随着全球能源体系向低碳化和氢能转型，质子交换膜燃料电池（PEMFC）被认为是实现高效清洁能源利用的重要技术之一。然而，在实际运行过程中，燃料电池仍然面临欧姆极化、传质极化以及催化效率不足等问题，这些因素共同制约了其性能提升与规模化应用。在传统设计中，微孔层（Microporous Layer, MPL）通常被视为气体扩散层中的辅助传质结构，其作用主要集中在气体输运和水管理，而MPL在电极界面中的潜在调控作用仍缺乏系统研究。

近日，北京化工大学刘勇团队在复合材料领域Top期刊 Composites Part B: Engineering 发表题为“3D Spatial and Confinement Effects in Acetylene-Black@PVP-Carbon Nanofibers for Mitigating Polarization in PEMFCs” 的研究论文。研究团队通过静电纺丝技术构建了一种核壳结构碳纳米纤维微孔层（ACET@PVP-CNF），提出了“3D空间效应（3D Spatial Effect）”与“限域效应（Confinement Effect）”协同调控的新机制，为燃料电池微孔层结构设计提供了新的思路。

图 1 图文摘要

研究中，乙炔黑（ACET）作为核心提供导电骨架，PVP衍生碳形成纤维外壳，在高温碳化过程中构建出具有多尺度孔结构的三维纤维网络。该结构在微观上形成类似神经网络“突触连接”的导电通道，并建立起连续的气体与水传输路径。研究团队将这一结构特征定义为3D空间效应，它能够同时优化电子传输、气体扩散与水管理，从而显著缓解燃料电池中的欧姆极化和传质极化。

图 2 微孔层微观结构示意图

与此同时，碳化过程中形成的含氮和含氧官能团能够在催化剂周围形成限域效应，稳定Pt纳米颗粒并优化CL-MPL界面的反应微环境。结构与表面化学的协同调控，使燃料电池在高电流密度下仍保持稳定输出。在 0% RH 无外部增湿条件下，该微孔层显著降低了欧姆阻抗和传质极化，并有效提升了氧还原反应（ORR）效率。

该研究表明，微孔层不仅是被动的传质层，更是能够主动调控电极界面微环境的关键材料。通过对占燃料电池系统成本不足10%的MPL结构进行工程化设计，有望显著提升燃料电池整体性能，并为未来低Pt甚至超低Pt燃料电池的开发提供新的设计思路。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2026.113561

北京化工大学刘勇实验室介绍

实验室目前的研究方向主要包括，新能源材料、生物医用高分子材料、特种功能高分子材料等。团队负责人刘勇教授先后承担了国家自然科学基金、科技部、教育部、北京市等一系列省部级项目及企业合作课题。迄今发表期刊文章240多篇，出版专著7部，著作章节2章，获授权中外专利70项，其中转让19项。是Renewable and Sustainable Energy Reviews (IF 15.9)等三个国际期刊的特刊主编。

实验室现有博士后2人、博士研究生10人、硕士研究生20人，并积极招收硕士、博士、博士后，有意愿的同学请访问北京化工大学官方网站，了解招生资讯。

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刘勇教授：yongliu@mail.buct.edu.cn