial polyelectrolyte membrane fuel cell

2003年東京工業大學Ayato研究組11針對質子交換膜燃料電池氧還原反應動力學遲滯，催化劑局限于貴金屬以及電池水管理復雜等問題，率先提出采用雙極膜作為電解質隔膜以實現改善電池水管理和拓展非貴金屬催化劑應用雙贏的理念，被稱為雙極膜燃料電池(bipolar membrane fuel cell)。隨后，赫爾辛基理工大學Kallio研究組12開展了雙極膜電導率、吸水率、遷移數等基本物理性質的研究，并探索利用雙極膜燃料電池實現陰極電化學合成過氧化氫13。佐治亞理工大學Kohl研究組14及特拉華大學Hertz研究組15先后報道了氫氧雙極膜燃料電池的放電性能，發現電池功率密度不理想，而且未能實現預期的自潤濕特性。

針對雙極膜燃料電池研究中遇到的問題，Kohl研究組提出消除堿性離子交換膜，將堿性催化電極直接與質子交換膜結合，以縮短雙極界面與堿性催化層間的距離降低膜電阻，并成功實現電池自潤濕特性及可觀的功率輸出14,16。此類BPFC被稱為復合陰陽離子膜燃料電池(hybrid anioncation membrane fuel cell)。進而，Kohl研究組對復合陰陽離子膜燃料電池的構型、自潤濕特性、堿性催化層構效關系等進行了系列研究17－20。

北京航空航天大學相艷研究組在對復合陰陽離子膜燃料電池膜電極構型21及堿性陰極催化層結構22研究的基礎上，提出制約BPFC功率輸出的瓶頸問題是雙極界面以及堿性催化層界面的傳輸及反應性能。通過優化雙極膜構筑工藝，取得了雙極膜燃料電池功率性能的突破，并成功驗證電池自潤濕特性以及應用非鉑催化劑的可行性23。系統地建立了雙極界面反應動力學24，一維雙極膜水分布模型23以及二維雙極膜電極水傳輸模型25，對雙極界面行為，電池水傳輸機制以及堿性陰極催化層極化特性26進行深入分析。

盧善富，北京航空航天大學副教授，博士生導師。2008年6月畢業與武漢大學化學與分子科學學院，獲理學博士學位。主要研究方向包括聚合物膜燃料電池，納米電催化劑，液流電池新體系及關鍵材料研究等。

彭思侃，北京航空航天大學空間與環境學院材料物理與化學專業博士研究生。研究興趣包括雙極界面聚合物膜燃料電池，反應動力學，計算流體力學，微生物電化學系統等。

相艷，北京航空航天大學教授，博士生導師。2001年7月畢業于四川大學化學學院，獲理學博士學位。長期從事新能源材料與器件研究，主要研究領域包括燃料電池用關鍵材料，生物光電膜蛋白能量轉化基本原理與仿生器件。

與傳統質子/堿性離子交換膜燃料電池不同，雙極界面聚合物膜燃料電池中主要存在三種類型的反應界面(見圖1)，即酸性催化層界面，雙極反應界面以及堿性催化層界面。其中，酸性催化層界面與質子交換膜燃料電池中催化層界面結構性質類似，研究較為成熟。然而，雙極反應界面和堿性催化層界面的研究才剛剛起步。如何通過優化雙極界面結構，堿性聚電解質材料及堿性催化層結構提高雙極界面與堿性催化層界面的反應速率？界面反應速率與膜電極中水/離子/電子傳輸平衡對電池性能存在何種影響與制約關系？這些科學問題仍將是BPFC研究的重點和難點。本文將歸納膜電極工藝及結構，關鍵反應界面極化特征，電池水傳輸機制，非鉑催化劑應用等主要研究方向的研究進展，梳理BPFC研究的關鍵物理化學問題以及未來發展方向。

2　膜電極工藝及結構

目前，雙極界面聚合物膜燃料電池研究報道中存在兩種主要的雙極膜電極制備工藝：一種工藝以雙極膜直接作為電池隔膜并與陰陽兩電極組成膜電極，稱為雙極膜燃料電池；另一種工藝則在堿性催化層表面依次涂覆堿性和酸性聚合物構成雙極界面，并以質子交換膜作為隔膜制備膜電極，稱為復合陰陽離子膜燃料電池。

