摘要：质子交换膜燃料电池（PEMFC）作为可持续且高效的能源技术，已获得广泛关注，其核心组件膜电极组件（MEA）因内部复杂的多相物理化学作用，决定了燃料电池的整体性能。其中，质子交换膜（PEM）在质子传导、气体分离及燃料电池整体效率方面发挥关键作用。

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一、研究背景与意义

1. 质子交换膜燃料电池（PEMFC）的重要地位

质子交换膜燃料电池（PEMFC）作为可持续且高效的能源技术，已获得广泛关注，其核心组件膜电极组件（MEA）因内部复杂的多相物理化学作用，决定了燃料电池的整体性能。其中，质子交换膜（PEM）在质子传导、气体分离及燃料电池整体效率方面发挥关键作用。

2. 现有技术存在的问题

传统制备方法局限：目前 PEM 制备仍以溶液浇铸法为主，虽简单且成本低，但难以实现均匀厚度，也难以控制微观结构，直接影响膜性能。同时，聚合物交联、接枝等改性技术尚未能在实际应用中展现出稳定性能和长期稳定性。

高温质子交换膜（HT-PEM）的特殊问题：高温质子交换膜燃料电池（HT-PEMFC）虽具有无需复杂水管理系统、耐受不纯氢燃料、可整合废热等优势，但其使用的磷酸（PA）掺杂 PEM 存在长期运行中 PA 流失问题，会导致催化剂层（CL）降解和燃料电池效率下降。

电纺纳米纤维膜（NFM）的潜力与不足：电纺技术可制备高孔隙率、均匀网状结构的纳米纤维膜，在气体分离、海水淡化等领域应用广泛，也为 PEMFC 提供了可能。其高孔隙率利于质子传输，大比表面积有助于有效三相界面（TPB）形成，但在 PEMFC 中的实际应用尚未充分验证，对性能的具体贡献仍需深入研究。

3. 研究意义

本研究通过开发表面改性纳米纤维膜及三明治结构纳米纤维膜，旨在解决传统 PEM 的氢渗透、磷酸流失、界面稳定性差等问题，为 HT-PEMFC 提供高性能、高稳定性的膜材料方案，推动其在固定能源、便携式设备及重型车辆等领域的应用，助力可持续能源转型。

二、核心研究内容与创新点

1. 主要研究内容

纳米纤维膜（NFM）的制备与表面改性：采用电纺技术制备纯聚苯并咪唑（PBI）纳米纤维膜，通过喷涂不同浓度的二甲基乙酰胺（DMAc）溶液对其进行表面改性，研究改性后膜的结构、机械性能、磷酸吸附与保留能力及电化学性能。

三明治结构纳米纤维膜（SSNFM）的设计与制备：将溶液浇铸 PBI 膜（SCM）作为中间层，两侧覆盖表面改性的 NFM-10% DMAc，通过高温高压热压制备 SSNFM，研究其阻氢性能、质子传导性能、耐久性及在 HT-PEMFC 中的整体性能。

材料表征与性能测试：运用扫描电子显微镜（SEM）、热重分析（TGA）、Brunauer-Emmett-Teller（BET）比表面积分析、傅里叶变换红外光谱（FT-IR）、X 射线计算机断层扫描（X 射线 CT）等表征手段分析膜的微观结构、热稳定性、表面特性及三维结构；通过线性扫描伏安法（LSV）、极化曲线、电化学阻抗谱（EIS）、加速应力测试（AST）等评估膜的电化学性能与耐久性。

多相多物理场模拟：利用 COMSOL 软件进行多相多物理场模拟，分析不同膜结构下 MEA 内的气体扩散、水分分布、电流密度分布及电化学反应区域，探究膜结构对燃料电池性能的影响机制。

2. 核心创新点

表面改性优化 NFM 性能：通过调控 DMAc 浓度实现 NFM 孔径的精准控制，平衡膜的氢渗透阻力、磷酸保留能力与机械强度，解决了传统 NFM 多孔结构导致的氢渗透严重和机械稳定性差的问题。

