最新Nature Energy：凹槽型電極實現高功率密度燃料電池

一、【導讀】

? ?近年來，隨著全球地表溫度持續上升，用清潔能源替代化石燃料能源的研究正在迅速增長。質子交換膜燃料電池（PEMFC）能夠在零碳排放量的情況下按需發電，因此成為交通應用中內燃機極具吸引力的替代技術。通過使用電解水產生的可再生氫氣，PEMFC可以消除運輸部門對化石燃料的依賴。然而，PEMFC需要提高耐用性和效率（燃油經濟性）以及降低催化劑成本實現商業化發展。盡管目前PEMFC電極催化劑的研發取得了長足的發展，但對于實現高功率密度、耐用性和效率仍然具有很大的挑戰。然而，通過設計改進電極結構可以提供更快的傳輸速度和更高的材料利用率，與此同時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。傳統的PEMFC電極由碳負載的鉑催化劑（Pt/C）和離聚物組成，混合在油墨漿料中并沉積在膜或氣體擴散層上作為多孔電極。然而，這種自上而下的過程創建了一個隨機和曲折的離聚物和孔隙網絡的電極結構，從而降低了傳質和催化劑的利用率。因此，合理設計和開發出在相關電壓（≥ 0.7 V）和較低相對濕度條件下增強性能的電極結構是目前PEMFC中研究的熱點之一。

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二、【成果掠影】

? ?近日，美國洛斯阿拉莫斯國家實驗室Jacob S. Spendelow等人開發了一種凹槽電極，這是一種替代電極結構，通過將高離聚物（離子導電粘合劑）含量與用于快速O₂傳輸的凹槽相結合以改善H⁺傳輸，從而增強PEMFC的性能和耐久性。相關的研究成果以“Grooved electrodes for high-power-density fuel cells”為題發表在Nature Energy上。

三、【核心創新點】

1、作者報告一種新型的凹槽電極，該電極的結構具有兩個主要特征：高離子含量的電極脊，通過凹槽（空隙通道）分隔，提供快速的H⁺傳輸，并促進O₂擴散，以便及時的將氧還原反應（ORR）反應物快速輸送到反應位點。充分的解決了傳統電極在O₂和H⁺傳輸的沖突需求。

2、在標準操作條件下，凹槽電極的性能比最先進的傳統電極高出50%。燃料電池性能與多物理場建模相結合表明，盡管凹槽電極的離聚體含量很高，但它們仍能促進O₂的傳輸，從而提高反應速率的均勻性。與基線電極相比，凹槽電極還提高了更好的耐用性，碳腐蝕后的性能損失更小。

四、【數據概覽】

圖1溝槽電極概念。?2023 Springer Nature

圖2 具有平面和凹槽電極的燃料電池的性能。?2023 Springer Nature

圖3平面和凹槽 (1 μm/3 μm) 電極中的傳輸阻力。?2023 Springer Nature

圖4 平面和凹槽電極中的局部反應速率和O₂濃度。?2023 Springer Nature

圖5平面和凹槽 (1 μm/3 μm) 電極的耐用性。?2023 Springer Nature

圖6溝槽電極的未來發展方向。?2023 Springer Nature

五、【成果啟示】

? ?綜上所述，作者報道了另一種PEMFC電極結構，即凹槽電極，它提供了顯著的性能和耐用性優勢。凹槽電極由空槽隔開的高離聚物含量的催化劑脊組成，分別為H⁺和O₂的運輸提供了有效的途徑。與優化后的平坦基線電極相比，凹槽電極在100% RH下的H⁺傳輸電阻降低了60%，而O₂傳輸電阻沒有明顯變化。另外，機器學習分析展示了進一步優化具有更高性能和耐用性的下一代PEMFC的凹槽結構的潛力。因此，這項研究的出現將有望盡早實現更小、更便宜以及更高效率的燃料電池堆，并為盡早促進工業化PEMFC的發展做出巨大貢獻。

原文詳情：https://doi.org/10.1038/s41560-023-01263-2

本文由K . L撰稿。