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聚合物电解质燃料电池（PEFCs）作为氢能应用的重要技术，其性能高度依赖于水管理策略。在阴极催化层（CL），液态水的积累可能阻碍氧气传递，降低催化活性并引发洪泛效应。然而，传统技术难以有效观察富含铂（Pt）的催化层中的液态水分布，这成为研究燃料电池水管理的主要障碍。
成果简介
该研究首次利用原位同步辐射X射线成像技术，成功实现对富铂催化层液态水的高分辨率可视化。通过构建优化的操作单元和采用特定的X射线参数，该研究揭示了阴极催化层在不同温度、湿度和电压条件下的水分布规律，以及液态水的瞬态积累行为。这一成果为燃料电池的水管理策略优化和抗洪泛设计提供了重要依据。
研究亮点
技术突破：首次实现富铂催化层液态水的高分辨率可视化，克服了铂的X射线强吸收特性带来的挑战。
动态观测：分析了阴极催化层在不同运行条件下液态水的动态积累与分布特性。
多层次对比：揭示了催化层（CL）、微孔层（MPL）及气体扩散层（GDL）之间的水分布差异，为理解燃料电池性能衰减机制提供了新视角。
工程指导：提出了针对冷启动条件和高湿环境的优化策略，为下一代燃料电池的设计提供了理论基础。
配图精析
图1：X射线透射计算与操作单元设计
通过计算铂、碳和Nafion的X射线透射率，优化了催化层厚度及操作单元路径长度，确保了成像对比度。
图2：原位测量装置与实验区域示意
展示了同步辐射X射线成像实验装置的布置及观察区域，确保0.325 μm的高空间分辨率。
图3：阴极催化层的液态水分布
在40°C、80%相对湿度和不同电压条件下，揭示了液态水在催化层和微孔层交界处的优先积累现象。
图4：运行条件对水分布的影响
图5：液态水的瞬态积累行为
在0.2 V下，液态水积累速率显示催化层中水分布的动态变化，积累速率在10秒后出现显著减缓。
展望
本研究利用同步辐射X射线成像，成功实现了对富铂催化层液态水分布的原位观测，深入揭示了水管理与燃料电池性能之间的关系。未来，该技术可应用于更广泛的燃料电池体系，为优化水管理策略和提高燃料电池的使用寿命提供更全面的科学支持。
文献信息
标题：Liquid Water Visualization in the Pt‐Loading Cathode Catalyst Layers of Polymer Electrolyte Fuel Cells Using Operando Synchrotron X-ray Radiography
期刊：Advanced Energy and Sustainability Research
DOI：10.1002/aesr.202400126
原文链接：https://doi.org/10.1002/aesr.202400126
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