Energy Environ. Sci.: 仿生肺燃料電池

【引言】

聚合物電解質燃料電池具有啟動快速、輕質、高效的特點，因而在便攜器件和電動汽車方面備受關注。然而，目前聚合物電解質燃料電池的發展仍舊存在許多限制因素，例如催化劑價格昂貴、耐用性、流場結構問題等等。其中，差的流場結構會使得通道被液態水堵塞以及反應物分布不均，這些傳質問題會導致水在氣體擴散電極孔道中過度累積以及反應物缺乏，從而使得氣體擴散電極中的多孔碳骨架材料被腐蝕、催化劑結塊與聚合物膜分解，這些都將使得電池性能及壽命衰減。因此，在聚合物電解質燃料電池中設計一種新型流場結構十分必要。

【成果簡介】

近日，倫敦大學學院的M.-O. Coppens團隊在Energy Environ. Sci.上發表最新研究成果 “A lung-inspired approach to scalable and robust fuel-cell design ”。在該文中，研究者從肺部的分形結構中獲得啟發，在聚合物電解質燃料電池中設計分形流場克服了聚合物電解質燃料電池中反應物分布不均勻的問題。實驗結果證實了3D打印仿生肺部分形流場結構的聚合物電解質燃料電池的性能有效提升，相比于傳統蛇形流場結構電池性能提高了約20%，最高功率密度提高了約30%。當延長電流維持測試時，反應物均勻分布的特性使得基于分形流場的聚合物電解質燃料電池電壓保持穩定，其衰減幅度降低至5 mV h^-1。除此之外，當擴大流場規模時，聚合物電解質燃料電池仍舊能夠保持優異的電化學性能。

【圖文導讀】

圖1 聚合物燃料電池結構的仿生設計

（A）仿生肺的特性（分形結構和最低熵產量）與聚合物燃料電池的仿生結構設計；

（B/D）數字模擬確定分支數量N；

（C）反應物均勻分布。

圖2 仿生肺部流場的模型

（A）入口（紅色）和出口（藍色）分支的3D網絡結構；

（B）X射線攝影檢測流場中的結構缺陷；

（C）不同分支數量N時的流場結構。

圖3 實驗結果證實仿生肺部結構的聚合物燃料電池性能提升

（A、B）流場面積為10 cm²，濕度為50%與75% 時流場聚合物電解質燃料電池的性能表示；

（C、D）流場面積為25 cm²，濕度為50%與75% 時流場聚合物電解質燃料電池的性能表示；

（E）延長電流持續時間為24小時，評估聚合物電解質燃料電池中反應物均勻分布對電池性能的影響。

【小結】
在這項工作中，研究者提出仿生肺部分形結構的設計方法，解決了聚合物燃料電池中的反應物分布不均勻的問題。基于此設計3D打印仿生肺部的分形流場，由于此結構使得在催化劑層中的反應物分布更加均勻，分形流場與普通蛇形流場相比在高電流密度下具有更高的性能。當將分形流場的面積擴大為25 cm²時，聚合物電解質燃料電池仍可保持催化劑層中氣體均勻分布，單位面積的電化學性能基本保持一致。此仿生肺部分型結構的技術在其他電化學體系也具有廣闊的應用前景，例如：氧化還原流體電池、不同電解質與不同類型的燃料電池等。

文獻鏈接：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線 曾沙 供稿。

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