北(bei)理工(gong)團(tuan)隊在質子(zi)交(jiao)換膜(mo)燃(ran)料電(dian)池的超(chao)低(di)鉑載(zai)量(liang)半(ban)有(you)序催化劑(ji)層研(yan)究(jiu)取(qu)得進(jin)展(zhan)

北(bei)京(jing)理(li)工(gong)大(da)學李(li)煜(yu)景(jing)研究(jiu)員課題組在用於質子(zi)交(jiao)換膜(mo)燃(ran)料電(dian)池的超(chao)低(di)鉑載(zai)量(liang)半(ban)有(you)序催化劑(ji)層研(yan)究(jiu)中(zhong)取得進(jin)展(zhan)。相關(guan)成(cheng)果(guo)以“Semi-ordered catalyst layer with ultra-low Pt loading for proton exchange membrane fuel cells"為(wei)題，在國際期(qi)刊《JOURNAL OF POWER SOURCES》IF=8.1上發(fa)表(biao)，提出(chu)了壹(yi)種半(ban)有(you)序催化劑(ji)層結構(gou)設計(ji)，該(gai)設計(ji)顯(xian)著降(jiang)低(di)了質(zhi)量(liang)傳(chuan)遞(di)阻(zu)力(li)，同時增(zeng)強了(le)H+傳(chuan)遞(di)。具(ju)有(you)固(gu)有內(nei)部(bu)空隙(xi)的有序微陣列（OMA）在催化劑(ji)層內(nei)建(jian)立了(le)垂直(zhi)通道(dao)，並優化了質(zhi)子(zi)和氧的傳輸(shu)路(lu)徑(jing)。

質子(zi)交(jiao)換膜(mo)燃(ran)料電(dian)池（PEMFC）鉑族(zu)金屬（PGM）負載的減(jian)少，對(dui)氫能大(da)規模(mo)商(shang)業(ye)應(ying)用至關重(zhong)要。催化劑(ji)層的(de)結構(gou)排(pai)序被認(ren)為是(shi)提(ti)高(gao)發電(dian)性能並因此(ci)降(jiang)低(di)PGM負載(zai)的重(zhong)要手(shou)段(duan)。考慮(lv)到鉑金(jin)昂貴和稀(xi)有，降(jiang)低(di) Pt 用量(liang)壹(yi)直是(shi)催化劑(ji)研究(jiu)主要方向。

為(wei)了探索(suo)解決這個問(wen)題，李煜(yu)景(jing)研究(jiu)員課題組應(ying)用武漢電(dian)弛新能(neng)源(yuan)有(you)限公(gong)司(si)研制(zhi)的(de)DC980桌面式燃(ran)料電(dian)池測試(shi)系(xi)統(tong)進(jin)行(xing)實(shi)驗研(yan)究(jiu)。實(shi)驗結果(guo)表(biao)明(ming)，在低(di)負載(zai)（0.05-0.1 mgPt cm-2）下表(biao)現出24%的MEA性能顯(xian)著提(ti)高(gao)，並具(ju)有(you)更低(di)的氧(yang)傳輸(shu)阻(zu)力(li)。多物理(li)場建(jian)模(mo)證明(ming)了半(ban)有序催化劑(ji)層中(zhong)的垂直孔(kong)道(dao)在催化劑(ji)層中(zhong)的質量(liang)傳(chuan)遞(di)中的作用，同時進(jin)壹(yi)步降(jiang)低(di)Pt負載(zai)，同時保(bao)持燃(ran)料電(dian)池的高(gao)性能。

在實(shi)驗中(zhong)，首(shou)先(xian)采(cai)用氧化鋁模(mo)板(ban)制(zhi)備(bei)了壹(yi)側(ce)具(ju)有(you)OMA表(biao)面的Nafion膜(mo)，表面有著(zhe)簇狀陣(zhen)列，結構(gou)有(you)著較(jiao)好的(de)穩(wen)定(ding)性。

