第一作者：赵光耀、陈泽碧、宋晓云
通讯作者：丁炜*
单位：重庆大学
DOI：10.1021/jacs.5c11489
阴离子交换膜燃料电池（AEMFC）作为清洁能源技术具有广泛应用前景，但其气液传输混乱问题一直是制约性能和寿命的难题。相较于质子交换膜燃料电池（PEMFC），AEMFC在使用非贵金属催化剂替代铂族金属（PGM）方面具有显著优势，可大幅提升其商业可行性。然而， AEMFC中的水传输具有双重矛盾性：既是氢氧根离子（OH⁻）传导的必需介质，又是需及时排出的反应产物，对水管理精度要求极高。运行过程中，阴/阳极间每转移4个电子将产生约38个水分子的净失衡，极易引发阳极水淹并阻碍反应气体传质，严重制约电池性能与寿命。
重庆大学魏子栋、丁炜教授团队在《Journal of the American Chemical Society》发表题为”Gas−Liquid Decoupling Transport by Self-Draining in the Anode of Anion Exchange Membrane Fuel Cells”的突破性研究，提出仿生毛细驱动水管理策略：通过设计具分级多孔结构的碳纳米纤维层（CNL）构建自排水阳极催化层（SD-ACL），利用疏水多孔网络保障面内气体快速传输，依托毛细效应驱动水沿平面自发排出，成功实现气液解耦传输，为AEMFC水管理提供创新解决方案。
近日，来自重庆大学的魏子栋教授与丁炜教授团队在国际知名期刊《Journal of the American Chemical Society》上发表了一项标题为“Gas−Liquid Decoupling Transport by Self-Draining in the Anode of Anion Exchange Membrane Fuel Cells”的突破性研究，通过设计自排水阳极催化层（SD-ACL），成功实现气液解耦传输，为AEMFC水管理提供了创新性解决方案。
图1. （a）传统AEMFC的MEA所面临的挑战。（b）自排水阳极催化层（SD-ACL）中水和气体传输原理的俯视图和侧视图。
图2.（a）在背压为100 kPa、H2/O2条件下，HCP120-MEAs和SD-ACL-MEAs在不同阳极气体加湿情况下的单电池测试，阳极加湿情况分别为：26% RH (50 °C), 42% RH (60 °C), 66% RH (70 °C), 100% RH (80 °C), >100% RH (85 °C)。（b）不同阳极加湿情况下的MEA峰值功率密度直方图。（c）SD-ACL-MEA和HCP120-MEA 在0.4 A cm-2条件下的稳定性测试。（d）H2/O2条件下，基于阳极非贵的Ni-based-SD-ACL-MEA和Ni-based-HCP120-MEA的单电池测试（左）；全非贵MEA在有和无SD-ACL的情况下分别在H2/Air条件下的燃料单电池测试（右）。（e）阳极非贵MEA和全非贵MEA的峰值功率密度直方图。
【本文要点】
要点一：自排水阳极催化层（SD-ACL）设计
研究团队提出了一种仿生毛细驱动水管理策略，通过构建具有分级孔隙结构的碳纳米纤维层（CNL）作为自排水阳极催化层（SD-ACL），实现了气液解耦传输。如图1b所示，SD-ACL通过结构解耦途径实现各向异性传质：利用疏水多孔网络促进面内气体快速传输，同时通过毛细效应驱动水沿平面方向自发排出。反应生成的水优先横向迁移，形成向边缘区的水浓度梯度，在毛细力驱动下由侧面排出，而疏水中心区域则保持气体畅通。
要点二：低湿与过湿极端条件评估SD-ACL水管理能力
为评估气液解耦传输能力，团队在燃料电池运行中设置了低湿与过湿两种极端条件。在26% RH低湿度条件下，SD-ACL-MEA的峰值功率密度较传统MEA提高2.2倍，显示优异的水保持能力。在100% RH条件下，传统HCP120-MEA发生水淹，功率密度降至496.4 mW cm-2，而SD-ACL-MEA凭借解耦传输机制，功率密度逆势升至1150.3 mW cm-2，增幅达2.3倍。即便在极端过湿条件下，SD-ACL-MEA仍保持888.6 mW cm-2的峰值功率。
