聚合物电解质膜燃料电池

氢能作为一种高效、清洁的能源，能够同时缓解能源危机和减少环境污染，已成为全球可再生能源发展的重点。氢动力聚合物电解质膜燃料电池（PEMFCs）具有化学能到电能转换效率高、工作温度低、接近零污染等优点，已被广泛研究和开发成为最适合电动汽车、航空、住宅备用电源，以及储能应用. 在PEMFC运行期间，反应气体沿着双极板内的通道流动，通过气体扩散层(GDL)扩散并与催化剂层(CL)一起到达活性催化剂位点。从能源工程的角度来看，PEMFCs的主要挑战之一是电极内的不均匀功率密度分布，因为氢气和氧气的摩尔浓度通常在气体入口和通道GDL界面处较高，并沿着通道逐渐降低并通过由于反应物的消耗，多孔电极导致气体出口和膜CL界面附近的反应物浓度低，并引起不均匀的传质。在传统的 PEMFC中，催化剂被均匀地喷涂在GDL或膜上以形成三维CL架构。

考虑到每个电极单元的催化剂负载功率，可以得出结论，靠近气体出口和远离通道-GDL 界面的催化剂没有得到充分利用，导致贵金属纳米粒子（例如 Pt/C）的浪费. 因此，非均匀多孔电极的设计是一种很有前途的策略，可以节省贵金属催化剂的使用，并在不牺牲PEMFC性能的情况下实现更均匀的电流密度分布。

PEMFC中发生的缓慢反应是阴极侧的氧还原反应 (ORR)，它将O2转化为催化剂表面活性位点上的两个O。市售的活性炭负载铂族贵金属纳米粒子已被广泛用作提高反应速率的催化剂，但成本也急剧增加。有必要提高铂基催化剂的利用率和效率。为了实现这一目标，目前的研究提出了两种策略，即CL 内 Pt 负载的分级分布和 GDL 内的电极孔隙率。 Pt负载的最佳排列分布可以更好地匹配电化学反应和传质，从而提高催化效率。由于不同操作条件下多孔电极内反应物浓度的空间变化，根据反应情况适当改变Pt负载量可以减少Pt催化剂的使用量，提高Pt催化剂的利用率。

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