三明治结构设计：创新设计的 SSNFM 结合了中间 SCM 层的致密阻氢特性与两侧 NFM-10% DMAc 的高比表面积和高磷酸吸附能力，同时优化了膜与催化剂层的界面接触，显著提升了膜的综合性能与耐久性。

多尺度表征与模拟结合：将 X 射线 CT 三维结构表征与 COMSOL 多相模拟相结合，从微观结构到宏观性能，深入揭示了膜结构与性能之间的内在联系，为膜材料的设计与优化提供了理论支撑。

三、关键实验结果与分析

1. 表面改性 NFM 的性能

（1）结构与形态变化

电纺制备的 PBI NFM 垫中纳米纤维厚度范围为几纳米到几百纳米。当在 NFM 表面喷涂低浓度 DMAc 溶液后，细纳米纤维溶解，经真空烘箱热处理后交叉连接，在 NFM 上形成具有复杂网状结构的纤维网络。

随着 DMAc 溶液浓度升高，更多细纳米纤维溶解，NFM 表面孔径减小。当使用 15% DMAc 溶剂处理 NFM（NFM-15% DMAc）时，细纳米纤维完全溶解，表面无明显孔隙，这种互联结构显著提高了表面改性 NFM 的机械强度。

（2）机械性能

NFM-15% DMAc 的拉伸强度是原始 NFM 的 10 倍，这归因于其表面形成的致密互联结构，增强了膜的抗拉伸能力，为膜在燃料电池运行过程中承受机械压力提供了保障。

（3）比表面积与孔隙结构

BET 比表面积分析显示，在表面改性的 NFM 中，NFM-10% DMAc（10% DMAc 处理的 NFM）由于表面分布有更多小微米孔，表现出最高的比表面积，这有利于增加膜与磷酸的接触面积，提升磷酸吸附能力，同时也为质子传输提供更多通道。

BJH 吸附孔分布表明，NFM-10% DMAc 上小于 100 Å 的微孔比例更高，这种微孔结构有助于限制磷酸的流失，同时促进质子的传导。

（4）磷酸吸附与保留能力

磷酸（PA）作为优良的质子导体，其在 NFM 膜中的掺杂量直接影响燃料电池的质子传导率。原始 NFM 由于多孔结构具有更大空间，酸掺杂水平（ADL）最高（54.41 mol），但这种开放结构导致其在掺杂过量酸时机械稳定性低于商用 PBI 膜，且在燃料电池运行过程中会发生严重的 PA 损失。

表面改性的 NFM（如 NFM-5% DMAc 的 ADL 为 27.14 mol，NFM-10% DMAc 的 ADL 为 15.30 mol）仍表现出出色的磷酸掺杂能力，远高于商用 PBI 膜（ADL 为 9.23 mol）。

PA 接触角测试显示，NFM-5% DMAc 和 NFM-10% DMAc 在酸滴加到膜表面后 2 秒内接触角迅速下降，表明它们具有优异的 PA 吸收能力。

FT-IR 分析显示，表面改性的 NFM 膜中羰基伸缩峰更宽且向高波数偏移，表明膜与 PA 之间的氢键作用增强，这有助于提高 PA 的保留能力，减少运行过程中的 PA 流失，从而维持稳定的质子传导性能。

2. 表面改性 NFM MEA 的电化学性能

（1）氢渗透与磷酸流失

氢渗透是氢气从阳极通过燃料电池膜扩散到阴极的不良现象，会降低燃料利用率；磷酸流失则导致膜的质子传导率下降和催化活性位点减少，这些问题因 NFM 固有的开放多孔表面结构而限制了其在 HT-PEMFC 中的应用。

膜的孔径大小影响 NFM 膜中的氢渗透和 PA 迁移，较窄的孔径可减少氢渗透和 PA 流失的机会。例如，NFM-15% DMAc 表面光滑无孔，能有效阻挡氢渗透和 PA 损失，但这种平坦表面设计导致比表面积减小，膜与催化剂的接触位点减少，限制了有效三相界面（TPB）的形成。

