质子交换膜电解槽中多孔传输层与两相流动态的协同机制及其高效制氢性能研究

为突破质子交换膜电解槽(PEMEC)商业化瓶颈，台湾元智大学燃料电池中心团队通过高速可视化技术系统研究了多孔传输层(PTL)对两相流动态的影响。研究发现钛基薄层液体/气体扩散层(TT-LGDL)可显著提升氧气泡管理效率，为开发低成本($2.5/kg H2 )制氢技术提供关键理论支撑。

　　

在全球碳中和背景下，氢能作为清洁能源载体正引发新一轮能源革命。质子交换膜电解槽(PEMEC)因其高纯度(99.99%)制氢能力被视为绿色氢能生产的核心技术，但当前每公斤氢气5-6美元的生产成本严重制约商业化进程。美国能源部数据显示，电解槽1500美元/千瓦的设备成本与间歇性可再生能源供电导致的"水荒"现象，共同构成主要技术瓶颈。问题的核心在于多孔传输层(PTL)材料——这个负责电子传导、热量传递和反应物输送的关键组件，其性能直接决定电解槽的能效与寿命。

台湾元智大学燃料电池中心Pandu Ranga Tirumalasetti等研究者在国际氢能期刊发表重要综述，通过整合高速显微可视化、X射线成像等先进技术，首次系统解析了PTL孔隙率、厚度等参数对两相流动态的影响机制。研究发现传统钛毡(Ti felt)PTL在电流密度超过2A/cm²
时会产生泰勒气泡堵塞微通道，而新型薄层钛基扩散层(TT-LGDL)能将气泡滞留时间缩短40%，使电解效率提升15%。研究团队建立的动态模型显示，优化后的PTL可使氢气生产成本逼近美国能源部设定的2.5美元/公斤目标值。

关键技术包括：(1)高速显微摄像捕捉微秒级O₂
气泡动态；(2)同步辐射X射线成像表征PTL孔隙结构；(3)电化学阻抗谱分析界面传输阻力；(4)对比测试商业Ti felt与自制TT-LGDL样品。

【Specifications of PEMEC】
通过对比现行与目标技术参数，指出将工作温度提升至90°C、寿命延长至8万小时是实现经济性目标的关键。

【On-site visualization】
中子成像揭示传统PTL中气泡聚集导致"死区"现象，而光学成像显示TT-LGDL能实现气泡快速脱离。

【Results and discussion】
识别出泡状流、塞状流等四种流型，证实电流密度超过1.5A/cm²
时会出现导致局部缺水的泰勒流。

【Comparison】
TT-LGDL比商业Ti felt减少53%的界面接触电阻，在2A/cm²
电流密度下电压降低200mV。

【Technological challenges】
指出PTL机械强度与传质效率的平衡难题，提出梯度孔隙结构设计解决方案。

该研究突破性地建立了PTL结构参数与电解性能的定量关系，为日本"200万辆氢燃料电池车"等国家战略提供技术支撑。特别是提出的TT-LGDL设计方案，通过调控50-200μm孔径分布，成功解决高电流密度下的气泡堵塞难题。这些发现不仅推动PEMEC技术向商业化迈进，也为其他电化学能源设备的两相流管理提供新范式。