在质子交换膜燃料电池中，较高的操作温度有利于提高单位Pt/C催化剂的电化学活性、提高气体和离子的传质速率、降低多孔介质和流道内的液态水含量，有利于提高燃料电池性能。通过合理设计Pt/C催化剂与操作温度的分布，沿气体流动方向，使催化剂负载量逐步降低，操作温度提高，可发挥二者的协同作用，在保证电流密度均匀的同时，降低催化剂的总体载量，提高电池性能。

为此，我院邢磊研究员与施伟东教授首次开发了一种分段式燃料电池单元，在化学工程领域权威期刊Chemical Engineering Journal （2021, 406: 126889）发表题为A segmented fuel cell unit with functionally graded distributions of platinum loading and operating temperature的学术论文。合作者包括我校徐远翔硕士、苏华能研究员、徐谦副教授，克罗地亚Split大学Zeljko Penga研究员、Frano Barbir教授和英国Loughborough大学Jin Xuan教授等人。

如图所示，沿气体流动方向将MEA夹具分为5个单元，通过设置独立的加热元件实现了不同单元操作温度从阴极入口到出口逐步升高的非均匀分布。同时，不同单元的膜电极设置不同的Pt/C载量，使得温度较高的单元Pt/C载量较低，温度较低的单元Pt/C载量较高。另外，通过所建立的多物理场、非等温、两相流模型分析了不同温度梯度与催化剂载量梯度对电池性能、电流分布均匀性以及Pt/C用量的影响，催化剂与温度梯度的最优解。

研究发现，Pt/C沿阴极气体流动方向递减带来的电池性能损失可由逐步提高的操作温度弥补。然而，当温度梯度超过最优值，将导致靠近阴极出口处温度较高，引起该区域的质子交换膜脱水，显著提高质子传输阻力。另外，阴极出口处较高的温度导致水的饱和蒸汽压升高，使得ORR生成的水主要以蒸汽形态存在，稀释反应气中氧气的有效浓度。以上两个原因导致在靠近阴极出口区域的电池性能断崖式下降，严重影响电池单元的总体性能以及电流密度均匀性。经合理优化的Pt/C载量和温度梯度可最多降低18.8%的Pt/C用量，在保持电池性能（基于Pt/C载量和温度的均匀分布）的同时，进一步提高了电流分布均匀性。

本研究受到国家自然科学基金21878129, 21978118，江苏省自然科学基金BK20140011, BK20170530以及欧盟发展基金KK.01.1.1.01.的资助。

（绿色化工研究院）