近日，燃料电池研究所章俊良教授团队在Nano-Micro Letters上发表综述“Revealing the Oxygen Transport Challenges in Catalyst Layers in Proton Exchange Membrane Fuel Cells and Water Electrolysis”，针对氢能转化利用过程中质子交换膜燃料电池、电解水的氧气传输过程进行了系统、深入的分析与展望。博士后李慧媛为论文第一作者，章俊良教授、沈水云教授为共同通讯作者。
质子交换膜燃料电池和电解水氧气传输机理与电极结构优化
质子交换膜燃料电池和电解水结构及其在氢能转化中的应用
氢能作为一种优质的二次能源，在能源存储和利用中具有重要的应用潜力。质子交换膜燃料电池（PEMFC）和电解水（PEMWE）系统在能源转换过程中扮演着不同的角色，共同推动可持续能源技术在该领域的发展。然而，高成本仍是限制其大规模商业化发展的主要瓶颈，系统核心部件膜电极（MEA）中Pt和Ir等贵金属催化剂是高成本的主要来源。目前，研究者在降低催化剂载量方面取得了一定的进展，但随之带来的氧气传质问题加剧，仍是亟待解决的关键难题。
质子交换膜燃料电池质量传输示意图
文章综述了质子交换膜燃料电池电极孔隙结构中的氧气体相传质和三相界面上的氧气局域传质机理，有效孔隙结构是影响体相传质的主要因素，而界面上离聚物的结构和分布形态、离聚物和碳载体之间的相互作用是影响局域传质阻力的主要原因。在质子交换膜燃料电池的低铂化进程中，由于催化层（CCL）催化位点的减少，局域传质阻力急剧增加，成为限制因素，因此，针对低铂质子交换膜燃料电池的高效、稳定电极结构设计，主要分为以下四个策略：一是通过调控“离聚物-碳载体”界面相互作用，促进离聚物的分布更均匀；二是通过增强界面的质子传导减少离聚物含量，从而减小离聚物的厚度；三是通过开发高透氧离聚物，增加离聚物的氧气传输能力；四是通过精准的纳米孔隙结构设计，形成离聚物结构中的高效氧气传输通道。
质子交换膜电解水的氧气传输机理
质子交换膜电解水具有效率高、环境友好、操作安全等优势，在绿氢需求持续增加的背景下具有广泛的应用前景。其膜电极结构和PEMFC相似，随着阳极催化层（ACL）贵金属催化剂载量的降低，催化位点产生的氧气无法及时排出，限制了产物水到达催化位点，导致电解效率下降。阳极催化剂界面产生的氧气在低电流密度时以溶解氧的形式存在，在高电流密度时以气泡氧的形式存在，对于孔隙结构中的体相氧气传输，溶解氧从水中转移，气泡氧在水中以两相流的形式转移，增大孔隙尺寸有利于提高氧气传输的效率。对于反应界面离聚物中的局域氧气传输，溶解氧取决于离聚体的氧气传输能力，气泡氧可以通过“离聚体-催化剂团聚体”的裂缝进行传输。因此，通过调整离聚体的分布，构筑离聚体中有效的气泡运输通道，设计电极结构中具有高效氧气传输和质子传导能力的团聚体模型，是增强PEMWE氧气传输的重要途径。由于相似的孔隙结构和界面调节机制，更先进的PEMFC研究路线可为PEMWE的氧气传输研究提供一定的启发。研究工作得到了国家重点研发计划的资助。
论文链接：https://link.springer.com/article/10.1007/s40820-025-01719-y
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