相反，NFM-10% DMAc 表面的复杂网状结构具有更高的比表面积，有利于生成更多活性 TPB。在燃料电池夹具加热至 160℃过程中，NFM-5% DMAc 的开路电压（OCV）低于其他 NFM MEA，表明其氢渗透更严重，燃料利用率更低。

LSV 曲线进一步证实，AST 前 NFM-5% DMAc、NFM-10% DMAc、NFM-15% DMAc 的氢渗透速率存在差异，通过在 NFM 表面形成更复杂的网状结构，可显著降低氢渗透；AST 100 小时后，这些值进一步降低，这归因于 AST 过程中高温燃料电池系统中持续的机械压力导致 NFM 结构压缩变薄（后续 CT 扫描结果证实）。

然而，膜压缩也可能带来潜在弊端：一方面，膜厚度减小可能限制整体 PA 储存能力，在长期运行中加速 PA 损失（若压缩超出测试的 AST 范围，尽管膜对 PA 亲和力高，但其保留 PA 的体积会减少）；另一方面，适度压缩可能增强有效 TPB 的形成，但过度致密化会降低纤维膜的表面粗糙度和界面复杂性，导致 NFM 逐渐失去独特的纳米纤维特性，表现更接近传统溶液浇铸膜，最终损害长期电化学性能。

（2）极化曲线与峰值功率密度

NFM-5% DMAc、NFM-10% DMAc、NFM-15% DMAc MEA 在 100 小时 AST 过程中的极化曲线，所有 NFM MEA 在 AST 前后的峰值功率密度均高于商用 PBI MEA，这得益于更高的 ADL 和增强的 TPB 相互作用。

在处理过的膜中，NFM-10% DMAc MEA 在 AST 前表现出最高的峰值功率密度，比商用 PBI MEA（717 mW/cm²）提高了 34%。

对 NFM-10% DMAc 进行的额外 PA - 湿度耦合条件测试表明，长时间 PA 掺杂会降低拉伸应力（可能因酸吸收增加损害膜的机械完整性），而暴露于水蒸气（模拟湿度）则会增加拉伸应力（表明部分 PA 从膜中迁移出来，减少了增塑作用并略微恢复了刚度）。

AST 旨在模拟加速老化过程的苛刻条件，以评估燃料电池的耐久性和性能稳定性。在 AST 过程中，施加的电位循环导致 PA 从高浓度区域迁移到低浓度区域，使 NFM-10% DMAc 的峰值功率密度在 100 小时后降至 657 mW，但 AST 后的峰值功率密度仍远高于商用 PBI MEA。

NFM-15% DMAc MEA 虽然初始峰值功率密度较低（837 mW/cm²），但由于其能减轻 PA 流失，在 AST 过程中表现出更优异的抗性能下降能力，特别是从第 10 个循环到 AST 结束（约 40 小时后），其性能下降极小，仅降低了特定值。

（3）长期耐久性

100 小时连续 AST 曲线，突出了 NFM MEA 和商用 PBI MEA 在 OCV 以及 0.6 A 和特定电流密度下的性能变化；50 小时 AST 的详细电压变化，进一步证实 NFM MEA 始终表现出比商用 PBI MEA 更优异的性能和长期耐久性。

总体而言，NFM-15% DMAc MEA 保持最高的 OCV，而 NFM-10% DMAc MEA 在 AST 期间特定电流密度下表现出更优异的电压输出。电压下降的详细趋势以及计算的相应电压降解率证实了 NFM MEA 出色的稳定性和耐久性，在特定电流密度下，NFM-5% DMAc、NFM-10% DMAc、NFM-15% DMAc MEA 的电压降解率分别为 0.68%、0.94% 和 1.78%，均远低于商用 PBI MEA 的 7.42%。

（4）电化学阻抗谱（EIS）分析

EIS 可揭示燃料电池的关键电化学特性，包括质子传导率、电荷转移电阻和传质行为，为性能和耐久性优化提供重要依据（39）。Nyquist 图展示了商用 PBI MEA 和 NFM MEA 在 100 小时 AST 前后的电化学特性，拟合所用的等效电路模型。

