纤维状催化剂层孔隙结构与压缩比对质子交换膜燃料电池性能的影响机制研究

本文聚焦质子交换膜燃料电池(PEMFC)中纤维状Marimo碳(MC)催化剂层(CL)的孔隙调控，通过对比不同甲烷流量合成的MC100（宽纤维间隙）与MC400（窄纤维间隙），揭示压缩比（8%-22%）对气体扩散层(GDL)-CL界面接触面积与燃料气体扩散性的双重影响。研究发现：适度压缩可提升界面导电性（Pt/MC400最佳功率密度达359.0 mW cm?2），但过度压缩会阻塞纤维间隙，为优化PEMFC性能提供关键参数。

　　

亮点速览

纤维状催化剂层的"呼吸之道"：如何平衡压缩与孔隙的艺术？

MC合成

MC的"生长密码"：以镍负载金刚石氧化物(Ni/O-dia.)为核心，在550°C下通入甲烷(CH₄)气体（流速100或400 cm³min^?1），通过化学气相沉积法培育出如同海藻球般的碳纳米纤维(CNFs)丛林。

MC结构

扫描电镜(SEM)下的纤维王国：MC100长出"粗犷版"CNFs（直径更大、孔隙更宽），而MC400则呈现"精致版"纤维网络（间隙更窄）。这种结构差异直接决定了燃料气体(H₂/O₂)的扩散高速公路是否畅通。

结论

当压缩比遇上纤维密度：Pt/MC400在8%压缩比下创下359.0 mW cm^?2的功率纪录，证明窄间隙纤维更擅长在压缩时"见缝插针"扩大GDL-CL界面接触；而Pt/MC100则在22%压缩比下达到237.3 mW cm^?2，揭示宽间隙结构需要更强压缩来"打通经脉"。这项研究为燃料电池装上了"智能调节阀"——通过精准控制纤维结构和组装压力，实现导电性与气体扩散的完美平衡。