该原型燃料电池中的创新脊有助于增强氢离子[橙色]的传输，而凹槽提供有效的氧气传输[绿色]，这两者都提高了系统的性能

一项新的研究发现，最有可能为车辆提供动力的氢燃料电池中的凹槽可能会将设备的性能提高多达50%。

燃料电池将储存在氢气等燃料中的化学能转化为电能。它的工作原理是将燃料与氧气或其他可以从燃料中剥离电子的氧化剂反应。燃料电池有两个电极 - 阳极，燃料被氧化或失去电子，阴极，氧化剂被还原或获得电子。

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使用氢（宇宙中最常见的元素）运行的燃料电池作为清洁，高效的能源具有很大的前景。当氢气与燃料电池中的氧气反应发电时，结果不是像化石燃料那样产生污染物，结果只是水。

“重要的不仅仅是你放入电极中的材料 - 还有你在微观尺度上如何构建材料。 ——雅各布·斯潘德洛，洛斯阿拉莫斯国家实验室

根据美国能源部的说法，为汽车提供动力的最佳候选燃料电池是聚合物电解质膜（PEM）燃料电池，也称为质子交换膜燃料电池。它们使用质子导电聚合物膜作为燃料和氧化剂之间的电解质，以帮助在燃料电池内穿梭电荷。

研究人员在这项新研究中说，重型卡车运输为PEM燃料电池提供了特别有希望的机会。使用电池为这些车辆供电相对困难，因为它们需要长距离、快速加油、重量轻和体积小。

现在，科学家们发现，在标准操作条件下，与最先进的传统电极相比，在PEM燃料电池上增加凹槽可以将这些设备的性能提高多达50%。

“我发现令人惊讶的是，电极的结构和排列可以产生如此强烈的效果，使用传统的市售催化剂实现高性能和耐用性，”研究资深作者，新墨西哥州洛斯阿拉莫斯国家实验室的化学工程师Jacob Spendelow说。“这表明，重要的不仅仅是你放入电极中的材料 - 还有你在微观尺度上如何构建材料。

传统的PEM燃料电池电极由碳负载铂催化剂和称为离聚物的离子导电聚合物组成，它们混合在油墨浆料中并作为多孔电极沉积在膜或其他结构上。这创造了一个随机电极结构，具有复杂的、迷宫般的狭窄孔隙网络，限制了燃料电池内的流动。研究人员指出，这种结构在30多年来基本保持不变。

通过分离沿凹槽和脊的质子和氧气流，新电极有助于改善两者的传输。

相比之下，新电极具有催化剂脊，其中装有由空槽隔开的离聚物。脊改善质子运输，而凹槽同时帮助氧气流动。

在传统的PEM燃料电池电极中，高离聚物含量可能会增强质子传输，但通常也会限制氧气流动。通过分离沿凹槽和脊的质子和氧气流，新电极有助于改善两者的传输。这也有助于保持燃料电池中的反应速率均匀，从而提高催化剂的性能。

科学家们通过在图案化的硅模板中沉积碳负载铂催化剂和离聚物的混合物来制造新电极，然后转移到由称为Nafion的常见聚合物电解质制成的膜上。他们尝试了具有1至2微米宽的凹槽的电极，并且每3至6μm在电极上重复凹槽。凹槽越窄，它们之间的距离越短，性能越好。

“大约四年前，我们提出了沟槽电极设计的基本概念，但弄清楚如何制造电极并使其工作需要付出很多努力，”Spendelow说。他指出，加拿大多伦多城市大学研究的主要作者ChungHyuk Lee的微细加工技能“是使我们能够将想法变为现实的关键因素。

性能最佳的沟槽电极也比普通电极更耐用，在500个活动周期后显示出170%的电流密度。研究人员指出，传统电极中的孔会因腐蚀而随着时间的推移而塌陷，从而阻碍其性能。相比之下，沟槽电极结构保持相对完整。

此外，机器学习分析表明，进一步优化沟槽电极的潜力很大。例如，科学家们发现，与他们测试的最佳沟槽电极相比，使凹槽更宽更深可以进一步提高36%的性能，尽管需要更好的制造方法来证实这些发现。

“关键的下一步是进行制造研发，以开发沟槽电极的可扩展生产，”Spendelow说。“从学术角度来看，我们希望继续探索沟槽电极设计的许多方面，但从实践的角度来看，证明可制造性是关键。

科学家们于5月25日在《自然能源》杂志上详细介绍了他们的发现。

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