2.1雙極膜燃料電池

氫氧電池輸出功率密度不理想是雙極膜燃料電池研究初期遇到的瓶頸問題，因而使得部分研究者對該電池結構的研究價值產生了懷疑。2003 年Ayato研究組11首次報道雙極膜燃料電池概念，實現加濕條件下電池最高功率密度為0.026 mW· cm－2(70°C)；2009年Kohl研究組14報道在充分加濕條件下電池最高功率密度為0.64 mW·cm－2(50°C)；2010年Hertz研究組15實現充分加濕條件下電池最高功率密度達6.0 mW·cm－2(60°C)。

雙極反應界面作為雙極膜燃料電池顯著區別于傳統PEFC的新型界面結構，界面的傳輸和反應性能可能是制約雙極膜燃料電池功率性能及自潤濕特性的關鍵限制因素。因此，雙極膜的構筑不僅需要選擇高電導率的膜材料，控制膜層厚度以降低歐姆電阻，同時還需要考慮降低陰陽離子交換膜的接觸電阻以及減小膜界面的反應極化電阻。本研究組通過系統考察三種雙極膜構筑工藝(負壓涂覆法、直接壓合法、粘接壓合法)，綜合分析發現粘接壓合工藝對降低膜界面電阻最為有效。將Nafion 212膜與交聯季銨化聚砜堿性離子交換膜(武漢大學莊林教授研究組研制)粘接壓合成雙極膜，在干氣條件下實現電池最高功率密度達到327 mW·cm－2(50°C)23。因而，目前通過對雙極膜構筑工藝的優化已經實現電池輸出功率兩個數量級的提升，使得雙極膜燃料電池技術更具實際開發價值。

2.2復合陰陽離子膜燃料電池

復合陰陽離子膜燃料電池，又稱為復合聚電解質燃料電池(hybrid polymer electrolyte fuel cell)，是針對雙極膜燃料電池性能不理想而提出的一種優化的膜電極結構，其在經過少量堿性聚合物修飾的堿性催化層表面涂覆酸性聚合物溶液形成雙極界面，然后將電極與質子交換膜壓合成膜電極14。值得注意的是，如果在堿性催化層表面修飾的堿性聚合物層足夠厚，可以有效阻隔酸性聚合物溶液向催化層內部滲透，則雙極界面與堿性催化層之間將存在堿性離子交換膜層，此時電池結構與雙極膜燃料電池結構相近；如果堿性聚合物修飾層很薄，使得隨后涂覆的酸性聚合物溶液向堿性催化層內滲透，則雙極界面將分布于催化層內，極端情況下催化層內甚至會形成部分酸性的三相催化界面。因此，復合陰陽離子膜燃料電池中可能不存在完整的堿性離子交換膜層。

盡管如此，這種改進的雙極界面構筑工藝能夠有效減小雙極界面電阻以及隔膜與催化層之間的接觸電阻，使得電池表現出良好的功率輸出性能和自潤濕工作特征。電池在低濕度反應氣條件下的輸出功率明顯優于高濕度環境14,16－18,20，而且能夠在75和80°C的干氣環境下保持穩定運行達240 h16。通過對堿性催化層進行憎水修飾并優化聚合物添加工藝，Kohl研究組17實現干氣條件下氫氧電池最大功率密度為375 mW·cm－2(70oC)。同時，Kohl研究組還考察了以Nafion?膜為隔膜復合兩個堿性電極的電池構型19,20，研究發現堿性電極中催化劑利用率較低是造成電池性能不理想的因素之一。

為了系統地分析膜電極構型的影響，本研究組采用薄層親水電極工藝構建了四種分別含有兩類和一類雙極界面的復合陰陽離子膜燃料電池。對比分析四種電池的放電特性及自潤濕性能，發現僅含有一類雙極界面的電池性能更優，而且當堿性電極作為陰極，酸性電極作為陽極時電池性能最佳21。在優選的電池構型基礎上，對堿性陰極催化層的結構開展了進一步的優化研究，分別考察薄層親水電極和厚層憎水電極兩種工藝對電極結構和電池性能的影響。針對性研究了薄層親水電極中堿性聚合物含量以及厚層憎水電極中聚四氟乙烯的含量。結果表明，對堿性陰極催化層進行憎水處理能夠有效提升電池性能，干氣條件下氫氧電池輸出功率達到461.5 mW·cm－2(40°C)22。

