设计师设计的扩散介质微结构提升了聚合物电解质燃料电池的性能

《Energy & Environmental Science》：Designer diffusion media microstructures enhance polymer electrolyte fuel cell performance

本研究提出一种基于非溶剂诱导相分离（NIPS）的可扩展制造方法，用于生产具有双模孔径结构的碳基气体扩散介质（GDM），显著提升质子交换膜燃料电池（PEMFC）的功率密度达16%。通过调节工艺参数，NIPS GDM实现了高比表面积和低电化学阻抗，同时 techno-economic 分析显示其生产成本比传统碳纤维基GDM低55%。该技术突破了传统GDM在三维微结构设计上的限制，为燃料电池轻量化与低成本化提供了新途径。

　　这项研究提出了一种创新的制造方法，用于生产具有可调微结构的碳基气体扩散介质（GDM），并将其应用于质子交换膜燃料电池（PEMFC）中。传统GDM通常由碳纤维基材和微孔层组成，虽然经过多步骤处理以提升性能，但其微结构调控能力有限，尤其在复杂的多孔结构设计上存在挑战。为了应对这一限制，研究人员引入了一种基于非溶剂诱导相分离（NIPS）的自下而上的可扩展制造工艺，能够生成具有精细微结构调控能力的GDM材料，从而改善反应物和产物的多相质量传输性能，同时保持机械强度和热电导率。这种新型GDM在性能上表现出显著提升，例如在特定电压下功率输出提高16%，这为降低系统成本和提升燃料电池效率提供了新的思路。

在燃料电池中，GDM是关键组件之一，它负责控制气体和液体的传输、热量和电子传导。随着对清洁、低排放能源系统的需求增加，尤其是重型运输领域，燃料电池的应用潜力日益凸显。然而，当前的燃料电池设计在成本和性能方面仍面临诸多挑战。GDM作为影响燃料电池性能的核心部件之一，其结构设计直接影响到水管理和气体传输效率。研究发现，GDM中的孔径分布对水的传输具有重要影响，较大的孔隙能够提供更有效的气液传输通道，而较小的孔隙则有助于维持气体传输的连续性。因此，开发具有优化孔隙结构的GDM材料成为提升燃料电池性能的重要方向。

NIPS方法通过调整聚合物溶液的配方、铸造厚度和引入蒸汽诱导相分离（VIPS）步骤，成功实现了对GDM微结构的调控。通过这种方法，研究人员制造了两种新型GDM材料：一种是具有宏观孔隙的GDM（宏观孔隙型），另一种是具有均匀孔隙结构的GDM（海绵型）。这两种材料的微结构差异显著，宏观孔隙型GDM在电流密度较高的情况下表现出更优的性能，但其在低电流密度区域可能因接触电阻较高而略逊一筹。相比之下，海绵型GDM通过去除顶层结构，降低了接触电阻，从而改善了气体传输效率。此外，研究人员还引入了一种激光处理方法，选择性地去除顶层结构，从而结合两种材料的优点，实现了更全面的性能提升。

通过电子显微镜、孔隙率测量、X射线光电子能谱（XPS）分析和燃料电池测试，研究人员对新型GDM的微结构与性能之间的关系进行了深入研究。结果表明，NIPS GDM在燃料电池运行中表现出更优的性能，尤其是在多相质量传输方面。此外，通过对比不同GDM材料的性能，研究发现去除顶层结构能够显著降低气体扩散阻力，从而提升燃料电池的整体效率。在技术经济分析方面，研究指出NIPS方法在生产成本和可扩展性方面具有显著优势，预计在大规模生产条件下，其成本比传统GDM低约55%。这一发现表明，NIPS方法不仅在材料设计上具有创新性，而且在经济可行性方面也具备广阔前景。

研究进一步探讨了NIPS GDM在燃料电池运行中的表现，特别是在湿度条件下。实验结果表明，新型GDM在高湿度环境下仍能保持良好的性能，其通过平面的渗透性显著优于传统材料。这表明，NIPS GDM不仅适用于标准运行条件，还能够在复杂环境条件下保持稳定的性能。此外，通过氧极限电流实验，研究人员分析了不同GDM材料的氧气传输阻力，并发现去除顶层结构能够有效降低传输阻力，从而提升燃料电池的输出功率。这为优化GDM材料的多相传输性能提供了重要的实验依据。

研究还指出，NIPS GDM的微结构设计能够通过改变孔隙大小和分布来优化燃料电池的性能。例如，宏观孔隙型GDM在提高气体扩散能力方面表现出色，而海绵型GDM则在降低接触电阻和改善液体传输方面具有优势。这种结构的灵活性使得研究人员能够根据实际应用需求进行材料设计，从而在不同工作条件下实现最佳性能。此外，研究还强调了NIPS方法在工业应用中的潜力，特别是在可扩展性和成本控制方面。

通过技术经济分析，研究团队评估了NIPS GDM的生产成本，并发现其在大规模生产条件下具有显著的成本优势。这表明，NIPS方法不仅在材料性能上有所突破，而且在实际应用中也具备较高的可行性。此外，研究还探讨了不同工艺参数对生产成本的影响，例如热处理时间、设备容量和原料价格等。这些分析为未来的工业化生产提供了理论支持和实践指导。

研究还指出，尽管NIPS GDM在某些方面表现出色，但其在长期运行中的耐久性仍需进一步验证。例如，材料的碳化温度较低，可能导致碳化程度不足，从而影响其稳定性。此外，GDM的表面化学性质和孔隙结构的变化可能对燃料电池的水管理产生影响，这需要通过进一步的实验和模拟来确认。未来的研究将重点关注如何优化这些材料的表面特性，以提高其在实际应用中的稳定性。

总体而言，这项研究展示了NIPS方法在燃料电池GDM制造中的潜力，不仅提供了新的材料设计思路，还验证了其在实际应用中的可行性和经济性。研究团队认为，通过进一步优化微结构设计和表面处理工艺，NIPS GDM有望在未来的燃料电池技术中发挥更大作用，特别是在重型运输和分布式电力生成等领域。此外，这项研究还为其他涉及多相传输的电化学技术提供了参考，例如水电解、二氧化碳电还原和金属-空气电池等。