综述：用于质子交换膜水电解器的下一代双极板：整合材料、制造技术和计算智能

《Journal of Electroanalytical Chemistry》：Next-generation bipolar plates for proton exchange membrane water electrolyzers: integrating materials, manufacturing, and computational intelligence

　　• 流场几何形状是影响质子交换膜水电解（PEMWE）效率、耐用性和成本的关键因素。• 八种流场设计被系统地分类和比较。• 铌和氮化物涂层在成本上与铂族金属（PGM）涂层不相上下。• 优化后的几何形状可以将压降降低约50-61%，并提高效率约8.4%。• 机器学习模型能够以0.95-0.99的R2值预测PEMWE的性能。• 在耐用性方面仍存在较大差距，大多数数据保持在4000小时以下。

引言
通过电解水产生的绿色氢能已成为国际气候和能源战略的核心要素，用于减少重工业制造、长途运输和季节性能源储存等难以减少碳排放的领域的排放[1]、[2]、[3]、[4]。根据国际能源署的数据，到2050年，氢需求可能达到每年1.67亿吨[5]、[6]、[7]、[8]、[9]、[10]、[11]、[12]；在严格的气候情景下，电解技术可以提供其中高达80%的氢需求。质子交换膜水电解（PEMWE）在各种竞争性电解技术中占据了一席之地，这些技术包括碱性水电解（AWE）、固体氧化物电解电池（SOEC）和阴离子交换膜（AEM）系统。PEMWE使用一种薄而导电性高的全氟磺酸（PFSA）聚合物膜，以及基于酸稳定的铱氧化物阳极催化剂和铂制成的阴极催化剂，从而实现了：(i) 高电流密度运行（通常为2-5 A/cm2；研究中已证明可超过10 A/cm2）；(ii) 紧凑的堆栈结构以及快速动态响应，使其能够方便地与间歇性可再生能源结合使用；(iii) 同时生产高压氢气（>35 bar），从而减少下游压缩需求；(iv) 从千瓦级的实验室原型可扩展到兆瓦级的商业装置。这些特性使得PEMWE成为风能和太阳能丰富地区优先选择的电网连接式快速氢气生产方式。然而，与碱性电解技术相比，PEMWE的资本密集度较高，主要是由于在强酸性的氧化阳极环境中需要使用铂族金属催化剂和钛制硬件。这一经济瓶颈推动了新型材料和制造方法的需求，这些内容在本文中进行了总结[13]、[14]、[15]、[16]、[17]、[18]、[19]、[20]。

在PEMWE的研究中，双极板（BP）的流场（即设计用于向多孔传输层（PTL）供应液态水并排出产生的气体的通道网络）一直被视为一个次要的、继承来的设计参数。这种看法未能充分认识流场的实际作用；最近的研究认为，这种观点在根本上低估了流场的重要性。实际上，流场对六个关键指标有着直接的影响：(i) 反应物分布的局部均匀性；(ii) 产生的气体排出效率；(iii) 压降控制；(iv) 热均匀性；(v) 通过界面接触电阻（ICR）控制电流密度均匀性；(vi) 两相流体动力学，这些因素影响着气泡的生成、生长和脱离。然而，现有的流场相关研究大多较为分散：几何学研究常常忽略材料限制，材料研究又脱离了几何优化，而计算工作依赖于基于经验但简化的模型，这些模型与实际的三维多孔传输层 morphology 和几何细节的对应程度很低。本文将流场视为一个本质上相互关联的系统，以此打破了这种分散的局面[21]、[22]、[23]、[24]、[25]、[26]、[27]、[28]。

本文总结了2018年至2026年间的同行评审文献，并补充了早期的基础研究。研究范围包括已发表的研究论文、专利申请和描述商业规模系统细节的行业白皮书。有两篇近期综述与此领域密切相关：Liu等人[29]从基底和涂层的角度研究了双极板的成本效益和耐用性，而Zhang等人[30]则探讨了双极板设计对PEM燃料电池和水电解槽中腐蚀及质量/热传递的影响；这两篇综述都对基底和涂层相关的腐蚀和质量/热传递问题进行了有价值的探讨，但对流场几何形状的系统性分析较少。本文在这四个方面有所创新：(i) 它开发了一个系统的八类流场通道几何形状分类（表1），这些分类明确地与基底材料选择、涂层策略、制造工艺和两相气泡传输行为进行了定量关联，而不仅仅是将流场几何形状作为材料/涂层描述中的一个次要类别；(ii) 它专门综合了计算设计方法，包括基于CFD的多相建模和机器学习/可解释AI（SHAP、部分依赖性）模型，用于流场和电池级别的优化，而这在之前的综述中并未涉及；(iii) 它将流场驱动的性能提升与材料/涂层的适用性和耐用性差距进行了明确的定量对比，并根据美国能源部的技术成本和寿命目标进行了框架化；(iv) 它涵盖了更新后的文献时间范围（2018-2026年），包括2025-2026年的最新进展，这些进展在2024年发表的综述中尚未包含。本文的其余部分组织如下：第2节提供了PEMWE的基本背景信息；第3节提出了八种流场设计分类框架；第4节讨论了流场和双极板的材料；第5节概述了相关的材料和涂层及防腐策略；第6节利用制造技术设计知识来优化性能；第7节综合了我们对两相传输现象的理解以及性能表征方法；第8节介绍了基于计算流体动力学和机器学习的建模；第9节进行了跨研究比较和商业化现状分析，随后讨论了当前的挑战和知识空白（第10节）以及未来发展方向（第11节），并附有一个全面的文献总结表，便于快速查阅超过60篇同行评审的研究成果。本文的一个重要贡献是将材料、制造、物理和计算设计的视角系统地整合在一起，这些视角在相关文献中通常是分开的。

