质子交换膜燃料电池（PEMFC）能够在零碳排放量的情况下按需发电，因此成为交通应用中内燃机极具吸引力的替代技术。然而，PEMFC需要提高耐用性和效率（燃油经济性）以及降低催化剂成本实现商业化发展。在这。研究人员开发了一种新型的凹槽电极，该电极的结构具有两个主要特征：高离子含量的电极脊，通过凹槽（空隙通道）分隔，提供快速的H⁺传输，并促进O₂扩散，以便及时的将氧还原反应（ORR）反应物快速输送到反应位点。充分的解决了传统电极在O₂和H⁺传输的冲突需求。在标准操作条件下，凹槽电极的性能比最先进的传统电极高出50%。燃料电池性能与多物理场建模相结合表明，尽管凹槽电极的离聚体含量很高，但它们仍能促进O₂的传输，从而提高反应速率的均匀性。与基线电极相比，凹槽电极还提高了更好的耐用性，碳腐蚀后的性能损失更小。机器学习分析展示了进一步优化具有更高性能和耐用性的下一代 PEMFC 的沟槽结构的潜力，从而实现更小、更便宜的燃料电池堆，同时具有更高的燃料效率。

 
Fig 1. a，凹槽电极的工作机制示意图：高离聚物含量的脊有助于增强H⁺的传输（橙色），而凹槽提供有效的O₂传输（绿色），从而提高燃料电池性能。b，显示 O₂通过平面（顶部）和凹槽（底部）电极传输的示意图，突出了凹槽电极中O₂传输阻力降低的来源。c ,电极内部到表面的欧氏距离。平面电极和凹槽间距为 12 µm 和 3 µm 的凹槽电极与表面的平均距离分别为 6.0 µm、2.5 µm 和 0.73 µm。d, 重建的凹槽电极的纳米级计算 X 射线断层扫描图。e，1 µm/3 µm (I/C = 1.2) 电极的 HAADF-STEM 图像（顶部）和 STEM-EDS 元素图（底部）。红色，铂；绿色，F. 比例尺，5 µm。

 
Fig 2. a – c ，极化曲线表明 I/C 比对平面和凹槽电极 (1 µm/3 µm) 在 150 kPa_abs、80 °C、H₂ /空气和 100% RH ( a ) 下的i的影响(a ), 75 % RH ( b ) 和 40% RH ( c ) E ,应用潜力。d，在不同电压下，凹槽电极相对于平面电极在其最佳 I/C 值（分别为 1.2 和 0.9）下提供的性能增强。阴极负载量为 0.3 mg Pt  cm^-2, 变化小于 5%。通过将测量的电流除以5 cm²的几何有效面积来计算电流密度。

 
Fig 3. a–c，薄层电阻 ( a )，在 60% RH 下测量的O₂传输阻力（ R_O2总计，压力相关和压力无关的组合传输阻力；P_out，以 kPa_abs为单位的出口压力）( b ) 和R_MT在 100% RH ( c ) 下测得。a和c中的多个标记表示来自重复测量的数据。等效电路模型显示在补充图中。

 
Fig 4. a , b ,平面和凹槽电极 (1 µm/3 µm) 的多物理场建模。

 
Fig 5. a–d ，500 次催化剂支撑 AST 循环后平面电极和凹槽电极的性能比较： 100% RH、150 kPa_abs和 80℃ ( a ) 下 H₂ /空气中的极化曲线 ( a )，AST 期间的碳损失 ( C )，使用非色散红外传感器测量 ( b )，在 60% RH 下测量O₂传输电阻 ( c ) 和薄层电阻测量 ( d )。

 
Fig 6. 对于 I/C = 1.2、凹槽周期为 3 µm 和 0.3 mg Pt  cm^-2阴极负载的凹槽电极，i在 0.7 V 和 75% RH 下的自适应 ML 预测。黑色和红色圆圈分别代表平面和凹槽电极的实验测量性能。凹槽电极的参数h和d₁在图的顶部示意性地定义。
 
       相关研究工作由美国洛斯阿拉莫斯国家实验室Jacob S. Spendelow课题组于2023年在线发表在《Nature Energy》期刊上，原文：Grooved electrodes for high-power-density fuel cells。

转自《石墨烯研究》公众号