北理工团队在用于质子交换膜燃料电池的超低铂载量半有序催化剂层研究中取得进展
北京理工大学李煜景研究员课题组在用于质子交换膜燃料电池的超低铂载量半有序催化剂层研究中取得进展。相关成果以“Semi-ordered catalyst layer with ultra-low Pt loading for proton exchange membrane fuel cells”为题，在国际期刊《JOURNAL OF POWER SOURCES》IF=8.1上发表，提出了一种半有序催化剂层结构设计，该设计显着降低了质量传递阻力，同时增强了H+传递。具有固有内部空隙的有序微阵列（OMA）在催化剂层内建立了垂直通道，并优化了质子和氧的传输路径。
质子交换膜燃料电池（PEMFC）铂族金属（PGM）负载的减少，对氢能大规模商业应用至关重要。催化剂层的结构排序被认为是提高发电性能并因此降低PGM负载的重要手段。考虑到铂金昂贵和稀有，降低 Pt 用量一直是催化剂研究主要方向。
为了探索解决这个问题，李煜景研究员课题组应用武汉电弛新能源有限公司研制的DC980桌面式燃料电池测试系统进行实验研究。实验结果表明，在低负载（0.05-0.1 mgPt cm-2）下表现出24%的MEA性能显着提高，并具有更低的氧传输阻力。多物理场建模证明了半有序催化剂层中的垂直孔道在催化剂层中的质量传递中的作用，同时进一步降低Pt负载，同时保持燃料电池的高性能。
在实验中，首先采用氧化铝模板制备了一侧具有OMA表面的Nafion膜，表面有着簇状阵列，结构有着较好的稳定性。
随后采用催化剂涂层膜工艺（CCM）制成膜电极，其中OMA侧用作阴极，形成了半有序催化层。为防止喷涂过程中对阵列的破坏，催化剂墨水采用高固体含量比。
为验证OMA的效果，与标准商用XL膜进行了对比，发现在不同湿度下，XL-OMA表现出了更高的电化学比表面积（ECSA）。同时在较低的Pt负载量下，XL-OMA表现出了更低的与压力无关的02输运阻力，对OMA的氧气运输表现出了积极影响，并且超低Pt负载，对质量传递也起到了积极作用。
随后，通过电化学测试，评估了不同Pt载量下半有序催化剂层和传统平面催化剂层的PEMFC性能。实验结果显示，与传统平面催化剂层相比，半有序催化剂层在超低Pt载量（0.05–0.1 mg Pt cm^-2）下表现出显著降低的氧气传输阻力和显著提高的MEA性能（提升24%）。
为了更深入地理解半有序催化剂层中垂直通道对燃料电池性能的影响，实验还采用了多物理场建模方法。通过COMSOL Multiphysics平台模拟了不同催化剂层结构下的燃料电池性能，并比较了传统结构和半有序结构之间的差异。模拟结果进一步证实了半有序催化剂层在降低质量传输阻力和提高质子传导效率方面的优势。
本研究通过实验和数值模拟验证了半有序催化剂层在PEMFC中的优越性能。该设计不仅显著降低了Pt载量，还提高了燃料电池的效率和耐久性。未来，随着材料科学和纳米技术的不断进步，有望进一步优化半有序催化剂层的结构，进一步提升PEMFC的性能和降低成本，推动其在清洁能源领域的广泛应用。
文献DIO：https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2024.234516