要点三：SD-ACL稳定性与应用拓展
SD-ACL的水管理效能经恒电流实验进一步验证。，传统MEA在0.4 A cm-2电流密度下运行6小时内出现严重电压振荡，根源在于排水-积聚的循环过程导致气体通道不稳定；相反，SD-ACL-MEA实现水气传输解耦，过电位显著降低，并在20小时运行期间保持了稳定的功率输出。通过加速应力测试评估MEA稳定性发现，SD-ACL-MEA在1000次循环后仅出现微小电压衰减（9.5%）。这种衰减主要归因于膜降解而非SD-ACL的结构劣化，高频电阻（HFR）增加9.2%提供了有力证据。将有效面积放大至5cm2后，SD-ACL-MEA通过分区空白方法实现了891.8 mW cm-2的峰值功率密度和稳定功率输出，证明该策略在大面积MEA中具有良好的可扩展性和均匀性。
要点四：非贵金属阳极和全非贵金属膜电极应用
将SD-ACL应用于非贵金属阳极及全非贵金属MEA中，在高负载、高传质阻力与复杂水管理环境下仍表现优异：在H2/O2和H2/Air条件下，峰值功率密度分别提升至334.0 mW cm-2（提高1.57倍）和124.8 mW cm-2（提高3.97倍）。结果表明，SD-ACL结构具有独特的气液解耦传输优势，特别适用于高载量非贵金属催化剂系统，为突破PGM-Free燃料电池传质限制提供了切实可行的解决方案。
【文章链接】
Gas-liquid decoupling transport by self-draining in the anode of anion exchange membrane fuel cells Guangyao Zhao,# Zebi Chen,# Xiaoyun Song,# Qimei Yang, Jian Wang, Wei Ding*, Zidong Wei J. Am. Chem. Soc., 2025,
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.5c11489
通讯作者简介
丁炜教授简介：博士生导师。国家重点研发计划青年首席科学家，国家优秀青年基金项目获得者，重庆市杰出青年基金获得者，重庆市英才青年拔尖才，电化学青年编委、Chinese Chemical Letter青年编委，重庆大学先进电能源化学创新中心副主任。主持国家自然科学基金优秀青年基金、国家重点研发计划青年科学家项目、重庆市杰出青年基金等10余项。以通讯作者身份在Nature catalysis、Nature energy、Chem、JACS、Angew等论文80余篇，论文总他引6446次，H-index 44，其中ESI高被引论文5篇，期刊热点论文4篇，且多项研究成果在国家自然科学基金委网站亮点报告；先后荣获中国化工学会科学基础研究成果一等奖、重庆市科学技术奖自然科学一等奖、2024年度重庆市基础研究代表新成果，中国发明协会发明技术铜奖。
魏子栋教授简介：教育部长江学者特聘教授，国家重点研发计划项目首席科学家，国家自然科学基金重大项目首席科学家，国家自然科学基金“多项反应传递与转化调控”创新群体骨干成员，“化工过程强化与反应”国家地方联合工程实验室主任。中国石油和化学工业联合会“电解水耦合绿色化工合成”重点实验室主任，重庆市“新能源化工”创新团队学术带头人，“锂电及新材料遂宁研究院”创院院长。作为项目或课题负责人主持国家重点研发计划项目1项，国家自然科学基金重大项目1项，国家“863”高技术项目1项、课题3项，国家“973”重大基础研究计划课题2项，国家自然科学基金重点项目3项，省部级重大研究项目4项。获省部级科学技术奖励一等奖、二等奖各1次。发表学术论文300余篇，他引19000余次。申请发明专利41项，获授权33项。出版《电化学催化》《氧还原电催化》专著2部。
