质子交换膜燃料电池催化剂层干燥温度调控及其对微观结构与性能的优化机制研究

本研究针对质子交换膜燃料电池（PEMFC）催化剂层（CL）干燥温度（50–90 °C）对微观结构及性能的影响展开多尺度分析。通过实验与分子动力学模拟发现，升温可增大孔径（21.4→45.1 nm），增强Knudsen扩散并促进大孔形成，但低温下离聚物薄膜均质性更高。70 °C为氧溶解与扩散平衡点，其CL功率密度达0.64 W cm?2，较50 °C与90 °C提升5.53%和12.77%，为PEMFC工艺优化提供关键理论依据。

　　

通过实验与分子动力学模拟（Molecular Dynamics Simulations）研究发现，质子交换膜燃料电池（PEMFC）催化剂层（Catalyst Layer, CL）的干燥温度（50–90 °C）对其微观结构与性能具有关键影响。温度从50 °C升高至90 °C时，CL的平均孔径从21.4 nm增大至45.1 nm，显著增强了Knudsen扩散作用，并促进大孔形成，从而改善分子扩散效率。分子模拟进一步揭示，温度通过调控离聚物（ionomer）分子链构象影响溶剂蒸发速率。较低干燥温度虽使催化剂表面离聚物薄膜分布更均匀，却降低了其内部的氧溶解度。此类CL同时表现出更高的电化学活性表面积（ECSA）与更优的质子传导性。在70 °C条件下，离聚物薄膜中的氧溶解与扩散达到最优平衡。电化学测试表明，70 °C干燥所制备的CL性能最佳，功率密度达到0.64 W cm^?2，较50 °C和90 °C干燥的CL分别提高5.53%和12.77%。本研究系统阐明了干燥温度—溶剂蒸发—微观结构—电池性能之间的内在关联机制。