质子交换膜水电解槽中流场与多孔传输层协同优化：高电流密度下的传质强化与早期降解抑制策略

本研究创新性地探究了质子交换膜水电解（PEMWE）在高电流密度（3 A/cm2）下，流场（FF）与多孔传输层（PTL）匹配对传质路径和气泡积累的协同调控机制。通过对比蛇形流场（SFF）和钛网流场（TMFF）与不同厚度/孔隙率钛毡、烧结钛的匹配组合，发现SFF/烧结钛（S-S250）体系展现出最优稳定性（降解率-108 μV/h），其短传质路径和拓扑结构可有效缓解阳极催化剂层（ACL）结构损伤，为PEMWE"低降解高稳定"设计提供新思路。

　　

Highlight

质子交换膜水电解（PEMWE）在高电流密度运行时面临传质限制，导致电压升高。本研究深入解析了流场（FF）与多孔传输层（PTL）匹配对传质及早期降解的协同效应，为高电流密度（3 A/cm²）工况下的电解槽设计提供关键指导。

PEMWE电解槽设计

实验采用蛇形流场（SFF）和钛网流场（TMFF）分别匹配三种PTL（不同厚度/孔隙率的钛毡和烧结钛），构建六组电解槽。TMFF采用铂涂层五层钛纤维结构，近PTL侧网孔尺寸为0.15×0.15 mm²，逐层扩大至3×1.5 mm²。

初始性能

TMFF/烧结钛（M-S250）组合展现最佳初始性能（1.808 V@3 A/cm²），但运行中气泡积累导致42 μV/h的降解率；而SFF/烧结钛（S-S250）凭借更优拓扑结构和短传质路径，实现负降解率（-108 μV/h），凸显流场-PTL匹配的关键作用。

Conclusion

本研究揭示FF/PTL匹配通过改变传质路径和气泡积累程度，显著影响PEMWE的早期稳定性。SFF与烧结钛的组合为高电流密度下实现"低降解高稳定"提供了优选方案，其机制解析为电解槽设计提供了理论依据。