质子交换膜电化学装置（即质子交换膜燃料电池和电解槽）是极具应用前景的氢气生产和利用装置，这两种电化学装置都具有相似的膜电极组件（MEA）：双极板（BP）、气体扩散层（GDL）、催化剂层（CL）和质子交换膜（PME）。

其中，位于催化剂层和双极板之间的气体扩散层至关重要，发挥着多种相同且重要的作用：

首先，它必须具有高电子导电性以形成良好的电连接，并且反应热应有效地从催化剂层散发出去：因此，气体扩散层应具有良好的导热性。此外，它为膜电极组件（MEA）提供强大的机械支撑。最重要的是，气体扩散层为气体（例如氢气和氧气）和水提供了充足的传输通道。

单侧池中水传输过程及驱动力示意图。

通道中的驱动力由毛细压力差施加。∇PC , MPL和 ∇PC , Substrate分别为毛细压力差：CL/MPL 和 MPL/MPS 界面，以及 MPL/MPS 和 MPS/GC 界面（MPL 为微孔层，MPS 为大孔基底，GC 为气体通道）

PEMWE和PEMFC的气体扩散层（GDL）虽然具有相似之处，但在材料和传质特性方面却存在差异，PEMFC的阳极和阴极GDL通常都使用碳材料。对于PEMWE而言，阴极电位低于阳极电位，因此可以使用碳纸，从而显著降低原材料成本。所以碳材料不仅广泛应用于PEMFC，也广泛应用于PEMWE阴极。

而由于PEMWE的阳极电位较高，碳材料容易快速腐蚀，因此金属材料成为GDL的首选，尤其钛金属是PEMWE最常用的材料。此外，人们还探索了不锈钢和镍等金属。

为了增强耐腐蚀性，PEMWE 通常会在微孔层 (MPL) 上涂覆贵金属及其氧化物。相反，PEMFC 中的 MPL 则与炭黑和聚四氟乙烯 (PTFE) 混合，以提高导电性和改善水管理。

PEMWE和PEMFC的异同

一、影响物质传输的因素

1. GDL的微观结构

在质子交换膜燃料电池（PEMFC）中，GDL由具有不同微观结构层的不均匀碳纤维组成，且每层碳纤维的孔隙结构不可能保持一致。有研究表面，有序结构可以引导水流，这使得表征微观结构与气-水动力学之间的关系变得容易。

Niblett等人利用模拟建模构建了一种有序的GDL结构，实现了孔隙的均匀排列。他们证明，有序结构可以提高有效电导率，并且微孔层（MPL）中缺陷的存在会导致水通道饱和，从而起到水通道的作用，并改善GDL和MPL中氧气的获取。

GDL的微观结构

来源：Niblett D.、Niasar V.、Holmes S.，《电化学学会杂志》2019，167，013520。

Balakrishnan等人开发了一种从催化层（CL）到气体通道具有梯度分布的GDL。他们的研究结果表明，孔隙梯度结构增强了有效且定向的脱水性能，从而降低了PEMFC中的传质阻力。

干燥后，MPL表面自然形成大小不一的裂纹。这些裂纹通常是初始的水分传输通道，并在一定程度上促进水分的排出。为了制造人工裂纹，穿孔是实现有序排列孔隙结构的一种有效方法，这可以通过使用热分解造孔剂、激光技术和机械方法来实现。

穿孔的位置和深度以及孔的形状也是值得关注的因素。Niu等人报道，GDL穿孔应靠近水的穿透点。这有助于去除液态水，防止其覆盖整个前沿区域。同时，Niu 的研究表明，更深的穿孔深度可以到达液态水面，无需对整个气体扩散层 (GDL) 进行穿孔。

在质子交换膜电解槽（PEMWE）中，钛网是最便宜的 GDL；然而，采用这种 GDL 的电解槽性能不如烧结结构或毡状结构。

Kim等人设计了一种双层钛网多孔传输层，以增强不同孔径堆叠双层膜的性能。靠近催化层（CL）的较小孔径会导致最大的传质损失，因为气泡会填充孔隙，而较大的孔径则会阻碍气泡的分离。

此外，由于PEMWE和PEMFC的气体扩散层（GDL）所用材料不同，PEMWE的孔径通常大于PEMFC。因此，气体更容易通过大孔传输。然而，气泡在孔内的具体行为尚未得到清晰阐明。PEMWE中的水传输也鲜有研究和报道。

2. 湿润性

润湿性是影响物质传输的另一个因素。针对燃料电池中不同的传输目标，大孔基材（MPS）需经过疏水处理，以实现更高效的水传输功能。

Tamayol等人将碳纸浸入不同PTFE含量的溶液中，发现渗透阈值随PTFE含量的增加而升高。这表明水并未滞留在孔隙中。Mortazavi等人报道，PTFE会限制气体扩散层（GDL）的孔隙直径。

此外，Lim等人报道，PTFE不仅可以改变润湿性，还可以改变GDL的孔隙率。因此，在制备碳纸时，必须控制其孔隙率和孔径。

PTFE的分布是一个值得关注的问题，Lim指出，GDL出口处较高的PTFE含量有利于排水。相比之下，亲水性气体扩散层（GDL）表现出更好的性能，因为反应物（水）可以为反应位点提供充足的供应。

Jiang等人组装了两种膜电极组件（MEA），一种采用疏水性催化层（CL）和亲水性GDL，另一种采用疏水性GDL和亲水性CL。最终结果表明，亲水性CL和疏水性GDL的组合比其他组合表现出更高的性能（最高可达12.6倍）。CL到GDL的毛细压力可以促进气体释放。与PEMFC不同，在PEMWE中，亲水性GDL的性能确实优于疏水性GDL。

