該原型燃料電池中的創(chuàng)新脊有助于增強氫離子[橙色]的傳輸，而凹槽提供有效的氧氣傳輸[綠色]，這兩者都提高了系統(tǒng)的性能
一項新的研究發(fā)現(xiàn)，最有可能為車輛提供動力的氫燃料電池中的凹槽可能會將設(shè)備的性能提高多達50%。
燃料電池將儲存在氫氣等燃料中的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能。它的工作原理是將燃料與氧氣或其他可以從燃料中剝離電子的氧化劑反應(yīng)。燃料電池有兩個電極 - 陽極，燃料被氧化或失去電子，陰極，氧化劑被還原或獲得電子。
【資料圖】
使用氫（宇宙中最常見的元素）運行的燃料電池作為清潔，高效的能源具有很大的前景。當氫氣與燃料電池中的氧氣反應(yīng)發(fā)電時，結(jié)果不是像化石燃料那樣產(chǎn)生污染物，結(jié)果只是水。
“重要的不僅僅是你放入電極中的材料 - 還有你在微觀尺度上如何構(gòu)建材料。 ——雅各布·斯潘德洛，洛斯阿拉莫斯國家實驗室
根據(jù)美國能源部的說法，為汽車提供動力的最佳候選燃料電池是聚合物電解質(zhì)膜（PEM）燃料電池，也稱為質(zhì)子交換膜燃料電池。它們使用質(zhì)子導(dǎo)電聚合物膜作為燃料和氧化劑之間的電解質(zhì)，以幫助在燃料電池內(nèi)穿梭電荷。
研究人員在這項新研究中說，重型卡車運輸為PEM燃料電池提供了特別有希望的機會。使用電池為這些車輛供電相對困難，因為它們需要長距離、快速加油、重量輕和體積小。
現(xiàn)在，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，在標準操作條件下，與最先進的傳統(tǒng)電極相比，在PEM燃料電池上增加凹槽可以將這些設(shè)備的性能提高多達50%。
“我發(fā)現(xiàn)令人驚訝的是，電極的結(jié)構(gòu)和排列可以產(chǎn)生如此強烈的效果，使用傳統(tǒng)的市售催化劑實現(xiàn)高性能和耐用性，”研究資深作者，新墨西哥州洛斯阿拉莫斯國家實驗室的化學(xué)工程師Jacob Spendelow說?！斑@表明，重要的不僅僅是你放入電極中的材料 - 還有你在微觀尺度上如何構(gòu)建材料。
傳統(tǒng)的PEM燃料電池電極由碳負載鉑催化劑和稱為離聚物的離子導(dǎo)電聚合物組成，它們混合在油墨漿料中并作為多孔電極沉積在膜或其他結(jié)構(gòu)上。這創(chuàng)造了一個隨機電極結(jié)構(gòu)，具有復(fù)雜的、迷宮般的狹窄孔隙網(wǎng)絡(luò)，限制了燃料電池內(nèi)的流動。研究人員指出，這種結(jié)構(gòu)在30多年來基本保持不變。
通過分離沿凹槽和脊的質(zhì)子和氧氣流，新電極有助于改善兩者的傳輸。
相比之下，新電極具有催化劑脊，其中裝有由空槽隔開的離聚物。脊改善質(zhì)子運輸，而凹槽同時幫助氧氣流動。
在傳統(tǒng)的PEM燃料電池電極中，高離聚物含量可能會增強質(zhì)子傳輸，但通常也會限制氧氣流動。通過分離沿凹槽和脊的質(zhì)子和氧氣流，新電極有助于改善兩者的傳輸。這也有助于保持燃料電池中的反應(yīng)速率均勻，從而提高催化劑的性能。
科學(xué)家們通過在圖案化的硅模板中沉積碳負載鉑催化劑和離聚物的混合物來制造新電極，然后轉(zhuǎn)移到由稱為Nafion的常見聚合物電解質(zhì)制成的膜上。他們嘗試了具有1至2微米寬的凹槽的電極，并且每3至6μm在電極上重復(fù)凹槽。凹槽越窄，它們之間的距離越短，性能越好。
“大約四年前，我們提出了溝槽電極設(shè)計的基本概念，但弄清楚如何制造電極并使其工作需要付出很多努力，”Spendelow說。他指出，加拿大多倫多城市大學(xué)研究的主要作者ChungHyuk Lee的微細加工技能“是使我們能夠?qū)⑾敕ㄗ優(yōu)楝F(xiàn)實的關(guān)鍵因素。
性能最佳的溝槽電極也比普通電極更耐用，在500個活動周期后顯示出170%的電流密度。研究人員指出，傳統(tǒng)電極中的孔會因腐蝕而隨著時間的推移而塌陷，從而阻礙其性能。相比之下，溝槽電極結(jié)構(gòu)保持相對完整。
此外，機器學(xué)習(xí)分析表明，進一步優(yōu)化溝槽電極的潛力很大。例如，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，與他們測試的最佳溝槽電極相比，使凹槽更寬更深可以進一步提高36%的性能，盡管需要更好的制造方法來證實這些發(fā)現(xiàn)。
“關(guān)鍵的下一步是進行制造研發(fā)，以開發(fā)溝槽電極的可擴展生產(chǎn)，”Spendelow說?！皬膶W(xué)術(shù)角度來看，我們希望繼續(xù)探索溝槽電極設(shè)計的許多方面，但從實踐的角度來看，證明可制造性是關(guān)鍵。
科學(xué)家們于5月25日在《自然能源》雜志上詳細介紹了他們的發(fā)現(xiàn)。
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