Fundamental Research | 焦魁：离子流体加速燃料电池催化层电解质中的氧气传输

Fundamental Research 2022-12-31

Fundamental Research 2022年第2卷第2期封面

离子流体加速燃料电池催化层电解质中的氧气传输

关键词：燃料电池，催化层，离聚物，氧气传输，离子流体

质子交换膜燃料电池具有清洁无污染、动态响应迅速和功率密度高等优势，在交通运输、无人机、航空航天等众多领域受到广泛关注。质子交换膜燃料电池一般由流场板、气体扩散层、催化层和质子交换膜组成，其中催化层是燃料电池电化学反应发生的场所，对燃料电池来说至关重要。以阴极侧的催化层为例，催化剂被电解质薄膜覆盖，因此氧气分子需要穿过电解质薄膜到达催化剂表面参加反应。然而催化剂表面存在一层致密结构，严重阻挡了氧气的跨膜传输过程，从而降低了燃料电池的性能。

天津大学焦魁教授和美国加州大学欧文分校Yun Wang教授联合在国家自然科学基金委员会主管、主办的Fundamental Research 期刊上发表研究论文，他们研究发现在催化层电解质薄膜中加入离子流体，可以抑制催化剂表面形成致密结构，从而大幅提升催化剂表面的氧气密度和氧气跨膜传输流量。

通过分子动力学模拟发现，未加入离子流体时，催化剂表面的电解质薄膜可分为三个区域：铂-离聚物界面过渡区、离聚物区和离聚物-气体界面过渡区，其中铂-离聚物界面过渡区存在离聚物长链的紧密排布，结构致密，这是导致氧气传输阻力的主要原因。加入离子流体之后，离聚物薄膜虽仍包括三个区域，但铂-离聚物界面过渡区的结构发生的重大改变，因为离子流体抑制了离聚物长链的紧密排布，从而为氧气溶解提供了更大的自由空间、为氧气传输提供了新路径（图1）。通过对比加入离子流体前后的氧气密度和氧气传输流量，发现加入离子流体后，铂表面的氧气密度提升了将近一个量级，且随着离子流体数量的增加而增加；氧气跨膜传输流量提升了将近8倍。该研究可为未来具有高效传质的新型催化层设计提供理论指导和技术路线。

图1. 离子流体抑制致密结构形成、提升铂表面氧气浓度和氧气跨膜传输流量。

以上内容节选自期刊Fundamental Research 2022年第2期发表的文章“L. Fan, Y. Wang, K. Jiao, Enhancing oxygen transport in the ionomer film on platinum catalyst usingionic liquid additives, Fundamental Research 2(2)(2022) 230-236”。

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主要作者简介

焦魁 天津大学内燃机国家重点实验室教授，英国皇家化学学会会士、英国工程技术学会会士，中国内燃机学会燃料电池发动机分会副主任委员，Energy and AI 创刊副主编、Int J Green Energy 副主编以及Applied Energy、IEEE TTE 等期刊编委。主持国家自然科学基金优秀青年科学基金等项目。研究方向包括燃料电池、二次电池、温差发电器等电化学能源装置中的工程热物理问题，已在Nature 等期刊发表100余篇论文。

Yun Wang 美国加州大学欧文分校机械与航天工程学院教授，美国机械工程师学会(ASME)会士、英国皇家化学学会(RSC)会士。研究方向包括燃料电池和二次电池等电化学能源装置中的传热传质和多相流等现象。

樊林浩 天津大学内燃机国家重点实验室助理研究员。研究方向包括燃料电池中的微纳尺度传热传质和多物理场建模仿真等。曾获宝钢优秀学生特等奖、天津市创新创业奖学金创新特等奖等奖励。

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