Energy Environ. Sci.: 仿生肺燃料电池

【引言】

聚合物电解质燃料电池具有启动快速、轻质、高效的特点，因而在便携器件和电动汽车方面备受关注。然而，目前聚合物电解质燃料电池的发展仍旧存在许多限制因素，例如催化剂价格昂贵、耐用性、流场结构问题等等。其中，差的流场结构会使得通道被液态水堵塞以及反应物分布不均，这些传质问题会导致水在气体扩散电极孔道中过度累积以及反应物缺乏，从而使得气体扩散电极中的多孔碳骨架材料被腐蚀、催化剂结块与聚合物膜分解，这些都将使得电池性能及寿命衰减。因此，在聚合物电解质燃料电池中设计一种新型流场结构十分必要。

【成果简介】

近日，伦敦大学学院的M.-O. Coppens团队在Energy Environ. Sci.上发表最新研究成果 “A lung-inspired approach to scalable and robust fuel-cell design ”。在该文中，研究者从肺部的分形结构中获得启发，在聚合物电解质燃料电池中设计分形流场克服了聚合物电解质燃料电池中反应物分布不均匀的问题。实验结果证实了3D打印仿生肺部分形流场结构的聚合物电解质燃料电池的性能有效提升，相比于传统蛇形流场结构电池性能提高了约20%，最高功率密度提高了约30%。当延长电流维持测试时，反应物均匀分布的特性使得基于分形流场的聚合物电解质燃料电池电压保持稳定，其衰减幅度降低至5 mV h^-1。除此之外，当扩大流场规模时，聚合物电解质燃料电池仍旧能够保持优异的电化学性能。

【图文导读】

图1 聚合物燃料电池结构的仿生设计

（A）仿生肺的特性（分形结构和最低熵产量）与聚合物燃料电池的仿生结构设计；

（B/D）数字模拟确定分支数量N；

（C）反应物均匀分布。

图2 仿生肺部流场的模型

（A）入口（红色）和出口（蓝色）分支的3D网络结构；

（B）X射线摄影检测流场中的结构缺陷；

（C）不同分支数量N时的流场结构。

图3 实验结果证实仿生肺部结构的聚合物燃料电池性能提升

（A、B）流场面积为10 cm²，湿度为50%与75% 时流场聚合物电解质燃料电池的性能表示；

（C、D）流场面积为25 cm²，湿度为50%与75% 时流场聚合物电解质燃料电池的性能表示；

（E）延长电流持续时间为24小时，评估聚合物电解质燃料电池中反应物均匀分布对电池性能的影响。

【小结】
在这项工作中，研究者提出仿生肺部分形结构的设计方法，解决了聚合物燃料电池中的反应物分布不均匀的问题。基于此设计3D打印仿生肺部的分形流场，由于此结构使得在催化剂层中的反应物分布更加均匀，分形流场与普通蛇形流场相比在高电流密度下具有更高的性能。当将分形流场的面积扩大为25 cm²时，聚合物电解质燃料电池仍可保持催化剂层中气体均匀分布，单位面积的电化学性能基本保持一致。此仿生肺部分型结构的技术在其他电化学体系也具有广阔的应用前景，例如：氧化还原流体电池、不同电解质与不同类型的燃料电池等。

文献链接：A lung-inspired approach to scalable and robust fuel-cell design  (Energy Environ. Sci., 2017, DOI: 10.1039/c7ee02161e)

本文由材料人新能源前线 曾沙 供稿。

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