PEM水电解槽中气体扩散层结构对催化剂利用率的异质性影响机制研究

本研究针对PEMWE（聚合物电解质膜水电解槽）中GDL（气体扩散层）结构简化导致催化剂利用率预测偏差的问题，通过建立三维多物理场模型，首次揭示了钛网GDL孔隙结构导致CL（催化剂层）仅45%区域有效参与OER（氧析出反应），并发现电流密度在GDL-CL接触边缘形成热点。该研究为优化GDL设计、提升电解槽效率提供了关键理论依据。

　　

氢能作为清洁能源载体，其绿色制备技术是碳中和战略的关键环节。聚合物电解质膜水电解槽(PEMWE)因响应速度快、产氢纯度高被视为主流技术，但长期面临催化剂利用率低、成本高昂的瓶颈。传统研究多将气体扩散层(GDL)简化为均质固体层，忽略了实际钛网结构的孔隙特征，导致对电流分布和催化剂活性位点利用的认知存在显著偏差。

为破解这一难题，新西兰奥克兰大学等机构的研究团队在《Next Energy》发表研究，通过构建包含真实GDL孔隙结构的三维多物理场模型，首次量化了钛网GDL对催化剂层(CL)电流分布的调控机制。研究采用COMSOL Multiphysics 6.2软件建立局部模型（2.3×3 mm），精确复现了实验室10W PEMWE（H-TEC Education E208）的GDL椭圆孔隙（270×150 μm）和流道结构。通过耦合Navier-Stokes方程、Brinkman方程、Butler-Volmer方程等理论框架，同步求解了流体动力学、电化学传质、热力学等多物理场过程，并采用周期性边界条件确保模型可扩展性。

模型开发与验证
通过网格独立性测试验证了2.25百万计算单元的可靠性。电流分布结果显示，电子在BPP（双极板）流道壁与GDL接触边缘形成局部热点（4倍平均密度），并在CL中维持"孔隙印记"——GDL实体接触区电流密度达12×10⁴
A/m²
，而孔隙对应区域接近零。这种异质性导致CL仅45%区域参与OER，与透明极板原位观测实验的氧泡分布规律高度吻合。

电子传输机制
三维电流矢量分析揭示了"电子挤压效应"：BPP电子流在流道壁边缘集中注入GDL，形成波状电流路径。尽管CL电导率(225 S/m)理论上应促进横向电子扩散，但孔隙区仍存在显著活化能垒。有趣的是，GDL孔隙率提升至70%时，虽然接触面积减少，但得益于增强的氧传质，总产氧率反而提高1.4%，挑战了传统"接触面积决定论"。

催化剂优化策略
模拟发现CL电导率提升至10,000 S/m会加剧流道壁下方的电流聚集，而移除孔隙对应区CL的"非均匀设计"使产氧率提升4.9%。这种反直觉现象源于：①消除低效催化剂区域降低内阻；②孔隙通道加速O₂
对流扩散，缓解了传统均质CL中因氧滞留导致的局部浓度极化。

该研究颠覆了PEMWE模拟中GDL均质化处理的传统范式，首次量化了孔隙结构导致的催化剂空间利用率差异。提出的非均匀CL设计理念，为降低膜电极(MEA)成本提供了新思路——通过精准匹配GDL孔隙布局优化CL涂布，可在减少20%铱用量的同时提升系统效率。研究建立的跨尺度模型框架，也为后续PTL（多孔传输层）结构优化、两相流模拟奠定了基础。这些发现对推进GW级电解槽设计具有重要指导价值，相关方法学已被拓展应用于固体氧化物电解槽(SOEC)的界面优化研究。