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。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。在這。研究人員開發了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O
2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O
2和H
+傳輸的沖突需求。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O
2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。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 的溝槽結構的潛力，從而實現更小、更便宜的燃料電池堆，同時具有更高的燃料效率。
Fig 1. a，凹槽電極的工作機制示意圖：高離聚物含量的脊有助于增強H
+的傳輸（橙色），而凹槽提供有效的O
2傳輸（綠色），從而提高燃料電池性能。b，顯示 O
2通過平面（頂部）和凹槽（底部）電極傳輸的示意圖，突出了凹槽電極中O
2傳輸阻力降低的來源。c ,電極內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計算 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. 比例尺，5 µm。
Fig 2. a – c ，極化曲線表明 I/C 比對平面和凹槽電極 (1 µm/3 µm) 在 150 kPa
abs、80 °C、H
2 /空氣和 100% RH ( a ) 下的i的影響(a ), 75 % RH ( b ) 和 40% RH ( c )
E ,應用潛力。d，在不同電壓下，凹槽電極相對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。陰極負載量為 0.3 mg Pt cm
-2, 變化小于 5%。通過將測量的電流除以5 cm
2的幾何有效面積來計算電流密度。
Fig 3. a–c，薄層電阻 ( a )，在 60% RH 下測量的O
2傳輸阻力（
RO2總計，壓力相關和壓力無關的組合傳輸阻力；
Pout，以 kPa
abs為單位的出口壓力）( b ) 和
RMT在 100% RH ( c ) 下測得。a和c中的多個標記表示來自重復測量的數據。等效電路模型顯示在補充圖中。
Fig 4. a , b ,平面和凹槽電極 (1 µm/3 µm) 的多物理場建模。
Fig 5. a–d ，500 次催化劑支撐 AST 循環后平面電極和凹槽電極的性能比較： 100% RH、150 kPa
abs和 80℃ ( a ) 下 H
2 /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量 ( b )，在 60% RH 下測量O
2傳輸電阻 ( c ) 和薄層電阻測量 ( d )。
Fig 6. 對于 I/C = 1.2、凹槽周期為 3 µm 和 0.3 mg Pt cm
-2陰極負載的凹槽電極，i在 0.7 V 和 75% RH 下的自適應 ML 預測。黑色和紅色圓圈分別代表平面和凹槽電極的實驗測量性能。凹槽電極的參數h和
d1在圖的頂部示意性地定義。
相關研究工作由美國洛斯阿拉莫斯國家實驗室Jacob S. Spendelow課題組于2023年在線發表在《Nature Energy》期刊上，原文：Grooved electrodes for high-power-density fuel cells。
轉自《石墨烯研究》公眾號
