综述：聚合物电解质膜（PEM）电解槽用双极板材料及制造技术的进展：综述

《Journal of Industrial and Engineering Chemistry》：Advancements in bipolar plate materials and manufacturing strategies for polymer electrolyte membrane (PEM) electrolyzers: a review

质子交换膜电解水制氢技术中双极板（BPPs）的关键作用及其材料、制造工艺优化研究，分析低成本基体、表面工程、流道结构、密封方案及传统/增材制造对比，提出提升耐用性和经济性的系统性策略。

　　

Muhammad Fauzan Aminuddin | Rizwan Ullah | Mohd Shahbudin Masdar | Azran Mohd Zainoodin | Rozan Mohamad Yunus | Edy Herianto Majlan | Nurul Akidah Baharudin | Kamarul Hafiz Mohamed | Nik Mohd Radi Nik Mohamed Daud | Teuku Husaini | Adam Mohd Izhan Noor Azam

马来西亚国立大学燃料电池研究所，43600 UKM Bangi，雪兰莪州，马来西亚

摘要

可持续的绿色氢气生产依赖于聚合物电解质膜电解器（PEMELs），其中双极板（BPPs）作为关键的多功能组件。然而，由于需要承受极端阳极电位的昂贵材料，BPPs成为主要的经济瓶颈。当前的研究往往单独解决技术挑战，未能考虑到材料属性与机械设计之间的复杂相互依赖性。本文综述了最新进展，以确定下一代BPPs的策略，使其在满足技术目标的同时实现成本效益。文章对基底材料、降解途径、表面工程、流场结构、密封方案以及传统制造与增材制造进行了关键分析，从前瞻性角度探讨了克服现有成本-性能瓶颈的方法，为实现大规模PEMEL应用的耐久性和经济可行性提供了战略路线图。

引言

向可再生能源的转型是全球脱碳的最可行途径，为缓解日益严重的气候威胁（包括全球变暖、极端天气事件和生物多样性丧失）提供了关键解决方案[1]、[2]、[3]、[4]。太阳能、风能和水力发电等可再生能源正在迅速取代化石燃料。然而，它们的固有不确定性给电网管理和能源储存带来了复杂挑战，导致预测误差和供需不平衡。为了解决这些问题，氢气（H₂）作为一种有前景的能源载体应运而生，因为它具有高能量密度（39.42 kWh·kg^?1），可以通过水电解储存多余的可再生能源电力。这种方法不仅提高了电网的可靠性，还促进了可再生能源在能源结构中的更高整合[2]、[3]、[4]、[5]、[6]、[7]。绿色氢气是通过可再生能源驱动的水电解产生的，尤其在减少排放方面具有巨大潜力[8]、[9]。四种主要的商业化电解器技术根据其电解质膜的不同而区分：碱性水电解器（AWEL）、阴离子交换膜电解器（AEMEL）、质子交换膜电解器（PEMEL）和固体氧化物电解器（SOEL）（见图1i）[10]、[11]、[12]、[13]、[14]、[15]、[16]、[17]、[18]、[19]、[20]、[21]、[22]、[23]、[24]、[25]。 在各种水电解技术中，PEMEL因其出色的性能而成为绿色氢气生产的有希望的解决方案。生命周期评估表明，与传统方法相比，PEMEL可减少75%的碳排放[26]、[27]。PEMEL的一个关键特点是使用固体全氟磺酸（PFSA）膜（如Nafion?和fumapem?），并在酸性条件下运行。这种膜具有优异的质子传导性（约0.1 S·cm^?1），可以制成薄型结构（20 – 300 μm），并且具有高强度，能够直接在高达200 bar的压力下运行[15]、[28]。与SOEL相比，PEMEL在较低温度下运行，但能够实现更高的电流密度（见表1），在某些情况下可达到10 A·cm^?2 [15]、[26]、[29]、[30]。此外，PEMEL还具有快速启停循环（不同于SOEL）和高压运行的优势（约200 bar），无需外部压缩机[15]、[28]、[31]。此外，PEMEL的组件比AEMEL和SOEL更易于商业化，后者仍主要处于实验室阶段[12]。PEMEL还表现出更长的使用寿命和更少的降解，优于AEMEL和SOEL（见表1）。然而，PEMEL依赖昂贵的铂族金属（PGMs）作为催化剂，以及贵金属作为集流体和双极板（BPPs），从而增加了资本成本[10]、[11]、[14]。尽管存在这一缺点，PEMEL的优异性能仍推动了大量关于降低成本和提高效率的研究[15]。 本文全面概述了PEMEL技术，重点关注阻碍其广泛商业应用的关键挑战。文章探讨了BPPs的关键作用，分析了低成本基底的集成优化、先进表面工程和降解减缓措施对长期性能和耐久性的影响。此外，还分析了流场几何形状与坚固密封接口之间的相互作用，这些是板架构的重要组成部分。本文还比较了传统制造（CM）和增材制造（AM）在成本、精度和可扩展性方面的优缺点，通过识别当前生产方法的具体技术和经济障碍，为实现大规模绿色氢气生产所需的耐久性和经济可行性提供了全面视角。

PEMEL组件的概述与挑战

在PEMEL系统中，BPPs（见图1ii）是一个关键的多功能组件，通常由金属或碳复合材料等导电材料制成。从结构上看，BPPs表面具有流场，并作为膜电极组件（MEA）的刚性支撑。从功能上看，BPPs在堆栈中起着至关重要的作用，包括分离各个电池并实现它们之间的电连接，同时促进反应物（H₂O）的有效流动。

BPP制造的最新技术

BPP的传统制造（CM）技术通常分为机械加工和成型工艺，对于难以切割的材料（如基于钛和镍的合金），机械加工尤其成本高昂且效率低下。金属BPP可以通过多种CM方法制造，包括冲压、液压成型、橡胶垫成型和辊压成型[46]、[156]、[157]。其中，冲压和液压成型被认为是适合大规模生产的方法[158]。

CM与AM的比较成本效益分析

PEMEL的高成本仍是当前市场的主要障碍。为了实现广泛采用，BPP的成本必须达到美国能源部（DOE）设定的2美元/千瓦的目标，或达到类似的竞争水平。虽然材料选择无疑很重要，但制造方法最终对最终产品的成本和质量有着深远的影响[35]。

总结与未来展望

强烈建议采用PEMEL技术来支持未来的可持续能源生产，以促进全球能源转型并减少气候变化。然而，要实现经济可行的PEMEL，需要考虑几个重要因素：

• （a）
  双极板（BPPs）是一个关键的多功能组件，通过界面接触电阻（ICR）和质量传输限制来控制电压损失。为了确保其广泛采用的经济可行性，

CRediT作者贡献声明

Muhammad Fauzan Aminuddin：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，方法论，调查，数据分析。Rizwan Ullah：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，调查，数据分析。Mohd Shahbudin Masdar：撰写 – 审稿与编辑，监督，项目管理，调查，资金获取。Azran Mohd Zainoodin：撰写 – 审稿与编辑，监督，调查。Rozan Mohamad Yunus：撰写 – 审稿与编辑。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

作者衷心感谢马来西亚国立大学在项目DIP-2022-009和PP-SELFUEL-2025下的财政支持。