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重大突破！最新Nature Energy：槽型电极设计，创造PEMFCs新纪录！

邃瞳科学云

2023-05-26

导读：本文设计出一种沟槽型电极结构，通过将用于提高H+传输的高离聚物(离子导体粘结剂)含量与快速O2传输的沟槽相结合，成功提高了PEMFC性能与耐久性。

第一作者：ChungHyuk Lee

通讯作者：Jacob S. Spendelow

通讯单位：洛斯阿拉莫斯国家实验室

DOI: 10.1038/s41560-023-01263-2

全文速览

质子交换膜燃料电池(PEMFCs)是交通运输行业实现脱碳目标的主要候选者，但其广泛部署仍需要进一步提高运行寿命和燃料经济性，并降低成本。在本文中，作者设计出一种沟槽型电极结构，通过将用于提高H⁺传输的高离聚物(离子导体粘结剂)含量与快速O₂传输的沟槽相结合，成功提高了PEMFC性能与耐久性。在标准运行条件下，沟槽型电极比其它传统电极的性能高50%。燃料电池测试结合多物理建模表明，尽管沟槽型电极具有更高的离聚物含量，但其可以提供更高效的O₂传输性能，从而提升反应速率均匀性。此外，沟槽型电极还表现出显著改善的耐久性，经碳腐蚀后的性能损失较小。机器学习分析表明，进一步优化沟槽结构以用于下一代PEMFCs有着巨大前景，从而实现更小、更便宜、更高效率的燃料电池电堆。

背景介绍

随着全球地表温度的持续上升，利用清洁能源替代传统化石燃料受到越来越多的关注。其中，质子交换膜燃料电池(PEMFCs)在交通运输应用中成为传统内燃机的一种极具前景的替代品，其能够以零碳排放的方式按需发电。通过采用水电解技术生成的可再生H₂，PEMFCs可以消除对化石燃料的依赖。重型运输卡车对于PEMFCs而言是一个机遇，因其需要相对较少的加氢站，且重型车辆(HDVs)的投资成本要求也不如轻型车辆严格。此外，由于需要远程、快速补充燃料、低重量和小尺寸，采用电池实现HDVs的电气化非常困难，这使得PEMFCs成为零排放HDVs的有力候选者。然而，PEMFCs的商业化仍需进一步提高耐久性和效率(燃油经济性)，同时降低投资成本。鉴于此，开发具有高性能的电极材料至关重要。同时，这些材料在电极内的排列方式与界面形式，对于实现高功率密度、耐久性和高效率目标也起着关键作用。增加功率密度并减小电堆尺寸是降低投资成本的一种高效途径，因为降低材料成本往往伴随着更低的体积与重量。改善电极设计可以促进更快的反应物传输与更高的材料利用效率，从而提供更高的功率密度、耐久性和效率，以及更低的投资成本。

传统的PEMFC电极由碳负载的铂催化剂(Pt/C)和离聚物组成，将其混合为料浆并沉积于质子交换膜或气体扩散层(GDL)上作为多孔电极。这种自上而下的过程会产生具有曲折离聚物与孔网络的随机化电极结构，从而限制着传质速率，并导致低催化剂利用率。值得注意的是，与30年前Wilson和Gottesfeld等设计的传统电极结构相比，当前商业化PEMFCs中的电极结构并没有发生太大变化。为克服传统电极结构的局限性，科研人员开发出一些策略以实现替代型结构设计，包括微纳米制造技术、喷墨打印、模板图案化设计以及薄膜沉积技术等。尽管这些替代型电极结构具有提高的质量活性、传输和/或耐久性，但这些优势往往在受限的运行条件下才能表现出来，并且尚未在交通运输应用条件下得到证明。具体地，在≥0.7 V相关电压和较低相对湿度下的性能增强，对于HDV应用至关重要。

