研究简介
质子交换膜水电解器（PEMWE）具有启动快、产氢纯度高、电流密度高和适配可再生能源等优势，是新一代绿氢制备的重要技术路线。然而，在高电流密度下，阳极析氧产生的大量 O₂ 需要穿过多孔传输层（PTL）排出，容易在催化层附近滞留，造成气体堵塞、传质受限和槽压升高。近日，武汉理工大学、佛山仙湖实验室等团队在 Energy & Fuels 发表研究，通过三维有限元模型与二维格子 Boltzmann 方法（LBM）耦合，系统研究了梯度多孔传输层对 PEMWE 氧气输运和电解性能的影响，为高效、长寿命 PEM 水电解器的 PTL 结构设计提供了数值依据。研究背景
在 PEMWE 中，水从流道进入阳极 PTL 并输送至催化层参与反应，生成的氧气则需要反向穿过 PTL 回到流道。水和氧气的逆向传输容易导致 O₂ 在 PTL 内部积累，尤其是在高电流密度下，气相堵塞会减少有效反应面积，并加剧传质极化。因此，PTL 不仅是电子传导和水输运通道，也是控制氧气排出路径和排出速率的关键部件。合理设计 PTL 孔隙梯度，有望缓解氧气滞留，提高 PEMWE 运行效率和稳定性。研究团队首先建立了三维 PEMWE 稳态模型，用于分析不同 PTL 结构下的电解性能、液水分布和氧气生成情况。随后，将三维模型的计算结果作为边界条件，进一步构建二维 LBM 模型，用于捕捉 PTL 孔尺度下的气液两相输运行为。
其中，顺梯度结构表示孔隙率沿氧气排出方向逐渐增大，有利于氧气从催化层向流道侧逐级释放。模拟结果显示，在高电流密度下，不同 PTL 孔隙梯度会明显影响 PEMWE 性能。在 1.9 A cm⁻² 下，顺梯度 PTL 的电解槽电压为 2.1539 V，低于均匀 PTL 的 2.1777 V；而逆梯度 PTL 电压升高至 2.1985 V。也就是说，顺梯度结构相比逆梯度结构可降低约 44.6 mV，说明沿氧气排出方向逐渐增大的孔隙率能够有效降低传质阻力和欧姆损失。氧气浓度分布进一步揭示了性能差异的来源。顺梯度 PTL 能够降低催化层附近的氧气积累，使氧气沿更均匀的路径向流道侧释放；而逆梯度结构由于靠近流道侧孔隙率降低，氧气突破阻力增加，容易在催化层附近形成堆积。研究表明，顺梯度 PTL 可使 PTL–通道界面的氧饱和度提高 23.7%，同时使 CL–PTL 界面的氧饱和度降低 9.7%。这说明氧气不再过度滞留在反应界面附近，而是更有效地转移至流道排出，从而提升传质效率和运行稳定性。LBM 模拟显示，顺梯度 PTL 具有更短的氧气突破时间和更稳定的气体释放路径。相比均匀结构，顺梯度结构在不同 PTL 界面的氧气突破时间分别提前约 40%、30% 和 26.6%。相比之下，逆梯度结构虽然在靠近催化层一侧初期氧气释放较快，但后续孔隙率逐渐降低，导致氧气难以继续排出，并加剧横向扩散和局部滞留。因此，逆梯度 PTL 反而会削弱整体传质能力。研究团队进一步采用熵权法和 TOPSIS 方法，从电压、氧饱和度、压力、突破时间和稳定时间五个指标对三种 PTL 结构进行综合评价。结果显示，氧饱和度是影响性能差异的最关键指标。在综合评分中，顺梯度 PTL 得分最高，为均匀 PTL 的 3.47 倍；而逆梯度 PTL 表现最差。这表明，顺梯度孔隙设计能够在性能、氧气排出和传质稳定性之间实现更优平衡。该研究通过多尺度数值模拟揭示了梯度 PTL 对 PEMWE 氧气输运和性能提升的关键作用。其核心结论包括：- 孔隙率沿氧气排出方向增大，有利于形成稳定排气通道；
该工作表明，未来 PEM 水电解器设计不能只关注催化剂活性，也需要重视 PTL 中水/气两相输运路径的结构优化。梯度孔隙设计有望成为提升高电流密度 PEMWE 效率和耐久性的重要方向。图表赏析
Fig. 1. PEMWE 结构与梯度 PTL 多尺度模拟框架
Fig. 2. 模型验证：极化曲线、Laplace 测试与接触角验证Fig. 3. 不同梯度 PTL 对电解性能和液水分布的影响
Fig. 4. 顺梯度、均匀和逆梯度 PTL 中氧气浓度分布对比
Fig. 5. 不同 PTL 结构下界面压力分布变化
Fig. 6. 氧气在不同梯度 PTL 中的突破与扩散过程
Fig. 7. 氧气饱和度、突破时间和稳定时间对比
Fig. 8. 不同梯度 PTL 的气液输运差异机制示意
Fig. 9. 熵权法-TOPSIS 综合评价不同 PTL 结构优劣
《Optimization of Oxygen Transport and Performance of PEM Water Electrolyzers with a Gradient Porous Transport Layer: A Numerical Investigation》DOI：10.1021/acs.energyfuels.5c05641
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