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美國(guó)洛斯阿拉莫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室Jacob S. Spendelow課題組--新型凹槽電極實(shí)現(xiàn)更高功率密度的燃料電池
     質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)能夠在零碳排放量的情況下按需發(fā)電,因此成為交通應(yīng)用中內(nèi)燃機(jī)極具吸引力的替代技術(shù)。然而,PEMFC需要提高耐用性和效率(燃油經(jīng)濟(jì)性)以及降低催化劑成本實(shí)現(xiàn)商業(yè)化發(fā)展。在這。研究人員開發(fā)了一種新型的凹槽電極,該電極的結(jié)構(gòu)具有兩個(gè)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(jìn)O2擴(kuò)散,以便及時(shí)的將氧還原反應(yīng)(ORR)反應(yīng)物快速輸送到反應(yīng)位點(diǎn)。充分的解決了傳統(tǒng)電極在O2和H+傳輸?shù)臎_突需求。在標(biāo)準(zhǔn)操作條件下,凹槽電極的性能比最先進(jìn)的傳統(tǒng)電極高出50%。燃料電池性能與多物理場(chǎng)建模相結(jié)合表明,盡管凹槽電極的離聚體含量很高,但它們?nèi)阅艽龠M(jìn)O2的傳輸,從而提高反應(yīng)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。機(jī)器學(xué)習(xí)分析展示了進(jìn)一步優(yōu)化具有更高性能和耐用性的下一代 PEMFC 的溝槽結(jié)構(gòu)的潛力,從而實(shí)現(xiàn)更小、更便宜的燃料電池堆,同時(shí)具有更高的燃料效率。

 
Fig 1. a,凹槽電極的工作機(jī)制示意圖:高離聚物含量的脊有助于增強(qiáng)H+的傳輸(橙色),而凹槽提供有效的O2傳輸(綠色),從而提高燃料電池性能。b,顯示 O2通過平面(頂部)和凹槽(底部)電極傳輸?shù)氖疽鈭D,突出了凹槽電極中O2傳輸阻力降低的來源。c ,電極內(nèi)部到表面的歐氏距離。平面電極和凹槽間距為 12 µm 和 3 µm 的凹槽電極與表面的平均距離分別為 6.0 µm、2.5 µm 和 0.73 µm。d, 重建的凹槽電極的納米級(jí)計(jì)算 X 射線斷層掃描圖。e,1 µm/3 µm (I/C = 1.2) 電極的 HAADF-STEM 圖像(頂部)和 STEM-EDS 元素圖(底部)。紅色,鉑;綠色,F(xiàn). 比例尺,5 µm。

 
Fig 2. a – c ,極化曲線表明 I/C 比對(duì)平面和凹槽電極 (1 µm/3 µm) 在 150 kPaabs、80 °C、H2 /空氣和 100% RH ( a ) 下的i的影響(a ), 75 % RH ( b ) 和 40% RH ( c ) E ,應(yīng)用潛力。d,在不同電壓下,凹槽電極相對(duì)于平面電極在其最佳 I/C 值(分別為 1.2 和 0.9)下提供的性能增強(qiáng)。陰極負(fù)載量為 0.3 mg Pt  cm-2, 變化小于 5%。通過將測(cè)量的電流除以5 cm2的幾何有效面積來計(jì)算電流密度。

 
Fig 3. a–c,薄層電阻 ( a ),在 60% RH 下測(cè)量的O2傳輸阻力( RO2總計(jì),壓力相關(guān)和壓力無關(guān)的組合傳輸阻力;Pout,以 kPaabs為單位的出口壓力)( b ) 和RMT在 100% RH ( c ) 下測(cè)得。a和c中的多個(gè)標(biāo)記表示來自重復(fù)測(cè)量的數(shù)據(jù)。等效電路模型顯示在補(bǔ)充圖中。

 
Fig 4. a , b ,平面和凹槽電極 (1 µm/3 µm) 的多物理場(chǎng)建模。

 
Fig 5. a–d ,500 次催化劑支撐 AST 循環(huán)后平面電極和凹槽電極的性能比較: 100% RH、150 kPaabs和 80℃ ( a ) 下 H2 /空氣中的極化曲線 ( a ),AST 期間的碳損失 ( C ),使用非色散紅外傳感器測(cè)量 ( b ),在 60% RH 下測(cè)量O2傳輸電阻 ( c ) 和薄層電阻測(cè)量 ( d )。

 
Fig 6. 對(duì)于 I/C = 1.2、凹槽周期為 3 µm 和 0.3 mg Pt  cm-2陰極負(fù)載的凹槽電極,i在 0.7 V 和 75% RH 下的自適應(yīng) ML 預(yù)測(cè)。黑色和紅色圓圈分別代表平面和凹槽電極的實(shí)驗(yàn)測(cè)量性能。凹槽電極的參數(shù)h和d1在圖的頂部示意性地定義。
 
       相關(guān)研究工作由美國(guó)洛斯阿拉莫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室Jacob S. Spendelow課題組于2023年在線發(fā)表在《Nature Energy》期刊上,原文:Grooved electrodes for high-power-density fuel cells。

轉(zhuǎn)自《石墨烯研究》公眾號(hào)
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