英文原题：Improving the Cold-Start Performance of Proton Exchange Membrane Fuel Cells via Precision Engineering of Key Materials

通讯作者：傅晓阳（北京大学），赵紫鹏（北京理工大学）

作者：Zhiyuan Ge (葛志远), Shuying Xu (徐淑莹)

研究背景：

质子交换膜燃料电池（PEMFC）作为一种高效、零排放的能源转换技术，在交通、固定发电和太空探索等领域具有广泛应用潜力。然而，PEMFCs在低温环境下的冷启动性能是其商业化面临的主要挑战之一。当温度低于冰点时，反应生成的水会结冰，堵塞气体传输通道，覆盖活性位点，甚至因体积膨胀导致内部结构损坏，从而阻碍PEMFC的正常启动和运行。尽管已有研究通过系统设计或操作过程优化（如停机后优化和预热启动改进）来提升冷启动性能，但这些方法存在能耗高、系统复杂、成本增加等局限性。因此，从关键材料工程的角度出发，通过精确调控质子交换膜、催化剂层、微孔层和气体扩散层的性能，开发简单且节能的解决方案，成为提升PEMFC冷启动性能的研究重点。

图1. 通过调控膜电极不同组件来提高冷启动性能的示意图

内容介绍：

近日，北京大学傅晓阳研究员与北京理工大学赵紫鹏教授在Precision Chemistry上发表了通过关键材料精准调控提高质子交换膜燃料电池(PEMFC)冷启动性能的综述文章。本文通过从关键材料工程的角度回顾了PEMFC冷启动的最新进展，详细总结了调控质子交换膜（PEM）、催化层、微孔层（MPL）和气体扩散层（GDL）中的关键材料特性如何影响冷启动性能，并进一步分析了提高冷启动性能的作用机制。例如，PEM通过吸收水并将其转化为结合水，减少冰的形成，较低初始含水量可提高吸水能力；催化层中碳载体的疏水性、孔隙结构和厚度影响过冷水的传输和冰的存储能力，离聚物含量需要平衡吸水能力和孔隙结构，以优化冷启动性能；MPL/GDL通过调控疏水性和孔隙结构，延长过冷水的存在时间并促进其快速移除，避免冰的堵塞。通过精确调节这些关键部件，有望开发简单且节能的解决方案来提高PEMFC的冷启动性能。

图2. 不同材料提升PEMFC冷启动性能的作用机制:（a）增强PEM对水的吸收以减少冰的形成；（b）改变输水通道的亲疏水性增强水的排出；（c）减小疏水通道的孔隙尺寸防止水的冻结。

总结/展望：

本文最后总结了通过关键材料工程提升PEMFC冷启动性能的具体方法，并对这些方法的经济效益以及对PEMFC生命周期的影响进行了评估。此外，本文同时指出未来研究需从多维度突破现有局限，例如机理层面的探索，新型材料的开发，冷启动与标准工况性能的平衡，实验与模型的深度融合，以及人工智能的赋能。

Cite this: Ge, Z.; Xu, S.; Fu, X.; Zhao, Z. Improving the Cold-Start Performance of Proton Exchange Membrane Fuel Cells via Precision Engineering of Key Materials. Precision Chemistry 2025. https://doi.org/10.1021/prechem.4c00079.