所有 NFM MEA 的 Nyquist 图均显示出两个明显的半圆，分别对应阳极（高频区）和阴极（低频区）的电荷转移电阻和传质电阻；而商用 PBI MEA 则显示出一个大的半圆，表明这些过程之间的区分度较低。

这种差异归因于 NFM 独特的 3D 多孔结构和纤维形态，在膜与两侧 CL 之间形成了定义明确且空间分离的界面，改善的界面区分度使阳极和阴极的响应在电化学上更易分辨；相反，商用 PBI 膜可能与 CL 形成更均匀且相互渗透的界面，导致阻抗特征在频域上重叠，形成单个宽半圆。

需要注意的是，在本研究的 EIS 条件下（3 A 恒定直流电流和 0.1 A 正弦交流电流），传质电阻只能在极低频范围（通常低于 1 Hz）准确记录（40, 41），因此在该设置中区分电荷转移电阻和传质电阻具有挑战性。

NFM MEA 的初始欧姆电阻（NFM-5% DMAc 为 85 毫欧，NFM-10% DMAc 为 64 毫欧，NFM-15% DMAc 为 81 毫欧）显著低于商用 PBI MEA（120 毫欧），表明其质子传导性更好。

AST 后，商用 PBI MEA 的电荷转移和传质电阻总和从 118 毫欧大幅增加到 170 毫欧，反映出 CL 严重降解（可能因 PA 流失和层间接触不良）；而 NFM MEA 的增加量极小，表明其有效缓解了这些问题。

在 NFM MEA 中，NFM-10% DMAc 在 AST 前后均表现出最低的和，证实其在 AST 条件下具有更优异的初始性能和长期稳定性。

3. 表面改性 NFM MEA 的形态与孔隙分析

（1）MEA 三维结构与组件分布

为研究不同膜结构对 MEA 形态和后续组件迁移的影响，采用 X 射线 CT 技术。图 3 展示了 100 小时 AST 后基于不同膜的 MEA 的代表性 3D 结构，通过分割提取出膜、CL 和孔隙的 3D 结构，其余组件统称为混合相（包括碳纤维、炭黑、粘结剂和 PA）。

由于 PA 中磷的原子序数高于水中常见元素，因此在 X 射线 CT 成像中可检测到 PA；虽然无法根据灰度强度完全单独分离 PA，但可通过混合相和孔隙分布的变化推断 PA 流失程度（4）。

图 3A 显示，基于不同膜的 MEA 表现出不同特征：商用 PBI 膜构建的 MEA 中 CL 迁移明显，结构紊乱；而 NFM 膜的 MEA 保持 CL 定义明确的层状结构，厚度相对均匀。这表明 NFM 膜能有效缓冲机械压力、气流和 PA 流失对 CL 造成的结构破坏，从而保持 MEA 的整体形态。

经不同浓度 DMAc 处理的 NFM 表现出显著的性能差异：基于 NFM-5% DMAc 膜的 MEA 中 CL 与膜之间的附着力优异；但随着表面处理中 DMAc 浓度的增加，CL 与膜之间的附着力略有下降，这凸显了 NFM 的缓冲作用，其有助于膜与 CL 之间的有效接触，从而提升 MEA 的结构稳定性和性能。

尽管表明 NFM 表面处理中 DMAc 含量增加会提高膜 - CL 分层的可能性，但对图 3A（d）中灰度放大图的仔细观察发现，基于 NFM-15% DMAc 膜的 MEA 横截面在膜与 CL 之间存在局部分离，而 NFM-15% DMAc 的独特特性减轻了这种分离的影响。

该膜精细调节的 PA 亲和力，结合膜 - 催化剂和膜表面界面的毛细管作用，使得 PA 连接能够桥接膜与 CL 之间的间隙，这种 PA 桥接现象（在图 3A（d）中表现为膜与 CL 之间的灰度连接）表明尽管存在局部分层，但仍保留了离子通道。

虽然这种部分分离的界面可能引发对机械稳定性的担忧，但间隙中 PA 的存在可能维持质子传导并减轻性能损失（4）；然而，这种结构在长期循环下也可能存在风险（如 PA 重新分布或蒸发），可能影响长期耐久性。

