综述：质子交换膜燃料电池商业化中微孔层设计的进展与挑战

这篇综述聚焦质子交换膜燃料电池（PEMFC）核心组件微孔层（MPL）的学术与工业研究进展，系统分析了其材料（如高维碳材料）、结构（颗粒堆积/纤维网络）、功能机制（水气管理、电子传导）及规模化挑战（疏水材料降解、成本控制），并展望了人工智能驱动可持续创新的未来方向，为加速PEMFC商业化提供关键洞见。

　　

微孔层（MPL）的结构与材料组成

作为质子交换膜燃料电池（PEMFC）气体扩散层（GDL）与催化剂层（CL）间的关键界面，MPL由导电材料（如炭黑、碳纳米管）和疏水粘结剂（如聚四氟乙烯PTFE）构成，形成颗粒堆积或纤维网络两种主流结构。高维碳材料（如石墨烯）因其高导电性和比表面积成为研究热点，而电纺纤维网络结构通过优化孔隙梯度显著提升水气传输效率。

功能机制与性能评估

MPL通过三重功能提升PEMFC性能：

1. 水管理：疏水/亲水梯度设计调控液态水与气态H₂
   O传输，避免阴极 flooding 或膜脱水；
2. 气体扩散：介观孔隙（~1μm）桥接GDL（~10μm）与CL（~0.1μm）的孔径差异，降低浓度极化（η_con
   ）；
3. 机械支撑：碳基骨架保护CL结构，减少接触电阻（η_ohm
   ）。性能测试显示，添加MPL的电池在0.6V工况下电流密度提升30%，且启动时间缩短50%。

工业化挑战与可持续创新

尽管SGL、Toray等企业已实现MPL-GDL商业化，但长期运行中PTFE降解、浆料涂布工艺的良品率（<80%）及高成本（占PEMFC总成本15%）仍是瓶颈。前沿研究提出生物基疏水剂和AI辅助孔隙优化作为解决方案，例如通过机器学习预测碳浆流变行为，将喷涂厚度误差控制在±2μm内。

未来方向

MPL发展需平衡性能与成本：

• 材料革新：开发非氟聚合物（如聚二甲基硅氧烷PDMS）增强耐久性；
• 制造升级：卷对卷（R2R）电纺技术实现连续生产；
• 跨学科融合：利用分子动力学模拟揭示水传输的纳米尺度机制。这些突破将推动PEMFC在交通、储能领域的广泛应用，助力全球碳中和目标。