二、PEMFC和PEMWC用GDL材料的异同

1. 大孔基底(MPS)上的碳基和金属基材料

1.1碳基材料

碳基和金属基大孔基底（MPS）均用于PEMWE和PEMFC。通常，碳纤维主要由聚丙烯腈（PAN）前驱体热解制得，并可制成各种类型（例如，典型的碳纸、碳布和碳毡）。

碳纸是PEMFC气体扩散层（GDL）中最常用的材料。类似地，碳纤维基底仅用于PEMWE的阴极，不适用于PEMWE的阳极，因为阳极电位远高于阴极电位。这是材料差异的主要原因。

采用成熟制备工艺的PAN基GDL相比其他材料具有更多优势，例如高气体渗透性和光滑的表面。近年来，仅通过更换MPS中的碳纤维来提高PEMFC的性能较为困难。因此，MPS中通常使用碳添加剂，如石墨、碳纳米管、多壁碳纳米管等。但由于原材料成本高昂，用于MPS的碳纳米管的添加剂难以商业化。

此外，PAN纤维也会给GDL的生产带来相对较高的成本。因此，人们也在探索使用可持续的天然植物纤维材料，例如纤维素、椰子纤维和其他生物质衍生的碳纤维作为GDL基材的前体，以降低初始材料的成本。

对于PEMWE而言，其反应是水在电流作用下分解为氢气和氧气，因此材料必须保持较高的电化学耐腐蚀性才能实现长期稳定性。在单电池测试中，阴极气体扩散层（GDL）可采用PEMFC中常用的传统碳纤维微孔板（MPS），在低电位下，由于碳纤维更容易形成合适的孔隙结构，其性能优于阴极金属基GDL。

1.2 金属基材料

如上所述，金属材料在阳极PEMWE中的应用比在碳基GDL中更为普遍。在PEMWE和PEMFC复杂的高电位环境中，金属材料能够提供强大的机械支撑、高导电性和高耐腐蚀性，其中钛最为突出，使其成为应用最广泛、研究最深入的金属材料，尤其是在商业化PEMWE领域。

在电压相对较低的PEMFC中，基于金属基气体扩散层（GDL）的性能，金属基GDL在PEMFC中应用受限的原因在于其加工制备难度较大，且无法达到碳纸的孔径和孔隙率。因此，需要进一步研究以解决这些问题，促进金属基GDL在PEMFC中的应用。

与PEMFC相比，PEMWE的环境对金属基GDL提出了更为严格的要求，需要额外的保护层，这也是研究人员目前关注的热点。

2. 微孔层(MPL)中的碳基和金属基材料

在PEMFC中，PTFE是最常用的疏水剂，乙醇和异丙醇则常作为分散剂（通过热处理去除），它们可以分散炭黑颗粒，从而形成均匀的孔隙分布。炭黑是PEMFC中MPL的主要成分，其比金属更容易加工成所需的结构，且具有良好的物理性能，是目前最成熟的商用MPL材料。

PEMWE中，MPL可以被视为一种保护涂层。如前所述，通过这种涂层（通常是贵金属或金属氧化物，可以减少GDL的腐蚀并提高PEMWE的性能。而铱(Ir)在PEMWE中比Au和Pt具有更好的性能和稳定性，因此更常被用作GDL涂层材料。

总的来说，碳和金属是PEMFC和PEMWE中MPL和MPS的主要材料。而除了使用单一的碳或金属材料外，研究人员还探索了同时使用两种材料（镍泡沫和碳纤维）来制备GDL。

来源：摘抄自Zhang T, Meng L, Chen C, Du L, Wang N, Xing L, Tang C, Hu J, Ye S. Similarities and Differences between Gas Diffusion Layers Used in Proton Exchange Membrane Fuel Cell and Water Electrolysis for Material and Mass Transport. Adv Sci (Weinh). 2024 Aug;11(32):e2309440.

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一、议题方向

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2	高可靠性PTFE垫片与PPS隔膜解决方案助力ALK行稳致远	时代新材
3	电解水制氢系统的数字孪生应用进展与展望	郑州大学
4	稳石氢能AEM制氢技术发展与产品应用潜力	稳石氢能
5	高性能泡沫镍及其表面改性低成本高效制备技术在制氢电解槽上应用的研究进展	中南大学
6	AEM电解水关键核心材料技术开发	中石化
7	Udel®HYRA PSU & Radel® HYRA PPSU助力大型电解槽塑料极框技术突破	世索科
8	海水制氢的抗腐蚀机制与抗渗透电解槽设计	中国海洋工程研究院
9	待定	意德珑
10	质子交换膜的性能优化与电解槽系统协同设计	质子交换膜研发及生产商、上游关键材料供应商
11	碱性电解水技术的大规模、低电耗与智能化升级路径	头部碱性电解槽生产商、专注于工业智能化控制的解决方案供应商
12	“ALK+PEM”制氢技术的协同与集成应用策略	综合制氢设备供应商
13	破局阴离子交换膜技术瓶颈：兼顾高强度、稳定性与寿命的设计方案	阴离子交换膜供应商、关键材料供应商及研发部门
14	SOEC高温电解的技术突破与长期稳定性提升	SOEC头部企业
15	离网制氢场景对电解槽快速响应特性的解决方案	离网制氢电解槽制造商
16	不同电解水制氢电源技术路径对比及市场前景分析	制氢电源整流器生产商
17	双极板蚀刻工艺智能制造优化方案	核心部件（双极板）制造商
18	中国电解水制氢技术出海机遇与挑战	已获得海外认证并出口设备的头部企业

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