综述：质子交换膜水电解槽多孔传输层

本综述系统探讨了质子交换膜水电解槽（PEMWE）中多孔传输层（PTL）的关键作用与发展趋势。文章重点分析了钛基多孔传输层（Ti-PTLs）在强酸性、高电位及富氧环境下的腐蚀机制与性能优化策略，涵盖孔隙结构设计、表面涂层技术（如溅射沉积）及低成本替代材料（如不锈钢）的研究进展。同时提出通过工程化创新提升催化剂利用率、支持高电流密度与薄膜化设计，以推动PEM电解槽成本降低与商业化进程。

　　

设计需求与核心挑战

多孔传输层（PTL）是质子交换膜水电解槽（PEMWE）的核心组件，需在强酸性（pH≈2）、高氧浓度及阳极电位（>1.6 V）的苛刻环境下稳定运行。其核心功能包括支撑膜电极（MEA）、维持水气传输通道、降低欧姆电阻，并需兼具高电子导电性、机械强度与腐蚀稳定性。钛基材料（Ti-PTLs）因优异的耐腐蚀性与导电性成为主流选择，但高昂成本与贵金属涂层（如Pt、Ir）的依赖限制了其大规模应用。

结构类型与性能关联

PTL的孔隙率、孔径分布及孔道连通性显著影响质量传输与界面接触电阻。常见结构包括网状（Mesh）、毡状（Felt）、烧结板（Sintered Sheet）及可调薄层（Thin/Tunable PTL）。网状结构孔隙率高但机械支撑弱，烧结板强度高却可能限制气体逸出。优化策略包括调控孔隙率（通常需>40%）以平衡水输送与气体排出，并通过表面改性（如亲疏水涂层）调节三相边界行为。

涂层技术与低成本替代

为提升Ti-PTLs的耐久性，贵金属涂层（如Au、Pt）通过溅射（Sputtering）或电沉积技术施加，可显著降低界面电阻并抑制钝化层形成。然而，贵金属资源稀缺性推动了对非钛替代材料的研究，例如不锈钢表面改性涂层（如TiN、Nb₂O₅）虽成本较低，但长期稳定性仍需验证。薄膜沉积技术（如原子层沉积ALD）可实现纳米级涂层均匀覆盖，减少贵金属用量。

运行条件的影响

操作压力、温度与电流密度直接调控PTL性能。高压运行（>30 bar）可提升氢气产出效率，但加剧气体跨膜渗透与材料机械应力；高温（>80°C）加速反应动力学却可能加速腐蚀；高电流密度（>3 A/cm²）下，气体堵塞风险显著增加，需通过优化孔道结构避免局部热点与浓度极化。

结论与展望

PTL的理性设计需协同材料学、电化学与工程学创新。未来重点包括开发低成本高耐久性涂层、构建梯度孔隙结构以适配高电流密度运行、推进薄层化PTL以支持超薄膜应用，并通过多尺度模拟指导结构优化。这些突破将助力PEM水电解技术迈向商业化，支撑氢能经济的可持续发展。