以上研究表明，復合陰陽離子膜燃料電池具有良好的功率特性和水管理機制。然而，目前研究主要集中在電極結構和構型的優化方面，對膜電極中雙極界面和酸堿混合三相催化反應界面的水/離子/電子傳輸機制及電化學行為尚缺乏深入地分析和研究。

3　關鍵反應界面極化特征

為了理清雙極界面及堿性催化界面等關鍵反應界面極化特征對電池性能的影響，解析限速步驟并探索優化策略，研究者近年來對雙極反應界面以及堿性陰極催化層界面極化行為開展了系列基礎理論與實驗研究。

3.1雙極反應界面

雙極界面聚合物膜燃料電池中由于酸堿離子交換膜的復合而產生了新的膜反應界面，理論上在該雙極界面上將發生水解離平衡反應。因此，雙極界面的結構與性質，界面離子傳輸及反應機制，界面反應動力學對電池性能的影響等問題均是研究中所面臨的新穎的科學問題。傳統電滲析雙極膜研究中，通常有兩類模型被用來描述界面離子傳輸過程，一種模型是采用擴張的Nernst-Planck方程作現象學模型描述27,28；另一種模型是依據Maxwell-Stefan關系，通過體系中所有物質間的兩相擴散系數或摩擦系數來描述29。與電滲析雙極膜的情形相比，雙極膜應用于燃料電池中所涉及的傳輸物質要純粹得多，譬如包含質子、氫氧根離子、水分子、陽離子固定電荷以及陰離子固定電荷。在穩態條件下對雙極界面移動電荷的流量守恒方程進行積分即可得到界面穩態平衡電勢14。進而，根據Possion方程和電荷守恒定律不難得出雙極界面耗盡層厚度及分布規律受界面電勢以及固定電荷密度的影響的規律14,24。

本研究組通過結合宏觀反應動力學與半導體p-n結理論首次推導得出雙極界面電流密度與界面過電勢的解析關系24。研究發現，界面電流密度主要由界面反應電流密度貢獻。界面水生成反應電流密度隨界面過電勢增大呈指數性增長，而水解離反應電流密度隨界面過電勢變化呈極限電流的特征。雙極界面反應速率可能成為燃料電池性能增長的限速步驟，在反應速率常數不變的情況下，水生成界面反應比水解離界面反應對電池性能的影響小。因此，雙極界面動力學研究在理論上驗證了構建良好的雙極界面，提高界面反應速率對改善電池輸出性能的重要意義。此外，雙極界面水解離反應在燃料電池中是否存在類似電滲析雙極膜中的電場催化效應30,31是雙極界面理論研究仍需解決的難題之一，其對分析水解離界面的可應用性具有重要理論意義。

3.2堿性陰極催化層界面

在構型如圖1的雙極界面聚合物膜燃料電池伏安測試中經常可以在極化曲線高電流密度區觀察到異常的“贗濃差極化”特征。隨著電池電壓降低先出現類似濃差極化的特征，進一步降低電池電壓后極化曲線出現轉折并恢復類似歐姆極化的特征。這種“贗濃差極化”特征在質子交換膜燃料電池研究中十分罕見，但近年來在堿性離子交換膜燃料電池的研究中頻繁出現。因而，“贗濃差極化”可能與堿性陰極催化層的極化特性有關。本研究組通過現象學模型仿真堿性離子交換膜燃料電池極化曲線并結合電化學表征結果研究發現，“贗濃差極化”現象是堿性陰極催化層內氫氧根離子傳輸電阻與電化學極化電阻異常變化的結果26。堿性聚電解質的低電導率(尤其在低水含量條件下)，使堿性催化層中氧還原反應集中發生在隔膜與催化層界面，導致催化劑的利用效率十分有限。因此，開發低吸水率、高電導率的高性能堿性離子交換膜材料32－34是消除“贗濃差極化”現象的有效途徑之一。同時，研究表明優化膜電極結構改善堿性陰極催化層的水管理可緩解“贗濃差極化”現象。堿性陰極催化層極化性能的理論分析，有助于指導優化電極材料和結構，改善雙極界面聚合物燃料電池和堿性離子交換膜燃料電池性能。

