结构化多孔传输层增强毛细压力驱动气泡传输在PEM水电解中的应用研究

为解决质子交换膜水电解(PEMWE)中多孔传输层(PTL)气体传输效率低的问题，研究人员提出了一种新型毛细压力驱动PTL(CPD-PTL)，通过晶格玻尔兹曼(LB)模型和电解槽实验验证，该设计使2V电压下电流密度提升200%，显著降低生产成本，为大规模PEMWE应用提供新思路。

　　

随着可再生能源发电的间歇性问题日益突出，氢能作为绿色能源载体备受关注。质子交换膜水电解(PEMWE)因其高功率密度、高氢气纯度等优势成为主流制氢技术，但高昂的成本制约其规模化应用。其中，多孔传输层(PTL)的气泡阻塞问题导致高电流密度下传质效率骤降，成为制约电解槽性能提升的"卡脖子"难题。传统PTL采用随机分布的微孔结构，无法实现气泡的定向传输，而现有梯度孔隙或贯穿孔设计又难以协调毛细压力与流道方向的匹配。

针对这一挑战，浙江大学的研究团队创新性地提出毛细压力驱动PTL(CPD-PTL)概念，通过结构化孔隙设计调控表面张力梯度，实现气泡的定向输运。研究采用晶格玻尔兹曼(LB)方法建立三维D3Q19伪势模型，在NVIDIA GeForce RTX 3090 GPU上并行模拟气泡动力学行为，并结合自制电解槽实验验证。相关成果发表于《International Journal of Hydrogen Energy》。关键技术包括：1) 基于Guo力方案的LB多相流模拟；2) 梯度贯穿孔结构的参数化设计；3) 钛基PTL的真空等离子喷涂制备；4) 2V恒压条件下的极化曲线测试。

数值模拟结果显示：倒锥形孔隙(ICP)结构能产生显著表面张力梯度，气泡脱离频率较传统直孔(CP)提升3倍；当直径-高度比为0.75、倾斜角15°时，气泡传输速度达到最优。实验验证部分证实：CPD-PTL在2V电压下电流密度达商用PTL的3倍，且欧姆阻抗降低40%。机理分析揭示：结构化孔隙通过三相接触线重构产生不对称毛细压力，驱动气泡沿预设路径运动，有效避免电极表面覆盖。

该研究突破传统PTL设计的思维定式，首次实现毛细压力的定向调控。CPD-PTL不仅将生产成本降低至传统真空等离子喷涂工艺的1/5，更开创性地解决高电流密度(>6A/cm²
)下的气泡阻塞难题。这种仿生流体控制策略为下一代电解槽设计提供普适性方法，对推动绿氢产业降本增效具有里程碑意义。研究团队特别指出，该技术可与低铱催化剂、超薄膜电极等现有方案协同优化，进一步将制氢成本逼近2美元/kg的商业化临界点。