设计梯度粒径的铂（Pt）颗粒，以减轻质子交换膜燃料电池（PEMFC）的降解现象并保持其性能

铂催化剂梯度分布对质子交换膜燃料电池（PEMFC）耐久性的影响研究。通过耦合1D铂降解模型与3D PEMFC性能模型，系统评估双/多层梯度Pt颗粒尺寸设计对电池性能维持与铂损耗抑制的协同作用。研究表明：双层层设计在Pt尺寸过渡界面验证了实验观测的“Pt保留阶跃变化”现象；多层梯度设计可缓解过渡区阶跃效应，其中指数增长型Pt分布的催化剂层因初始活性面积大（3.2㎡·m?3）和末期铂分布均匀性显著提升（降幅较双层设计降低37.5%），全生命周期性能最优。该成果为PEMFC催化剂层梯度优化提供了理论依据。

　　

张国斌|孙晓坤|曲志国|朱月强

中国陕西省西安市西安交通大学能源与动力工程学院热流体科学与工程教育部重点实验室，邮编710049

摘要

梯度铂（Pt）粒径设计是一种有前景的策略，可以缓解质子交换膜燃料电池（PEMFC）催化剂层（CL）中铂的降解问题，尽管这可能会降低电池的初始性能。因此，在长期运行过程中保持PEMFC的更好性能非常重要。在这项研究中，通过结合一维（1D）CL模型和三维（3D）PEMFC模型（分别模拟铂的降解和电池性能），全面评估了具有双层和多层Pt粒径的梯度CL。仿真结果显示，梯度CL在平衡铂降解缓解和电池性能维护方面具有显著优势。值得注意的是，我们验证了在双层CL中Pt粒径过渡界面观察到的“铂保留阶跃变化”。此外，我们的工作表明，不同降解机制的不同影响决定了梯度CL中过大的粒径差异会由于更多的铂损失而降低PEMFC的耐久性。此外，多层设计减少了降解后CL中铂保留的阶跃变化，而具有指数粒径增长模式的梯度CL在整个生命周期内表现出最佳性能，并且优于最优的双层CL，这主要是由于其初始活性反应面积较大以及寿命结束时铂分布均匀性的显著改善。本研究为设计CL中的梯度Pt粒径分布提供了新的见解，从而促进了PEMFC在长期运行中的耐久性和性能维护。

术语表

命名法

C物质的摩尔浓度（mol·m^?3）扩散系数（m²·s^?1）离子聚合物中O₂的扩散系数（m²·s^?1）铂粒子的平均直径（nm）$E_{\text{Diss}}$,$E_r$,$E_{\mathrm{Ox}}$铂溶解和氧化的平衡电位（V）E电池

$A_{\mathrm{act}}$	电池反应面积（m2）
$a_{\mathrm{Pt}}^{\mathrm{act}}$	催化剂在ACL中的活性反应面积（m2·m?3）
$a_{\mathrm{Pt}}^{\mathrm{act}}$	催化剂在CCL中的活性反应面积（m2·m?3）
$a_{\mathrm{agg}}$	可供O2扩散的团聚体表面积（m2·m?3）
$D$
$D_{O_2,\mathrm{离子}}$
$d_{\mathrm{Pt}}$	铂粒子的直径（nm）
$d_{\mathrm{av}}$

结果与讨论

通过1D铂降解模型和耦合的3D PEMFC模型探讨了梯度CCL的有效性，如图1（b）所示。在1D模型中，CCL被划分为10个平面方向的网格，可以依次计算每个网格中不同粒径密度$N\left(r_{\mathrm{Pt}}\right)$、ECSA（催化剂质量）、$m_{\mathrm{Pt}}^{}$和活性反应面积在降解过程中的变化。然后可以计算CCL中Pt/C粒子的体积分数（${\epsilon }_{\mathrm{Pt}/C}$）和离子聚合物的体积分数（$\omega$），以及孔隙率

结论

为了进一步探索梯度Pt粒径分布在CCL中对PEMFC长期运行中催化剂降解缓解和性能维护的有益效果，本研究基于1D铂降解模型和3D PEMFC性能模型，研究了具有不同尺寸Pt粒子的几种双层和多层CCL。研究发现，将较小粒子分布在远离膜的位置，而将较大粒子分布在靠近膜的位置

方法

本研究采用了1D和3D建模以及实验测试方法。

CRediT作者贡献声明

张国斌：撰写——原始草稿、软件开发、方法论、研究实施、资金获取、数据分析、概念构思。孙晓坤：撰写——原始草稿、数据可视化、验证、软件开发、数据分析、数据管理。曲志国：审稿与编辑、监督、资源协调、项目管理、资金获取。朱月强：数据验证、软件开发、方法论、数据分析、概念构思。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（项目编号：52206112）、中国博士后科学基金（项目编号：2024T170704）、陕西创新型人才促进计划-技术创新团队项目（项目编号：2024RS-CXTD-35）以及中央高校基本科研业务费（项目编号：xpt012025009）的支持。