值得注意的是，在基于传统 PBI 膜的 MEA 中未观察到这种 PA 桥接行为，突显了 NFM-15% DMAc 系统独特的界面特性。

（2）孔隙率与渗透性

基于 CT 图像的孔隙网络和绝对渗透性模拟揭示了基于不同膜的 MEA 的孔隙率和渗透性。基于 NFM 的 MEA 的渗透性和孔隙率显著高于使用商用 PBI 膜的 MEA，且渗透性在一定程度上与孔隙率呈正相关。

此外，随着更多 DMAc 参与 NFM 表面改性，孔隙率和渗透性逐渐提高，这些变化可能与 PA 等组件的迁移有关。通过分析组件的逐层面积分数可进一步验证这一假设：与基于商用 PBI 膜的 MEA 相比，基于 NFM 膜的 MEA 中的混合相更集中在膜中心附近（在 ±50 层附近差异显著）。

此外，对基于 NFM 的 MEA 的比较显示，在阳极和阴极的 ±100 至 ±250 层区域之间，随着 DMAc 含量从 5% 增加到 15%，混合相含量逐渐减少，这种混合相的变化主要归因于 PA 的迁移以及随之而来的其他组件的重新分布。

尽管基于 NFM-15% DMAc 的 MEA 中组件迁移对气体扩散介质渗透性的负面影响相对较小，但如前所述，该系统中膜与 CL 之间分层的可能性增加仍值得关注。

NFM-15% DMAc 系统的混合相分布显示，在 25 层附近观察到混合相的小峰值，表明膜与 CL 之间的某些区域填充了混合相。这些发现表明，处理过程中 DMAc 含量的变化对气体扩散和膜 - 催化剂相互作用具有不同影响，因此需要对这两个因素进行平衡优化，这种双重影响也解释了基于不同 NFM 膜的 MEA 在性能和 EIS 结果上的差异。

4. SSNFM MEA 的性能与分析

（1）SSNFM 的结构优势与氢渗透控制

NFM-10% DMAc 的优异性能使其成为 HT-PEMFC 中极具潜力的 PEM，但其多孔结构仍存在氢渗透问题，限制了性能的进一步提升。为此，开发了 SSNFM，其由两层 NFM-10% DMAc 夹在中心的 SCM 组成，三层膜经高温高压热压形成创新的三明治结构。

致密的 SCM 层充当氢渗透屏障，而 NFM-10% DMAc 层为电化学反应提供丰富的活性位点。PA 掺杂后，使用 Gamry 恒电位仪（带增压器）评估 SSNFM MEA 的电化学性能。

SSNFM 的初始 OCV（约 1.0 V）显著高于 NFM-10% DMAc（约 0.7 V），且与商用 PBI MEA 相当，表明其氢渗透大幅减少，这一改进通过图 S10 中的 LSV 结果进一步验证。

（2）极化曲线与峰值功率密度

极化曲线表明，AST 前后 SSNFM MEA 的峰值功率密度均有所提升，SSNFM MEA 在 100 小时 AST 后性能反而提高，峰值功率密度从 895 提升至 942 mW/cm²。

这种反直觉现象表明可能存在运行中激活效应，推测 AST 期间的高温运行条件导致 SSNFM 轻微压缩和致密化，从而增强了膜 - 电极界面接触并降低了界面电阻；此外，PA 的重新分布和稳定可能促进形成更连续的质子传导网络（尤其是在结构精细的 CL - 膜界面）（17）。

NFM 层的纤维结构进一步增强了机械适应性，确保更好地保留 TPB 完整性和催化剂可及性，这些综合效应共同促进了质子传输和氧还原动力学的改善，从而解释了观察到的 AST 后性能提升。

在相同温度和气体进料速率下，SSNFM MEA 在特定条件下的性能稳定性，在整个 100 小时 AST 过程中，SSNFM MEA 保持了更高且更稳定的峰值功率密度和电压输出，而商用 PBI MEA 在 48 小时前就表现出快速降解并未能完成整个 AST。这些结果证实了 SSNFM 强大的氧传输能力及其在重型车辆应用中的实际潜力。

