该原型燃料电池中的创新脊有助于增强氢离子的传输[橙色]，而凹槽则提供有效的氧气传输[绿色]，这两者都提高了系统的性能。
一项新的研究发现，最有可能为汽车提供动力的氢燃料电池中的凹槽可以将设备的性能提高多达 50%。
燃料电池将氢等燃料中储存的化学能转化为电能。它的工作原理是使燃料与氧气或另一种可以从燃料中剥离电子的氧化剂发生反应。燃料电池有两个电极——阳极，燃料在这里被氧化，或失去电子，阴极，氧化剂在这里被还原，或获得电子。
以宇宙中最常见的元素氢为燃料的燃料电池作为清洁、高效的能源有着广阔的前景。当氢气在燃料电池中与氧气发生反应产生电能时，不会像化石燃料那样产生污染物，而只会产生水。
“重要的不仅仅是你放入电极的材料——你如何在微观尺度上构造这些材料也很重要。”—Jacob Spendelow，洛斯阿拉莫斯国家实验室
据美国能源部称，为汽车提供动力的最佳候选燃料电池是聚合物电解质膜 (PEM) 燃料电池，也称为质子交换膜燃料电池。这些使用质子传导聚合物膜作为介于燃料和氧化剂之间的电解质，以帮助在燃料电池内穿梭电荷。
研究人员在新研究中表示，重型卡车运输为 PEM 燃料电池提供了特别有前途的机会。使用电池为这些车辆提供动力相对困难，因为它们需要长距离、快速加油、重量轻和体积小。
现在科学家们发现，在标准操作条件下，与最先进的传统电极相比，在 PEM 燃料电池中添加凹槽可以将这些设备的性能提高多达 50%。
“我感到惊讶的是，电极的结构和排列可以产生如此强大的效果，使传统的市售催化剂具有高性能和耐用性，”该研究的资深作者、洛斯阿拉莫斯国家实验室的化学工程师Jacob Spendelow说，在新墨西哥州。“这表明重要的不仅仅是你放入电极的材料——你如何在微观尺度上构建材料也很重要。”
传统的 PEM 燃料电池电极由碳载铂催化剂和称为离聚物的离子导电聚合物组成，它们混合在油墨浆料中并沉积在膜或其他结构上作为多孔电极。这创造了一个随机的电极结构，具有复杂的、迷宫般的窄孔网络，限制了燃料电池内的流动。研究人员指出，这种结构在 30 多年来基本保持不变。
通过沿着凹槽和脊分离质子和氧气流，新电极有助于改善两者的传输。
相比之下，新电极的特点是催化剂脊上装有离聚物，被空槽隔开。脊改善质子传输，而凹槽同时有助于氧气流动。
在传统的 PEM 燃料电池电极中，高含量的离聚物可能会增强质子传输，但通常也会限制氧气流量。通过沿着凹槽和脊分离质子和氧气流，新电极有助于改善两者的传输。这也有助于保持燃料电池中的反应速率均匀，从而提高催化剂性能。
科学家们通过在图案化的硅模板中沉积碳负载的铂催化剂和离聚物的混合物，然后转移到由称为 Nafion 的普通聚合物电解质制成的膜上来制造新电极。他们对凹槽宽度为 1 至 2 微米的电极进行了实验，凹槽每隔 3 至 6 微米在电极上重复一次。凹槽越窄，它们之间的距离越短，性能越好。
“大约四年前，我们提出了沟槽电极设计的基本概念，但要弄清楚如何制造电极并使它们发挥作用，需要付出很多努力，”Spendelow 说。他指出，加拿大多伦多城市大学的研究主要作者ChungHyuk Lee的微细加工技能“是使我们能够将想法变为现实的关键因素。”
性能最好的凹槽电极也比普通电极更耐用，在 500 次活动循环后显示出高 170% 的电流密度。研究人员指出，由于腐蚀，传统电极中的孔会随着时间的推移而坍塌，从而影响其性能。相比之下，带凹槽的电极结构保持相对完整。
此外，机器学习分析表明，进一步优化沟槽电极的潜力很大。例如，科学家们发现，与他们测试的最好的凹槽电极相比，使凹槽更宽和更深可以将性能进一步提高 36%，尽管需要更好的制造方法来证实这些发现。
“关键的下一步是进行制造研发，以开发可扩展的沟槽电极生产，”Spendelow 说。“从学术角度来看，我们希望继续探索沟槽电极设计的许多方面，但从实际角度来看，证明可制造性是关键。”科学家们在 5 月 25 日的《自然能源》杂志上详细介绍了他们的发现。
