凹槽电极可以提高质子交换膜燃料电池的性能

质子交换膜燃料电池(PEMFC)是一种很有前景的能源解决方案，可减少交通运输领域的碳排放。正如其名称所示，这些电池包含基于聚合物材料的质子传导膜，用作电解质。虽然质子交换膜燃料电池可能具有显着的优势，但其成本、耐用性和运行所需燃料的可用性需要改进，然后才能大规模实施。

洛斯阿拉莫斯国家实验室的研究人员最近开发出新型电极，可以显着提高质子交换膜燃料电池的性能和耐用性。Nature Energy中引入的这些电极具有特有的凹槽构造，可以促进燃料电池中 氧气和质子的传输。

“我们知道传统电极的性能受到氧和质子等物质传输的限制，我们受到 LANL 同事在 20 世纪 90 年代的历史性工作的启发，他们发现了如何将碳支撑的铂催化剂与进行这项研究的研究人员之一 Jacob Spendelow 告诉 Tech Xplore。

“令人有点惊讶的是，30 年后，最先进的电极仍然使用基本相同的结构。因此，我们开始通过使用合理的设计方法来重新设计结构，以加快氧气和质子的传输。”

Spendelow 和他的同事设计的凹槽电极具有许多微型脊，这些脊本质上由碳支撑的铂催化剂组成，中间被空的凹痕隔开。由于其独特的构造，它们可以将氧和质子的传输划分到其结构的不同部分。

Spendelow 解释说：“传统电极需要通过电极的所有部分混合传输氧气和质子，这需要一些设计妥协，因为质子传导离聚物会阻碍氧气的传输。” “相比之下，通过分离氧气和质子传输，凹槽电极设计允许电极的一部分(凹槽)针对氧气传输进行优化，而其他部分(脊)针对质子传输进行优化。这种‘分而治之’ ’方法可以实现更快的传输和更高的性能。”

研究人员在燃料电池标准操作条件下进行的一系列测试中评估了他们的凹槽电极。他们发现它们的性能比传统电极提高了 50%，并且可以促进氧气的传输并提高化学反应的均匀性。此外，凹槽电极似乎比传统电极更耐用，因为在碳腐蚀测试后其性能没有下降那么多。

“大多数关于提高燃料电池性能和耐用性的研究都集中在新材料的开发上，”斯彭德罗说。“新材料当然有帮助，但我们的工作表明电极结构同样重要。我们希望其他研究人员能够受到这些结果的启发，通过开发改进的电极设计来追求燃料电池和相关设备的进一步进步。”

该研究小组收集的初步结果非常有前景，表明凹槽电极可以帮助显着提高质子交换膜燃料电池的性能和耐用性，同时还可能降低其尺寸和制造成本。然而，他们最近的工作只是概念证明，因为用于创建原型的微加工很难大规模应用。

Spendelow 补充道：“需要对凹槽电极结构的卷对卷生产进行进一步的研究，以将这一概念从实验室转移到生产线。” “同时，我们也在寻求一些关于合理电极设计的其他想法，试图开发出性能和耐用性甚至高于沟槽电极的新电极架构。”