JPCL快讯｜石墨烯表面滑移促进的高性能质子交换膜燃料电池微孔层设计

英文原题：Slip-Enhanced Transport by Graphene in the Microporous Layer for High Power Density Proton-Exchange Membrane Fuel Cells

通讯作者：王路达，北京大学，北京石墨烯研究院

作者：Ye Liu (刘烨) ^#, Ningran Wu (吴宁然) ^#, Haiou Zeng (曾海鸥), Dandan Hou (侯丹丹) , Shengping Zhang (张盛萍), Yue Qi (亓月), Ruizhi Yang (杨瑞枝), Luda Wang (王路达)

背景介绍

质子交换膜燃料电池可以高效地将氢能转化为电能，是一种清洁无碳排放的能量转换装置。质子交换膜燃料电池主要部件包括质子交换膜(PEM)、催化层(CL)、气体扩散层(GDL)和双极板(BP)，其中气体扩散层有着支撑催化剂，保证气体均匀传输，有效排出产生的水等作用。由于气体经双极板最终到达催化剂发生电化学反应过程中存在着传质阻力，严重影响质子交换膜燃料电池的输出功率，因此设计合适的气体扩散层结构可以有效地提升输出功率。气体扩散层包括支撑层(SL)和微孔层(MPL)，传统基于碳黑的微孔层有着高表面粗糙度，传质阻力大，容易水淹，因而制约着其性能的提升。

图1. 质子交换膜燃料电池结构及水气输运机理 (a) 质子交换膜燃料电池结构，其中包括双极板(BP)、SL(支撑层)、MPL(微孔层)、CL(催化层)、PEM(质子交换膜)；(b)传统基于碳黑的微孔层容易水淹 (c)在微孔层中加入石墨烯后有利于水的输运从而抑制水淹，其中绿色箭头代表水输运路径，蓝色箭头代表气体输运路径

快讯亮点

近日，北京大学王路达教授在 JPC Letters 上发表了石墨烯表面滑移促进的高性能质子交换膜燃料电池微孔层设计。受水和气体在石墨烯表面和碳纳米管内滑移行为的启发，石墨烯表面的水的滑移行为有利于气体扩散层中水的排出，从而有望减少水淹现象的发生。在传统基于碳黑的微孔层中加入仅1%质量分数的超临界流体剥离制备的石墨烯，微孔层表面的裂痕相比碳黑微孔层减少了60%，面电阻减少了3%，气体透过率增加了近3倍。

将上述微孔层与商用质子交换膜和催化剂组装成燃料电池，在电池温度80°C，阴极相对湿度为100%、60%、20% 条件下测定氢气-空气燃料电池的极化曲线和电化学阻抗曲线，如图2所示。加入石墨烯的微孔层组装成的燃料电池功率密度相对传统碳黑石墨烯有着明显提升，尤其在高相对湿度条件下提升了45%。通过电化学阻抗谱可以得知，输出功率的提升来源于欧姆损失和传质损失的减小。石墨烯的加入一方面减少了微孔层的裂痕，加之其高电子迁移率，从而减小了欧姆损失。另一方面水在石墨烯表面的滑移有利于水的排出，为气体扩散释放空间，从而减小了传质损失。

图2. 燃料电池性能测试结果 (a)在不同温度下，不加入和加入超临界流体剥离的石墨烯(s-Gr)微孔层组装的质子交换膜燃料电池的极化曲线；(b)(a)中对应的最大功率密度；(c)从电化学阻抗谱中提取的欧姆电阻(R_Ω)、电荷传递电阻(R_ct)和质量传递电阻(R_mt)。(d-f)在不同湿度条件下的电化学阻抗谱：(d)阴极露点为45°C，(e)阴极露点为68°C， (f)阴极露点为80°C。

总结与展望

研究团队设计了一种含有超临界流体剥离石墨烯的微孔层，相比于传统基于碳黑的微孔层，它具有改善的水气传输特性。引入超临界流体剥离石墨烯使得水的传输速率提高了5倍，这归功于水在石墨烯表面的滑移行为。通过这样设计微孔层组装的质子交换膜燃料电池在高湿度条件下比传统的基于碳黑的微孔层组装的燃料电池输出功率高出45%。通过石墨烯等纳米材料表面滑移性质来促进水气传输，为制备高性能环保的燃料电池提供了传质问题的解决方案，同时促进对于多孔体系传质机理的理解。

相关论文发表在JPC Letters上，北京石墨烯研究院刘烨助理研究员、北京大学博士研究生吴宁然为文章的共同第一作者，王路达教授为通讯作者。

通讯作者信息

王路达为北京大学集成电路学院及前沿交叉学院纳米科技中心特聘研究员，博士生导师，入选国家高层次青年人才项目，有多年从事微纳米碳材料在纳流体、微纳传感器和二维分离膜方面的研究经验。课题组专注于在石墨烯及二维超薄膜上微纳流体输运机理研究和分子原子级别的输运调控，开发了引入（亚）纳米孔的解耦合刻蚀方法；提出并设计了仿生质子孔和仿生钠离子通道；实现了大面积（∼15 × 10 cm²）纳米孔单/双层石墨烯分离膜；设计了具有高输出功率密度的燃料电池微孔层结构。课题组遵循基础研究和应用探索并重的发展思路，相关成果有望应用在微纳检测、海（咸）水淡化、有机分离和燃料电池等领域中。

课题组主页：https://ldwang.pku.edu.cn/

英文原文

J. Phys. Chem. Lett. 2023, 14, 35, 7883–7891

Publication Date: August 28, 2023

https://doi.org/10.1021/acs.jpclett.3c01661

© 2023 American Chemical Society