4　電池水傳輸機制

雙極界面聚合物膜燃料電池對膜電極結構的革新打破了以往水反應界面僅存在于電極催化層界面的分布規律。那么，在膜電極中調整雙極水反應界面的位置將直接影響整個電池內部水的傳輸與分配。復雜的界面分布帶來了新的挑戰與機遇，掌握雙極膜電極中的水傳輸機制并進行有效調控便有望實現電池的智能水管理，使膜電極內部水的傳輸與分布達到均衡。盡管研究中已經觀察到復合陰陽離子膜燃料電池具備某些自潤濕工作的特性14,16－20，但是膜電極內的水傳輸和分布規律尚不明晰。雙極膜燃料電池的自潤濕特性還有待驗證。因此，本研究組從現象學仿真模擬結合實驗驗證的角度出發，開展了一系列雙極膜燃料電池水傳輸機制研究。

4.1一維雙極膜水分布規律

研究將雙極膜簡化為一維結構，考慮以水的濃差擴散和電遷移機制作為主要水傳輸驅動力，對水生成雙極界面的情形求解穩態水流量守恒方程得到不同放電電流密度條件下雙極膜內的穩態水分布規律。仿真結果表明，隨著電流密度的增大，雙極界面處產水速率加快，使得雙極界面處逐漸累積更多的水含量。從而，在雙極膜內形成從雙極界面向雙極膜邊界方向有效的水擴散濃度梯度。通過原位紅外表征半定量分析驗證了當雙極膜界面發生水生成反應時膜內將形成類似鐘形規律的水濃度分布梯度23。

4.2二維膜電極水傳輸機制

綜合考慮電極反應以及雙極界面反應，首次建立了考慮雙極反應界面行為的二維膜電極水傳輸模型25。研究在基準參數條件下分析了雙極界面發生水生成反應時膜電極達到自潤濕狀態的條件。隨著放電電壓降低(電流密度增大)，雙極界面反應產生的水可以在一定條件下實現分別向陰極和陽極分配流量。當向陰極傳輸的水流量與向陽極傳輸的水流量相等時，流向陰極的水量剛好補償陰極氧還原反應消耗的水量，此時對應電池自潤濕的臨界電流密度和臨界電壓。在低于臨界電壓(大于臨界電流密度)的條件下，電池能實現陰陽兩極同時排水的自潤濕狀態。但是由于膜材料性質和雙極膜構筑方式的不同，可能出現只有在某一電壓(電流密度)范圍內電池才能實現自潤濕的情形。對燃料電池實際工況來說，一般要求維持單電池工作電壓在約0.7 V以上。那么，為了實現電池智能水管理則需要調控自潤濕工作區間，使其能夠涵蓋電池額定工作電壓(電流密度)范圍。研究發現，雙極膜中陰陽離子交換膜層的厚度比例，膜材料的吸水性質等能夠顯著影響電池的自潤濕工作區間。因此，基于目前相對成熟的商業化質子交換膜材料，研究中將可以通過優化堿性離子交換膜的厚度，吸水性及水傳輸性質來調控BPFC自潤濕工作區間。

4.3雙極膜燃料電池自潤濕特性

雖然在早期研究探索中雙極膜燃料電池均需要在加濕反應氣的條件下工作11,14,15，但是經過對雙極膜構筑工藝的優化使電池輸出性能得到改善之后，雙極膜燃料電池的自潤濕特征得到了實驗驗證23。譬如，電池能夠在30°C干氣條件下長時間穩定工作，且在陰極和陽極反應氣出口處均能收集到液態水。通過電化學阻抗譜測試不同電池電壓下的膜電阻變化規律發現，在電池放電狀態下膜電阻會隨著電池電壓的降低而降低。從而，間接驗證了雙極膜燃料電池的自潤濕特性。

目前研究建立的BPFC水傳輸模型主要集中在水生成雙極界面結構，從理論上分析了電池的自潤濕機制并預測了電池智能水管理策略。未來電池自潤濕特性的研究還需要開發更多原位表征及定量分析技術以便更好地與理論分析相結合，指導電池智能水管理技術的開發。

