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Asymmetric Interfacial Demulsification Creates Functional Wettability Gradients in Microporous Layers for PEM Fuel Cells

材料科学 润湿 质子交换膜燃料电池 微型多孔材料 各向异性 各向同性 化学工程 接触角 功率密度 膜 水运 膜电极组件 温度梯度 电极 同种类的 复合材料 磁导率 纳米技术 燃料电池 毛细管作用
作者
Aojie Zhang,Feng Cheng,Mengli Wang,Xuelin Wei,Rui Wang,Shengqiu Zhao,Junquan Chen,Tian Tian,Haolin Tang
出处
期刊:Advanced Functional Materials [Wiley]
卷期号:36 (83)
标识
DOI:10.1002/adfm.78262
摘要

ABSTRACT Precise regulation of coupled liquid‐water and gas transport in microporous layers (MPLs) remains a major barrier to robust proton exchange membrane fuel cell (PEMFC) operation across wide temperature and humidity windows. Here, we report a scalable asymmetric interfacial demulsification strategy for constructing MPLs with a continuous through‐thickness wettability gradient (Gi‐MPL). The Gi‐MPL integrates a more hydrophilic catalyst‐layer‐facing region with a hydrophobic bulk, thereby promoting directional water transport while preserving gas‐accessible pathways. Structural characterization reveals a clear sulfur‐content gradient across the MPL thickness, and transport measurements show anisotropic liquid‐water breakthrough behavior consistent with directional transport asymmetry. In membrane electrode assemblies, the Gi‐MPL substantially outperforms a homogeneous control MPL over a broad operating window. At 80°C, it delivers a peak power density of 2.2 W cm −2 and reduces the concentration‐polarization loss by approximately 80% at 3 A cm −2 . More notably, under harsh operation at 105°C, the Gi‐MPL also maintains a peak power density of 1.4 W cm −2 , together with a clear advantage in durability. Multiscale simulations further suggest that the wettability gradient enhances liquid‐water permeability under weak driving forces. These results establish through‐thickness wettability engineering as an effective materials strategy for high‐current‐density PEMFC operation.
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