随着化石能源的枯竭和气候变化的加剧,全球对可再生能源技术的需求日益迫切。质子交换膜燃料电池(PEMFCs)因其高效、零排放的特性,被视为交通和固定电源领域的革命性技术。然而,PEMFCs的商业化进程仍面临高成本、性能衰减和耐久性等挑战,其中“催化剂层(CL)”的设计尤为关键,直接影响电池的效率和稳定性。

本研究创新性地提出了一种复合阴极催化剂层(CCL)设计,通过梯度化碳载体与离聚物分布,实现了以下突破:

1.分层结构优化:靠近质子交换膜(PEM)侧:采用Pt/Vulcan(I/C=0.6),减少离聚物含量以提升氧气传输效率。靠近气体扩散层(GDL)侧:采用Pt/Ketjenblack(I/C=0.9),利用多孔结构屏蔽Pt毒化,增强低湿度下的质子传导。

2.协同效应:高Pt利用率:复合结构在干燥条件下(25% RH)的Pt利用率显著高于单一Pt/KB(30%)。低传输阻力:氧气传输阻力与Pt/Vulcan相当,同时质子传导阻力降低50%。

3.性能提升:在100% RH条件下,峰值功率密度达1.03 W/cm2,优于传统设计(Pt/KB: 0.78 W/cm2;Pt/V: 0.89 W/cm2)。在低湿度(25% RH)下,电流密度1.5 A/cm2时功率密度提升至0.46 W/cm2,较Pt/KB(0.23 W/cm2)翻倍。

该成果以“Synergistic Carbon Support Engineering in Composite Catalyst Layer for High-Performance PEM Fuel Cells”为题发表在Carbon Energy 期刊上。

本研究通过碳载体杂交与离聚物梯度工程,为低Pt载量催化剂层设计提供了新范式。揭示了碳载体结构与离聚物分布对质子/氧气传输的协同调控机制;同时,可扩展的复合阴极CL制备方法,适用于实际PEMFC应用。