5　非鉑催化劑應用

理論上，堿性催化環境下氧還原反應動力學比酸性催化環境的反應動力學快8，因此利用雙極界面聚合物膜燃料電池中的堿性催化環境拓展非鉑催化劑的應用可以顯著降低電池成本。這也是雙極界面聚合物膜燃料電池的優勢之一。2014年伊利諾伊斯理工大學Ramani研究組35首次報道在堿性陰極催化層中應用納米銀作為氧還原催化劑，95%相對濕度環境下氫氧電池最大功率密度將近50 mW·cm－2(70°C)。2015年本研究組23報道在雙極膜燃料電池堿性陰極應用銀碳納米催化劑，測試氫氧干氣條件不同溫度(25－50°C)下的電池極化性能，并實現電池長時間(250 h)干氣恒壓穩定放電工作。研究表明，非鉑催化劑可能會受到質子交換膜的酸性腐蝕作用，進而導致電池開路電壓低，放電性能不理想等現象。因此，控制堿性離子交換膜層的厚度或者提高非鉑催化劑的抗酸腐蝕性是成功應用非鉑催化劑的關鍵。最新研究發現，在復合陰陽離子膜燃料電池堿性電極中應用鈀鎳納米催化劑(南京師范大學唐亞文教授研究組研制)，可以實現干氣條件氫氧電池最大功率密度434 mW·cm－2(50°C)。

目前，應用非鉑催化劑所實現的電池功率性能還不及鉑催化劑所達到的功率水平，但是相關研究探索證實了雙極界面聚合物膜燃料電池中應用非鉑催化劑的可行性。對開發低成本、智能水管理的BPFC具有重要意義。另一方面，雙極膜電極結構中標準化的酸性電極，可觀的隔膜離子電導率為研究非鉑催化劑在電池堿性電極中的電催化性能提供了可靠的研究測試環境，有助于促進適用于燃料電池系統的高性能非鉑催化劑的開發與應用。因此，充分利用堿性催化環境開展BPFC在非鉑催化劑、直接液體燃料電池等領域的研究或將成為未來重要的發展方向。

6　展望

雙極界面聚合物膜燃料電池因其新穎的膜電極結構而具備多方面的顯著優勢。隨著對雙極膜電極關鍵界面和關鍵科學問題認識與研究的深入，BPFC在功率性能、自潤濕特性、非鉑催化劑適用性等方面均展示出了良好的發展前景。作為燃料電池的核心部件——膜電極，其結構和性能直接制約著BPFC的輸出性能、水管理特性、壽命及穩定性等。然而，目前對BPFC膜電極關鍵結構和界面行為的研究才剛剛起步，在科學和技術上仍然存在若干問題沒有解決，譬如水解離雙極界面的構效關系，不同膜電極構型水傳輸機制及自潤濕特性，堿性催化層界面水/離子/電子傳輸機制及電化學行為，界面傳輸行為原位表征技術等。因此，如何優化雙極界面結構，堿性聚電解質材料性質以及堿性催化層結構，提高雙極界面與堿性催化層界面的反應速率？界面反應速率以及膜電極中水/離子/電子傳輸平衡對電池性能存在何種影響與制約關系？這些科學問題仍將是BPFC研究的重點和難點。此外，系統地剖析多種不同雙極膜電極構型的水平衡機制，尋求有效的平衡控制管理策略，對實現BPFC的商業化應用具有至關重要的意義。

References

(1)Boysen,D.A.;Uda,T.;Chisholm,C.R.I.;Haile,S.M.Science 2004,303(5654),68.doi:10.1126/science.1090920

(2)Sinha,J.2010 Annual Progress Report:Department of Energy (DOE)Hydrogen Program,in Related Information:U.S.DOE 2011,672.doi:10.2172/1015882

(3)Jiao,K.;Li,X.Prog.Energy Combust.Sci.2011,37(3),221. doi:10.1016/j.pecs.2010.06.002

(4)McLean,G.F.;Niet,T.;Prince-Richard,S.;Djilali,N.Int.J. Hydrog.Energy 2002,27(5),507.doi:10.1016/S0360-3199(01) 00181-1