图文解析

图1. (a)沟槽型电极的工作机理示意图：高离聚物含量的脊可促进H⁺(橙色)的传输，沟槽可促进高效的O₂传输(绿色)，从而提升燃料电池性能。(b) O₂通过平面(顶部)和沟槽(底部)电极传输的示意图，显示出沟槽型电极中O₂传输阻力降低的根源。(c)从电极内部至表面的欧几里得距离。平面电极、沟槽间距12 µm的电极和沟槽间距3 µm电极至表面的平均距离分别为6.0 µm, 2.5 µm和0.73 µm。(d)沟槽电极的重构纳米级计算机X射线断层图像。(e) 1 µm/3 µm (I/C = 1.2)电极的HAADF-STEM图(顶部)和STEM-EDS分析(底部)。其中红色为Pt，绿色为F，比例尺为5 µm。

图2. 在150 kPa_abs, 80 °C和H₂/空气条件下，平面电极和沟槽电极(1 µm/3 µm)于(a) 100% RH, (b) 75% RH和(c) 40% RH条件下的极化曲线，表明I/C比率对i的影响。(d)在不同电压下，沟槽电极相对于平面电极于各自优化I/C值(分别为1.2和0.9)条件下的性能提升。阴极负载为0.3 mg_Pt cm⁻²。

图3. (a)片层阻抗，(b)在60% RH条件下测试的O₂传输阻抗，(c)在100% RH条件下的R_MT。

图4. (a-b)平面电极和沟槽电极(1 µm/3 µm)的多物理模拟：(a)在0.7 V电位下的i_ORR二维等高线图，(b)在1.0 A cm⁻²条件下的O₂浓度分布(C_O2/C_O2,max)。

图5. (a-d)平面电极和沟槽电极在500次催化剂负载AST循环后的性能对比：(a)在100% RH, 150 kPa_abs和80 °C条件下的H₂/空气燃料电池极化曲线，(b)采用非色散红外传感器测试出ASTs器件的碳损失(C)，(c)在60% RH条件下的O₂传输阻抗，(d)片层阻抗测试。

图6. 沟槽电极的未来研究方向：采用机器学习预测I/C = 1.2的沟槽电极在0.7 V和75% RH条件下的i值，沟槽间距为3 µm，阴极负载为0.3 mg_Pt cm⁻²。黑色圆圈和红色圆圈分别代表平面电极和沟槽电极的实验测试性能。

总结与展望

总的来说，本文成功开发出一种沟槽电极作为新型PEMFC电极结构，其可提高显著增强的性能与耐久性优势。该沟槽电极由具有高离聚物含量的催化剂脊组成，催化剂脊由空沟槽分隔，该沟槽可提供快速的H⁺和O₂传输性能。与传统平面电极相比，该沟槽电极在100% RH条件下的H⁺传输阻抗降低了60%，O₂传输阻抗没有明显变化。反应物与产物传输的多物理模拟以及ORR性能测试表明，沟槽电极在反应中表现出相对均匀的ORR速率，与平面电极相比可提高催化剂性能并减少传输损耗，上述沟槽结构的优势在具有塌陷孔结构的退化电极中更加明显，其中沟槽在促进O₂通过电极传输方面发挥着关键作用。尽管该研究已经证实采用沟槽电极在PEMFC性能方面的显著提升，但具有广泛设计空间的自适应机器学习分析揭示出进一步提高性能的巨大潜力。因此，仍然需要更多研究以推动优化沟槽电极结构，从而实现高功率密度PEMFCs的制造与应用。

文献来源

ChungHyuk Lee, Wilton J. M. Kort-Kamp, Haoran Yu, David A. Cullen, Brian M. Patterson, Tanvir Alam Arman, Siddharth Komini Babu, Rangachary Mukundan, Rod L. Borup, Jacob S. Spendelow. Grooved electrodes for high-power-density fuel cells. Nature Energy. 2023. DOI: 10.1038/s41560-023-01263-2.

文献链接：https://doi.org/10.1038/s41560-023-01263-2

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