最新Nature Energy：凹槽型电极实现高功率密度燃料电池

一、【导读】

   近年来，随着全球地表温度持续上升，用清洁能源替代化石燃料能源的研究正在迅速增长。质子交换膜燃料电池（PEMFC）能够在零碳排放量的情况下按需发电，因此成为交通应用中内燃机极具吸引力的替代技术。通过使用电解水产生的可再生氢气，PEMFC可以消除运输部门对化石燃料的依赖。然而，PEMFC需要提高耐用性和效率（燃油经济性）以及降低催化剂成本实现商业化发展。尽管目前PEMFC电极催化剂的研发取得了长足的发展，但对于实现高功率密度、耐用性和效率仍然具有很大的挑战。然而，通过设计改进电极结构可以提供更快的传输速度和更高的材料利用率，与此同时也可以提供更高的功率密度、耐用性和效率以及更低的成本。传统的PEMFC电极由碳负载的铂催化剂（Pt/C）和离聚物组成，混合在油墨浆料中并沉积在膜或气体扩散层上作为多孔电极。然而，这种自上而下的过程创建了一个随机和曲折的离聚物和孔隙网络的电极结构，从而降低了传质和催化剂的利用率。因此，合理设计和开发出在相关电压（≥ 0.7 V）和较低相对湿度条件下增强性能的电极结构是目前PEMFC中研究的热点之一。

二、【成果掠影】

   近日，美国洛斯阿拉莫斯国家实验室Jacob S. Spendelow等人开发了一种凹槽电极，这是一种替代电极结构，通过将高离聚物（离子导电粘合剂）含量与用于快速O₂传输的凹槽相结合以改善H⁺传输，从而增强PEMFC的性能和耐久性。相关的研究成果以“Grooved electrodes for high-power-density fuel cells”为题发表在Nature Energy上。

三、【核心创新点】

1、作者报告一种新型的凹槽电极，该电极的结构具有两个主要特征：高离子含量的电极脊，通过凹槽（空隙通道）分隔，提供快速的H⁺传输，并促进O₂扩散，以便及时的将氧还原反应（ORR）反应物快速输送到反应位点。充分的解决了传统电极在O₂和H⁺传输的冲突需求。

2、在标准操作条件下，凹槽电极的性能比最先进的传统电极高出50%。燃料电池性能与多物理场建模相结合表明，尽管凹槽电极的离聚体含量很高，但它们仍能促进O₂的传输，从而提高反应速率的均匀性。与基线电极相比，凹槽电极还提高了更好的耐用性，碳腐蚀后的性能损失更小。

四、【数据概览】

图1沟槽电极概念。©2023 Springer Nature

图2 具有平面和凹槽电极的燃料电池的性能。©2023 Springer Nature

图3平面和凹槽 (1 µm/3 µm) 电极中的传输阻力。©2023 Springer Nature

图4 平面和凹槽电极中的局部反应速率和O₂浓度。©2023 Springer Nature

图5平面和凹槽 (1 µm/3 µm) 电极的耐用性。©2023 Springer Nature

图6沟槽电极的未来发展方向。©2023 Springer Nature

五、【成果启示】

   综上所述，作者报道了另一种PEMFC电极结构，即凹槽电极，它提供了显著的性能和耐用性优势。凹槽电极由空槽隔开的高离聚物含量的催化剂脊组成，分别为H⁺和O₂的运输提供了有效的途径。与优化后的平坦基线电极相比，凹槽电极在100% RH下的H⁺传输电阻降低了60%，而O₂传输电阻没有明显变化。另外，机器学习分析展示了进一步优化具有更高性能和耐用性的下一代PEMFC的凹槽结构的潜力。因此，这项研究的出现将有望尽早实现更小、更便宜以及更高效率的燃料电池堆，并为尽早促进工业化PEMFC的发展做出巨大贡献。

原文详情：https://doi.org/10.1038/s41560-023-01263-2

本文由K . L撰稿。