(5)Lu,S.F.;Pan,J.;Huang,A.B.;Zhuang,L.;Lu,J.T.Proc.Natl. Acad.Sci.U.S.A.2008,105(52),20611.doi:10.1073/ pnas.0810041106

(6)Bashyam,R.;Zelenay,P.Nature 2006,443(7107),63. doi:10.1038/nature05118

(7)Wang,Y.;Wang,G.;Li,G.;Huang,B.;Pan,J.;Liu,Q.;Han,J.; Xiao,L.;Lu,J.;Zhuang,L.Energy Environ.Sci.2015,8(1), 177.doi:10.1039/C4EE02564D

(8)Spendelow,J.S.;Wieckowski,A.Phys.Chem.Chem.Phys. 2007,9(21),2654.doi:10.1039/B703315J

(9)Wang,Y.;Li,L.;Hu,L.;Zhuang,L.;Lu,J.;Xu,B. Electrochem.Commun.2003,5(8),662.doi:10.1016/S1388-2481(03)00148-6

(10)Tang,D.P.;Pan,J.;Lu,S.F.;Zhuang,L.;Lu,J.T.Sci.Chin. Chem.2010,53(2),357.doi:10.1007/s11426-010-0080-5

(11)Ayato,Y.;Okada,T.;Yamazaki,Y.Electrochemistry 2003,71 (5),313.

(12)Lobyntseva,E.;Kallio,T.;Kontturi,K.Electrochim.Acta 2006, 51(7),1165.doi:10.1016/j.electacta.2005.06.004

(13)Lobyntseva,E.;Kallio,T.;Alexeyeva,N.;Tammeveski,K.; Kontturi,K.Electrochim.Acta 2007,52(25),7262. doi:10.1016/j.electacta.2007.05.076

(14)ünlü,M.;Zhou,J.F.;Kohl,P.A.J.Phys.Chem.C 2009,113 (26),11416.doi:10.1021/jp903252u

(15)Shen,W.;Zhang,F.;Prasad,A.;Hertz,J.ECS Trans.2010,33 (1),2011.doi:10.1149/1.3484692

(16)ünlü,M.;Zhou,J.;Kohl,P.A.Fuel Cells 2010,10(1),54. doi:10.1002/fuce.200900122

(17)ünlü,M.;Zhou,J.;Anestis-Richard,I.;Kim,H.;Kohl,P.A. Electrochim.Acta 2011,56(12),4439.doi:10.1016/j. electacta.2011.02.017

(18)ünlü,M.;Zhou,J.;Anestis-Richard,I.;Kohl,P.A. ChemSusChem 2010,3(12),1398.doi:10.1002/cssc.201000239

(19)ünlü,M.;Zhou,J.;Kohl,P.A.Angew.Chem.Int.Edit.2010,49 (7),1299.doi:10.1002/anie.200906021

(20)ünlü,M.;Zhou,J.;Kohl,P.A.J.Electrochem.Soc.2010,157 (10),B1391.doi:10.1149/1.3468700

(21)Peng,S.;Xu,X.;Zhang,J.;Liu,Y.;Lu,S.;Xiang,Y.Acta Chim. Sin.2015,73(2),137.doi:10.6023/A14120842[彭思侃,徐鑫,張勁,劉祎陽,盧善富,相艷.化學學報,2015,73(2),137.doi:10.6023/A14120842]

(22)Xu,X.;Peng,S.;Zhang,J.;Lu,S.;Xiang,Y.Acta Chim.Sin. 2016,74(3),271.doi:10.6023/A15100687[徐鑫,彭思侃,張勁,盧善富,相艷,化學學報,2016,74(3),271. doi:10.6023/A15100687]

(23)Peng,S.;Xu,X.;Lu,S.;Sui,P.C.;Djilali,N.;Xiang,Y. J.Power Sources 2015,299,273.doi:10.1016/j. jpowsour.2015.08.104

(24)Peng,S.;Lu,S.;Zhang,J.;Sui,P.C.;Xiang,Y.Phys.Chem. Chem.Phys.2013,15(27),11217.doi:10.1039/c3cp52150h

(25)Li,Q.;Gong,J.;Peng,S.;Lu,S.;Sui,P.C.;Djilali,N.;Xiang, Y.J.Power Sources 2016,307,358.doi:10.1016/j. jpowsour.2016.01.016