（3）电化学阻抗与耐久性

Nyquist 图显示，无论 AST 前后，SSNFM MEA 的欧姆电阻都显著较低，这归因于其充足的 PA 储存能力和改善的 CL - 膜接触。

与商用 PBI MEA（118 毫欧）相比，SSNFM MEA 初始的电荷转移和传质电阻总和略高（129 毫欧），这可能归因于高压组装条件将膜中过量的 PA 挤出到 CL 中。

然而，AST 后，SSNFM 的仅小幅增加到 148 毫欧，而商用 PBI MEA 则增加到 170 毫欧，表明 SSNFM 在减轻 PA 流失方面具有更优异的能力。

这种改进的耐久性归因于其显著更高的初始 PA 含量和更好的保留率（AST 后特定值；保留率 92.7%），相比之下，商用 PBI MEA 的 PA 保留率为 79.3%。

100 小时 AST 结果强调了 SSNFM MEA 卓越的性能稳定性，与 NFM-10% DMAc MEA 相比，SSNFM 表现出显著改善的 OCV 和在循环电流密度下更高的电压输出。

17 个 AST 循环中的电压曲线显示 OCV 稳步上升，且在 0.6 和特定循环电流密度下电压降解极小。SSNFM MEA 在特定电流密度下的电压降解率仅为 1.81%，远低于商用 PBI MEA（11.4%）和 NFM-10% DMAc MEA（6.32%）。

性能比较进一步证实了 SSNFM 出色的稳定性和性能，其优于文献中报道的许多基于 PBI 的膜。

（4）SSNFM MEA 的结构变化与界面特性

通过 X 射线 CT 扫描 SSNFM 膜基 MEA 的 3D 结构，进一步研究了 SSNFM 与 NFM 的差异。AST 前，基于 SSNFM 的新鲜 MEA 中 NFM 和 SCM 层之间分层清晰，且 NFM 和 SCM 能实现优异的附着力；AST 后，在施加压力下膜变薄，这种分层特征不再明显，NFM 和 SCM 表现出更好的整合性，同时两侧的 NFM 层继续在膜与 CL 之间提供有效缓冲，使得膜与 CL 之间具有优异的附着力。

5. 不同 MEA 的多相多物理场模拟分析

（1）模拟结果与实验结果的对比

电化学测试表明，基于商用 PBI 膜、NFM 和 SSNFM 的 MEA 之间的性能差异在很大程度上受到氢渗透的影响。为了在排除氢渗透影响的情况下研究不同膜对 MEA 电化学过程的影响，使用 COMSOL 进行了多相多物理场模拟，生成了极化曲线和功率密度曲线。

结果表明，氢渗透并非影响性能的唯一因素。模拟的电化学性能是通过分析不同电压下电解质和电极上的电位和电流分布得出的；此外，包含气体摩尔分数和水分分布等过程的多相多物理场框架将在以下部分详细阐述。

尽管模拟的电化学性能与实验结果不完全一致，但相对趋势一致，这表明 SSNFM 相比 NFM-10% DMAc 在 MEA 中性能的提升不仅归因于其在减轻氢渗透方面的改进，还与其对 MEA 内多相多物理场过程的影响有关。

此外，模拟性能略低于实验测量性能，这是因为为了更清晰地展示结构变化对 MEA 内氧摩尔分数的影响，模拟中阴极进气使用空气而非纯氧，这一点将在以下部分详细说明。

（2）电流密度与电位分布

对基于不同膜的 MEA 进行多相多物理场模拟的对比可视化，有助于深入了解驱动电化学性能差异的机制。膜区域附近电解质和电极电流向量的分布以及电位情况。

基于商用 PBI 膜的 MEA 在 AST 后 CL 结构严重降解，导致其电极电流密度显著低于基于 NFM-10% DMAc 和 SSNFM 的 MEA；基于 NFM-10% DMAc 的 MEA 具有更均匀的膜和催化剂结构，因此电解质和电极上的电流密度分布相应更规则；而基于 SSNFM 的 MEA 通过独特机制实现了性能提升。

