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。通过使用电解水产生的可再生氢气，PEMFC可以消除运输部门对化石燃料的依赖。然而，PEMFC商业化要求提高耐用性和效率（燃油经济性）以及降低催化剂成本。尽管目前PEMFC电极催化剂的研发取得了长足的发展，但对于PEMFC实现高功率密度、耐用性和效率仍然具有很大的挑战。
因此，需要开发改进的电极材料，而这些材料在电极内的排列和界面方式在实现高功率密度、耐用性和效率方面也起着关键作用。传统的PEMFC电极由碳负载的铂催化剂(Pt/C)和离聚物组成，混合在油墨浆料中并沉积在膜或气体扩散层上作为多孔电极。这种自上而下的过程创建了一个随机的电极结构，该结构具有曲折的离聚物和孔隙网络，限制了传质并降低了催化剂的利用率。也因此，合理设计和开发出在相关电压（≥ 0.7 V）和较低相对湿度条件下增强性能的电极结构是目前PEMFC中研究的热点之一。
DOI:10.1038/s41560-023-01263-2
近日，美国洛斯阿拉莫斯国家实验室Jacob S. Spendelow研究员团队报道了一种凹槽型PEMFC电极结构，它提供了显著的性能和耐用性优势。相关的研究成果以“Grooved electrodes for high-power-density fuel cells”为题发表在Nature Energy上。
在这项工作中，美国洛斯阿拉莫斯国家实验室Jacob S. Spendelow研究员团队报道了一种凹槽型PEMFC电极结构，它提供了显著的性能和耐用性优势。
沟槽电极概念。©2023 Springer Nature
该电极的结构具有两个主要特征：高离聚物含量的电极脊提供快速的H+传输，由凹槽（空隙通道）分隔，促进O2扩散，将氧还原反应(ORR)反应物快速输送到反应位点。
在传统的扁平电极中，高离聚物含量可以增强H+传输，但这种增强会带来更高的O2传输阻力的严重后果。虽然之前的工作报告了具有大孔设计的电极结构以增强单一反应物的传输，但本文提出了一种具有高度有序的脊和槽结构的多功能电极，可同时增强H+和O2的传输。
与优化的平面型电极相比，凹槽型电极在100%相对湿度时将H+传输阻力降低了60%，而O2传输阻力没有显着变化。凹槽结构的好处在具有塌陷孔结构的退化电极中更为明显，其中凹槽在促进O2通过电极传输方面起着关键作用。通过将O2和H+的传输路径分别划分为凹槽和脊，凹槽型电极为传统电极固有的问题提供了一个有吸引力的解决方案，实现了显著的性能和耐久性改进，使PEMFC能够在重型车辆应用中部署。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的凹槽结构的潜力，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。
因此，这项研究的出现将有望尽早实现更小、更便宜以及更高效率的燃料电池堆，并为尽早促进工业化PEMFC的发展做出巨大贡献。