(26)Peng,S.;Gong,J.;Xu,X.;Sui,P.C.;Lu,S.;Xiang,Y.J.Phys. Chem.C 2015,119(43),24276.doi:10.1021/acs.jpcc.5b08031

(27)Strathmann,H.;Krol,J.J.;Rapp,H.J.;Eigenberger,G. J.Membr.Sci.1997,125(1),123.doi:10.1016/S0376-7388(96) 00185-8

(28)Zabolotsky,V.I.;Nikonenko,V.V.J.Membr.Sci.1993,79(2), 181.doi:10.1016/0376-7388(93)85115-D

(29)Kraaijeveld,G.;Sumberova,V.;Kuindersma,S.;Wesselingh,H. Chem.Eng.J.Biochem.Eng.J.1995,57(2),163.doi:10.1016/ 0923-0467(94)02940-7

(30)Mafé,S.;Ram?′rez,P.;Alcaraz,A.Chem.Phys.Lett.1998,294 (4－5),406.doi:10.1016/S0009-2614(98)00877-X

(31)Holdik,H.;Alcaraz,A.;Ram?′rez,P.;Mafé,S.J.Electroanal. Chem.1998,442(1－2),13.doi:10.1016/S0022-0728(97) 00506-8

(32)Varcoe,J.R.;Atanassov,P.;Dekel,D.R.;Herring,A.M.; Hickner,M.A.;Kohl,P.A.;Kucernak,A.R.;Mustain,W.E.; Nijmeijer,K.;Scott,K.;Xu,T.;Zhuang,L.Energy Environ.Sci. 2014,7(10),3135.doi:10.1039/C4EE01303D

(33)Si,J.;Lu,S.;Xu,X.;Peng,S.;Xiu,R.;Xiang,Y. ChemSusChem 2014,7(12),3389.doi:10.1002/cssc.201402664

(34)Pan,J.;Chen,C.;Li,Y.;Wang,L.;Tan,L.;Li,G.;Tang,X.; Xiao,L.;Lu,J.;Zhuang,L.Energy Environ.Sci.2014,7,354. doi:10.1039/c3ee43275k

(35)Arges,C.G.;Prabhakaran,V.;Wang,L.;Ramani,V.Int.J. Hydrog.Energy 2014,39(26),14312.doi:10.1016/j. ijhydene.2014.04.099

Perspectives on the Research Progress of Bipolar Interfacial Polyelectrolyte Membrane Fuel Cell

LU Shan-Fu1PENG Si-Kan1,2XIANG Yan1,*
(1Beijing Key Laboratory of Bio-inspired Energy Materials and Devices,School of Space and Environment,Beihang University, Beijing 100191,P.R.China;2Beijing Institute of Aeronautical Materials,Beijing 100095,P.R.China)

Bipolar interfacial polyelectrolyte membrane fuel cells(BPFCs)are novel devices based on an acidicalkaline bipolar reaction interface.As a result of this innovative bipolar membrane electrode assembly(MEA), BPFCs exhibit outstanding advantages but also present new challenges with regard to the interface.Significant progress has been achieved in BPFCs research in recent years,with the development of key materials and interface technologies.This monograph summarizes the recent advances in MEA technology,including structures,rate-limiting reaction interfaces,water transport mechanisms,and the application of metals other than platinum.These developments in both fundamental theory and primary technologies have established a good foundation for the future research and development of such devices.

Bipolar interface;Smart water management;Non-platinum catalyst;Polyelectrolyte membrane fuel cell

April 5,2016;Revised:June 2,2016;Published on Web:June 2,2016.

O646

10.3866/PKU.WHXB201606022

*Corresponding author.Email:xiangy@buaa.edu.cn;Tel:+86-10-82339539.

The project was supported by the National Natural Science Foundation of China(U1137602,51422301),National Science Foundation of Beijing, China(2132051),and National High-Tech Research and Development Program of China(863)(2013AA031902).

國家自然科學基金(U1137602,51422301),北京市自然科學基金(2132051)和國家高技術研究發展計劃項目(863)(2013AA031902)資助

?Editorial office ofActa Physico-Chimica Sinica

［FeatureArticle］