在基于 SSNFM 的 MEA 中，膜 - 催化剂界面处由压缩引起的曲率变化不仅维持了膜与催化剂之间的强附着力，还扩大了电解质、催化剂和气体的三相界面（TPB），这种扩大的 TPB 为质子传输创造了额外路径（以电流密度向量表示）。

基于 SSNFM 的 MEA 中电解质电流向量分布更广泛，这一现象突显了其优异的性能潜力。

（3）气体摩尔分数与水分分布

先前的渗透性模拟表明，基于 NFM-10% DMAc 的 MEA 的电极渗透性优于基于 PBI 的 MEA，因此基于 NFM-10% DMAc 的 MEA 的 CL 区域中氧摩尔分数高于基于 PBI 的 MEA，从而降低了传质阻力。

然而，尽管电化学性能有所改善，基于 SSNFM 的 MEA 在 CL 区域中的氧摩尔分数也较低，这一现象需要结合电流向量分布和水分分布进行综合分析。

AST 后基于 PBI 的 MEA 的 CL 结构遭受局部损坏，基于 PBI 的 MEA 阴极中电流密度向量存在区域集中现象，导致局部水分积累，进而影响这些区域的氧摩尔分数。

相反，基于 SSNFM 的 MEA 中电流密度向量分布更均匀且广泛，表明整体反应活性更高，这也导致产生更多水分（基于 SSNFM 的 MEA 阴极中整体水分含量更高）。

因此，基于 SSNFM 的 MEA 阴极中氧摩尔分数较低是反应消耗的氧更多和生成的水分增加共同作用的结果，这一行为突显了基于 SSNFM 的 MEA 中催化剂区域内 TPB 的优化，为其优异性能做出了贡献。

四、结论

本研究成功开发了表面改性纳米纤维膜（NFM）和三明治结构纳米纤维膜（SSNFM），有效解决了高温质子交换膜燃料电池（HT-PEMFC）中传统聚苯并咪唑（PBI）膜存在的氢渗透严重、磷酸（PA）流失、催化剂层（CL）降解及界面稳定性差等问题。

表面改性的 NFM 通过调控二甲基乙酰胺（DMAc）浓度，实现了孔径的精准控制，平衡了膜的氢渗透阻力、PA 保留能力与机械强度。其中，NFM-10% DMAc 表现出优异的综合性能，其酸掺杂水平（ADL）远高于商用 PBI 膜，且具有较高的比表面积和良好的机械稳定性。

创新设计的 SSNFM 结合了中间溶液浇铸膜（SCM）的致密阻氢特性与两侧 NFM-10% DMAc 的高活性位点优势，显著提升了膜的抗氢渗透能力和质子传导性能。经 100 小时加速应力测试（AST）后，SSNFM 的峰值功率密度仍高达 942 mW/cm²，远高于商用 PBI 膜（717 mW/cm²），且 PA 保留率达 92.7%，电压降解率仅为 1.81%，远低于商用 PBI 膜的 11.4%。

通过 X 射线计算机断层扫描（X 射线 CT）和 COMSOL 多相多物理场模拟，深入揭示了膜结构与性能之间的内在联系。结果表明，NFM 和 SSNFM 能有效缓冲机械压力，维持 CL 的层状结构，优化膜与 CL 的界面接触，促进三相界面（TPB）的形成与稳定，从而提升 MEA 的整体性能与耐久性。

本研究为 HT-PEMFC 提供了高性能、高稳定性的膜材料方案，其开发的膜材料在固定能源、便携式设备及重型车辆等领域具有广阔的应用前景，同时也为高性能燃料电池膜材料的设计与优化提供了新的思路和方法，助力可持续能源转型和下一代能源转换技术的实际应用。

参考文献：

Heng Zhai et al. Nanofiber membranes for enhanced performance and optimization of proton exchange membrane fuel cells. Sci. Adv.11, eadw5747(2025).

来源：知识泥土六二三