隨後采用催化劑(ji)塗層膜(mo)工(gong)藝(yi)（CCM）制(zhi)成(cheng)膜(mo)電(dian)極(ji)，其(qi)中(zhong)OMA側(ce)用作陰極(ji)，形成(cheng)了(le)半有(you)序催化層。為(wei)防(fang)止(zhi)噴(pen)塗過(guo)程(cheng)中(zhong)對(dui)陣列(lie)的破(po)壞(huai)，催化劑(ji)墨(mo)水(shui)采用高(gao)固體(ti)含量(liang)比(bi)。

為(wei)驗證OMA的效果(guo)，與(yu)標(biao)準(zhun)商(shang)用XL膜進(jin)行(xing)了對(dui)比(bi)，發(fa)現在不同濕度下(xia)，XL-OMA表現出了更高(gao)的電(dian)化學比(bi)表(biao)面積（ECSA）。同時在較(jiao)低(di)的Pt負(fu)載量(liang)下(xia)，XL-OMA表(biao)現出了更低(di)的與(yu)壓力(li)無關(guan)的(de)02輸運阻(zu)力(li)，對(dui)OMA的氧(yang)氣運(yun)輸表現出了積極(ji)影(ying)響(xiang)，並且超(chao)低(di)Pt負載(zai)，對(dui)質量(liang)傳(chuan)遞(di)也起到了(le)積極(ji)作(zuo)用。

隨後，通過電(dian)化學測(ce)試(shi)，評估(gu)了不(bu)同Pt載量(liang)下(xia)半(ban)有(you)序催化劑(ji)層和傳統平面催化劑(ji)層的(de)PEMFC性能。實(shi)驗結果(guo)顯(xian)示，與傳統(tong)平面催化劑(ji)層相比(bi)，半(ban)有(you)序催化劑(ji)層在超(chao)低(di)Pt載量(liang)（0.05–0.1 mg Pt cm^-2）下(xia)表(biao)現出顯(xian)著降(jiang)低(di)的氧(yang)氣傳(chuan)輸(shu)阻(zu)力(li)和顯(xian)著提高(gao)的MEA性能（提升24%）。

為了(le)更深入地(di)理(li)解半(ban)有序催化劑(ji)層中(zhong)垂直通道(dao)對(dui)燃(ran)料電(dian)池性能(neng)的影響(xiang)，實(shi)驗還采(cai)用了多物理(li)場建(jian)模(mo)方法(fa)。通過COMSOL Multiphysics平臺(tai)模擬(ni)了(le)不同催化劑(ji)層結構(gou)下(xia)的燃(ran)料電(dian)池性能(neng)，並比(bi)較(jiao)了傳統結構(gou)和半有序結構(gou)之間的差(cha)異。模擬結果(guo)進(jin)壹(yi)步證(zheng)實(shi)了半(ban)有(you)序催化劑(ji)層在降(jiang)低(di)質量(liang)傳(chuan)輸(shu)阻(zu)力(li)和提高(gao)質子(zi)傳導(dao)效(xiao)率方面的優勢。

本(ben)研究(jiu)通過實(shi)驗和數(shu)值(zhi)模(mo)擬驗證了半(ban)有序催化劑(ji)層在PEMFC中的性(xing)能。該(gai)設計(ji)不僅(jin)顯(xian)著降(jiang)低(di)了Pt載(zai)量(liang)，還提(ti)高(gao)了燃(ran)料電(dian)池的效(xiao)率和耐(nai)久性。未來(lai)，隨著材料科學和納米技(ji)術(shu)的不(bu)斷(duan)進(jin)步(bu)，有望進(jin)壹(yi)步優化半有(you)序催化劑(ji)層的(de)結構(gou)，進(jin)壹(yi)步提(ti)升PEMFC的性(xing)能和降(jiang)低(di)成(cheng)本(ben)，推動(dong)其在清潔能源(yuan)領(ling)域(yu)的廣(guang)泛應(ying)用。