工作原理和电化学反应
在各种电解技术中，PEMWE因其高能量转换效率、紧凑的电池结构、快速动态响应以及与间歇性可再生能源的兼容性而受到广泛关注。PEMWE可以以较高的电流密度运行，气体交叉现象几乎可以忽略不计，并且能够产生高纯度的氢气（通常适用于对气体质量要求苛刻的应用），同时压力水平也相对较高。

流场的功能要求和设计标准
流场必须同时满足八个经常相互竞争的目标：(1) 均匀的水输送，防止局部缺水；(2) 有效的气体排出，避免气泡聚结和通道堵塞；(3) 压降<0.5-1.0 bar[59]、[60]，以最小化额外的泵送负荷；(4) 有效散热，确保阳极温度低于80°C；(5) 在压缩夹持下的机械负荷支持；(6) 低ICR（<10 mΩ·cm2）[59]，以实现电极区域的电流均匀性；(7)...

基础材料要求
PEMWE的阳极材料具有挑战性，有时甚至存在矛盾。由于水合PFSA膜/离子聚合物中的磺酸功能团与阳极催化剂和多孔传输层接触产生的局部酸性强氧化环境，加上阳极的高操作电位（+1.4至+1.8 V vs. SHE），导致所需的耐腐蚀电流密度<1 μA/cm2和低电子电阻，因此对材料的要求非常严格。

保护涂层已成为实现经济高效PEMWE双极板制造的核心技术。现代策略不是使用昂贵的钛或钽作为基底，而是在低成本基底（如不锈钢、铌）上施加薄薄膜（0.5-5 μm），或者增强裸露钛的界面电阻。涂层策略可以解决三个主要挑战：(1) 防止基底腐蚀和释放...

传统减材和成型方法
传统制造方法（也称为CNC加工、化学/光化学蚀刻和冲压）仍然是主要的技术。CNC加工具有良好的尺寸精度（±0.05-0.1 mm）和设计灵活性，但钛的加工难度较高，材料浪费量大（切除50-70%的毛坯），单位成本也较高（小型到中等规模产品的成本为50-150美元）。化学蚀刻（光刻+酸溶解）在每件产品的低成本方面具有优势...

两相传输现象和气泡动力学
PEMWE的阳极可以被视为一个两相系统，其中液态水作为连续相填充PTL的孔隙和流动通道，而氧气作为分散相形成气泡，遵循典型的成核、生长、聚结和脱离机制。成核主要发生在催化剂层或PTL表面的异质部位（缺陷、空腔），成核电流密度约为0.2-0.8 A/cm2。一旦开始，气泡会...

计算流体动力学（CFD）已成为分析、监测和优化PEMWE中传输过程的可行数值方法。多相CFD模型允许在同一计算域中模拟MEA、多孔传输层（PTL）和流场板内的流体流动、物种传输、电化学反应、热传递和相间相互作用。与标准实验方法相比，CFD提供了关于压力、速度等的宝贵局部信息...

近年来，PEMWE技术取得了显著进展，特别是在催化剂工程、双极板涂层、PTL和流场优化以及人工智能辅助诊断方面。为了实现最优和成本高效的氢生产，人们努力降低铂族金属的使用量，提高耐腐蚀性，并减少ICR和质量传输的限制。

耐用性和降解证据
关于PEMWE涂层和界面材料的耐用性证据基础仍然有限：许多关于铌和钛基涂层的腐蚀和ICR数据来自短期测试（1000-4000小时），而不是数千小时的堆栈验证。值得注意的是，大多数这些涂层腐蚀电流和ICR值来自离体半电池或三电极加速腐蚀测试，这些测试无法再现实际的压缩条件...

近期优先事项
目前工业和研究开发的三个重点领域：首先，需要大力开发不含铂族金属（PGM）的超低PGM涂层，并建立标准化的耐用性测试，以提供可靠的性能评估。其次，进行超过5000小时的长期耐用性评估和独立验证，这对于提高基于铌和金属氮化物的技术成熟度至关重要。

结论
本文认为，长期以来被视为次要的设计选择之一的流场实际上是影响栈效率、耐用性和成本的关键因素。PEMWE已经从纯粹的实验室技术发展成为新兴绿色氢能经济的关键支柱。本文旨在通过追踪八种不同设计流场的演变来整合相关文献，这些设计流场包括平行流场、蛇形流场等...

数据声明
本综述未生成任何实验数据或计算数据集。本文的分析、讨论和解释完全基于先前发表的研究文献，相关文献在本文/补充信息中进行了引用。

作者贡献声明
S.J. Narasimharaju：撰写——审阅与编辑、撰写——初稿、概念化；Dhinakaran Veeman：监督；J. Praveenkumara：验证；K.B. Prakash：资源提供。

资金声明
没有任何资助机构参与了本研究的设计、数据收集与分析、发表决定或手稿的准备工作。

利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所报告的工作。

致谢
作者衷心感谢位于印度泰米尔纳德邦金奈（600069）的金奈技术学院的增材制造中心提供的必要资源和设施，使本研究得以顺利进行。