高温质子交换膜燃料电池（HT-PEMFCs）因可在干燥H₂/空气条件下运行、简化水/热管理并实现高电流密度操作，被视为高效清洁能源转换的重要候选者。然而，其性能长期受制于磷酸（PA）流失、氧传输阻力以及传统催化剂涂覆基底（CCS）设计中界面接触差等瓶颈问题。尽管离子对膜与质子化膦酸离聚物的引入实现了催化剂涂覆膜（CCM）与PA掺杂膜的集成，但微孔层（MPL）气体扩散层和石墨流道仍导致严重的PA淹没问题和氧传输阻力，限制了HT-PEMFCs的实际性能发挥。
本文，韩国国民大学机械工程学院Segeun Jang教授等研究人员在《Advanced Science》期刊发表题为”Mass-Transport-Engineered CCM Architecture Employing MPL-Free Carbon Paper and Graphene-Coated Ni Foam Channels for High-Temperature PEM Fuel Cells”的研究论文。研究提出了一种质量传输工程化CCM架构，巧妙利用CCM工艺将催化剂沉积与多孔基底解耦的独特自由度，实现了两大关键突破：
- 无MPL碳纸：消除纳米孔Knudsen扩散阻力，缩短O₂扩散路径；
- 无脊石墨烯涂覆Ni泡沫（G-foam）流场：三维开孔结构增强对流O₂输送，疏水多层石墨烯表面抑制PA渗漏并降低界面接触电阻。
最终，CCM–MPL-free碳纸–G-foam集成架构实现了0.865 W cm⁻²的峰值功率密度，并维持200小时稳定运行，PA积累可忽略。
图1、(a–f) schematics of (a) Comparison between a conventional MPL-GDL and an MPL-free carbon paper. (b) Graphene deposition on pristine Ni foam via a cold-wall CVD process. (c) Multilayer G-foam. (d) Decal-transfer of the PA-doped ion-pair membrane and protonated phosphonic-acid electrode. (e) Conventional HT-PEMFC configuration where PA leaches into the graphite serpentine channel. (f) Modified HT-PEMFC architecture in which hydrophobic G-foam suppresses PA loss and enhances O2 transport.
综上所述，本文证明了高温质子交换膜燃料电池（HT-PEMFC）的性能瓶颈——即氧气传输限制、聚酰胺（PA）浸渍以及界面损失——不仅源于膜的化学性质，还源于基于传统碳纤维束（CCS）的膜电极组件（MEA）所施加的结构限制。通过利用离子对膜和质子化膦酸离子聚合物实现可靠的碳复合膜（CCM）制备，我们开辟了一个此前无法触及的设计空间，在此空间中，气体扩散层和流场通道可以被重新设计，从而直接解决物质传输限制问题。采用无微孔层（MPL）的碳纸被证明特别有效，这表明在高温运行条件下，纳米多孔微孔层是克努森扩散阻力的主要来源。当与无肋G-foam流场结合时，该系统进一步受益于增强的对流供氧、降低的内部电流密度（ICR）以及对PA迁移的显著抑制。这些改进体现在整个MEA范围内气体传输、质子传导和PA保留能力的协同增强上。因此，CCM-CP-G泡沫结构在小面积和大面积单电池中均实现了显著更高的功率密度，并在长时间运行期间保持了稳定的性能，且通道内未出现明显的PA积聚。除了定量上的提升外，这些发现阐明了高温质子交换膜燃料电池（HT-PEMFC）中物质传输损失的结构根源，并证明对 CCM、GDL 和流场结构进行协同优化，对于充分发挥离子对膜与质子化膦酸离子聚合物组合的性能至关重要。总体而言，这项工作为下一代高温质子交换膜燃料电池（HT-PEMFC）建立了一个可扩展且符合工业标准的结构框架，表明经过质量传输优化的 CCM 结构既能提供高性能和运行稳健性，同时也为未来的高温燃料电池系统提供了明确的设计指南。
文献：https://doi.org/10.1002/advs.75250
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