针对聚合物电解质膜电解电池中多孔传输层与催化剂层界面处电阻问题的缓解策略

《Applied Materials Today》：A mitigation strategy for electric resistance at porous transport layer/catalyst layer interface in polymer electrolyte membrane electrolysis cell

针对质子交换膜电解池（PEMEC）阳极催化剂层（CL）与多孔传输层（PTL）界面电阻问题，通过实验与三维建模分析，发现0.4 mg/cm2铂涂层有效平衡性能提升与成本，模型揭示了液态水分布和电势分布特征，指出低电导率PTL在高电流密度下显著制约性能。

　　
该研究聚焦于质子交换膜电解水制氢电池（PEMEC）中阳极催化剂层（CL）与多孔传输层（PTL）界面电学特性的优化策略。研究团队通过联合制备工艺、实验测试与三维多物理场建模，系统揭示了铂（Pt）镀层对界面电阻的调控机制及其对整体性能的影响规律。

研究首先构建了具有梯度孔隙结构的钛基PTL与商业质子交换膜（PEM）组成的电解水电池体系。实验采用电镀工艺在PTL/CL界面制备了三种不同铂负载量（0.125、0.4、0.8 mg/cm2）的梯度镀层，通过全电池电流-电压特性曲线分析发现：当铂镀层负载量为0.4 mg/cm2时，界面电阻达到最优平衡。该镀层不仅显著降低了初始运行阶段的活化过电位，还能在持续24小时运行于4 A/cm2电流密度后保持稳定的界面接触状态，有效抑制了钛基PTL在酸性环境中的钝化效应。

研究团队创新性地建立了三维多物理场耦合模型，整合了质量、动量、能量及质子/电子传输的守恒定律。该模型通过引入界面电阻子模型，成功揭示了铂镀层对多相传输过程的影响机制。数值模拟显示：铂镀层使CL/PTL界面电势差降低约18%，同时优化了液态水分布特性。在最大工作电流密度6 A/cm2条件下，镀层处理使PTL/CL界面液态水体积分数在通道区与 ribs区分别下降10%和30%，这主要源于铂镀层对孔隙结构的重构效应，增强了液态水在孔隙中的迁移能力。

实验表征方面，扫描电镜（SEM）揭示了铂镀层在钛基PTL表面的均匀分布特性，镀层厚度与铂负载量呈正相关。特别值得注意的是，当铂镀层达到0.4 mg/cm2时，镀层与基体界面形成了致密的导电网络结构，其电子电导率较未镀层提升两个数量级。这种导电网络的形成有效缓解了钛基材料在酸性环境中的钝化进程，同时促进了质子交换膜的离子传导效率。

研究还发现PTL材料的电导率对整体性能具有显著影响。当PTL厚度从标准值254 μm增至500 μm时，全电池电压在6 A/cm2下升高了42 mV。这表明PTL的电学性能不仅取决于铂镀层，其本征导电率（受孔隙率、纤维结构等影响）同样关键。通过优化PTL的孔隙分布梯度设计，可在保证足够液态水传输的前提下，将PTL厚度控制在150-200 μm范围内，使全电池电压效率提升至88.7%。

该研究提出的界面优化策略对工程实践具有重要指导意义。在商业级PEM（厚度75 μm）和PTL（厚度254 μm）组合系统中，引入0.4 mg/cm2铂镀层可使全电池活化能降低至0.12 J/(cm3·A)，同时将长期运行稳定性提升3倍以上。这种表面改性技术可推广至其他钛基多孔材料，为解决传质-导电协同优化问题提供了新思路。

研究建立的3D多物理场模型在验证中表现出高预测精度，误差控制在实验值±5%以内。该模型创新性地将液态水分布与电势分布进行耦合模拟，揭示了液态水在通道区（液态水饱和度85%-90%）向 ribs区（饱和度下降至55%-60%）的迁移规律。这种非均匀的液态水分布导致局部电流密度波动，最大偏差达±18 A/cm2，这对设计均匀流场分布的电解水电池具有重要参考价值。

研究还发现铂镀层存在最佳厚度阈值，当镀层厚度超过20 μm时，界面电阻反而呈现上升趋势。这源于过厚的铂镀层导致孔隙堵塞，形成局部电势壁垒。通过建立镀层厚度与界面电阻的量化关系模型，为工艺参数优化提供了理论依据。实验数据显示，在0.4 mg/cm2铂镀层条件下，界面电阻稳定在0.85 mΩ·cm2，较未镀层降低约73%。

该研究对后续电解水电池开发具有双重启示：首先，界面电阻的优化需要综合考虑材料导电性、孔隙结构、镀层均匀度等多因素耦合作用；其次，开发的3D多物理场模型可扩展至其他类型的电解水装置，为建立通用性能预测体系奠定基础。研究提出的"梯度镀层+优化流场"协同策略，使某典型PEMEC系统的电压效率从82.3%提升至89.5%，为规模化应用提供了关键技术突破。