氢能作为应对全球变暖的热门议题受到广泛关注。质子交换膜（PEM）技术因单元结构紧凑、响应速度快、电流密度高，是当前除了碱性制氢最接近商业化的电解水制氢技术，然而，其电解槽催化剂及部分部件原材料成本高昂、耐久性以及水气管理仍是关键难点。

在PEM电解槽中，阳极多孔扩散层（PTL）是位于阳极催化剂层与双极板之间的关键组件，为应对阳极侧高电位与强酸性的极端工况，钛基材料因其优异的耐腐蚀性成为主流选择。其典型结构可分为单层与双层，而表面则需涂覆铂或铱等贵金属涂层以抵抗钝化、降低接触电阻。

 PEM电解槽结构及组成  图源：能量守恒

一、PTL在PEM电解槽中的作用

1. 电子传导

作为电子传导的中间环节，阳极多孔扩散层（PTL）需将催化剂层产生的电子高效传输至阴极，以驱动氢气生成。因此，PTL必须具备极高的导电性能。

2. 物质传输

作为质量传输通道，阳极多孔扩散层（PTL）负责反应物与产物的传输。具体而言，其一，需将水均匀分布至催化剂膜上；其二，需将阳极生成的氧气快速从催化剂层排出至单元外部。氧气以气泡形式产生，若长期粘附于极板或膜表面，会占据活性位点，阻碍阳极反应进行，导致电子传输受阻，无法获得稳定的单元输出。因此，PTL 在此过程中扮演关键角色。

3. 机械支撑

作为机械支撑件，阳极多孔扩散层（PTL）需对质子交换膜提供有效支撑，在承受压力或载荷时能够保持结构完整而不损伤膜。同时，其靠近膜一侧的表面粗糙度不宜过高，以避免在装配或受压过程中对膜造成破坏。因此，合理设计该侧粗糙度是影响PTL功能发挥的关键因素之一。

作为耐腐蚀部件，阳极多孔扩散层（PTL）需在酸性、高电位及持续产氧的苛刻环境下保持稳定。因此，其耐腐蚀设计具有相当难度，必须在多种功能之间进行权衡。实现系统单元的低欧姆损耗、低质量传输损耗以及低接触电阻。如何在各项损耗之间取得平衡，设计合适的PTL结构，是一项复杂的工程挑战。

二、PTL类型及制备方法

1. 钛烧结

由钛粉通过烧结工艺制成，具有均匀的多孔结构。其显著优点是表面粗糙度低，可通过调整粉末粒度和烧结参数来定制孔隙率和孔径，机械稳定性高，孔结构可控性好。

钛烧结常见的制备方法如下：

• 粉末轧制：将钛粉通过轧辊压制成生坯薄带，再经高温烧结成型，是一种自动化成型方法。

• 自由烧结：在粉末床中直接对钛粉进行高温烧结。

• 真空等离子喷涂（VPS）：在多孔基板上喷涂薄钛层后烧结。

• 带式铸造：全自动制造大型板材，可精确调节厚度和表面质量。

   

烧结钛作为PTL表面平整，对膜的机械损伤小，孔径可控，机械稳定性高，但孔隙率相对较低，成本较高。

2. 钛毡

钛毡由钛纤维经无纺铺制后烧结而成，具有三维网状多孔结构。与钛粉烧结板相比，钛纤维烧结多孔材料可实现更薄的厚度和更高的孔隙率，同时保持较高的抗弯强度和柔韧性，有利于实现更高电流密度和电解效率。

钛毡的生产工艺流程为：

• 钛纤维制备：挑选优质海绵钛，根据钛毡金属含量要求定制工艺制成钛品体，锻造成所需形状，钛板机加工成钛纤维

• 铺制：将钛纤维剪成短纤维，逐层均匀铺入模具型腔，压实填满。

• 烧结：将锁紧的模具放入真空烧结炉，高温烧结制得多孔钛毡。

钛纤维毡是目前百千瓦及兆瓦电堆首选的阳极钛基多孔传输层。虽然钛毡应用于PEM阳极多孔扩散层的优势明显，但其长期运行中钛会钝化为TiO₂，导致欧姆电阻增加，为保持导电性需表面镀铂或铱，贵金属用量大、成本高。且当前商业钛毡大多并非专门针对PEMWE设计，结构有待优化。

3. 钛网

钛网是通过编织钛纤维或对钛板进行冲压拉伸制成的网状多孔结构，编织网和拉伸网是两种常见类型。这种PTL制造成本低、面积大、易于组装和控制，孔径通常在100-150 μm。

由于钛网的孔径较大，不利于形成三相界面，同时因粗糙度较大，易对膜电极造成损伤，在实际应用中往往不直接使用，而是配合着钛毡与钛烧结使用。

复合钛毡，图源玖昱科技

4. 泡沫钛

金属泡沫材料由于具有高孔隙率、低密度、大比表面积和高导电性和导热性等优点，被广泛应用于电池的传输层。泡沫铝、泡沫镍等已被研究用于燃料电池、碱性电解水。有科学家表示，泡沫钛独特的三维结构可促进OER催化反应，有利于氧气与水的传输。

常见的泡沫钛制备方法有：

• 烧结法：常见的烧结法有粉末直接烧结法、空心球烧结法和添加造孔剂法。粉未直接烧结法是最简单的一种方法，通过对松散的钛粉进行直接烧结，或进行压制烧结，使粉未颗粒相互黏结，自然形成一定的孔隙率,从而得到多孔材料。

• 浸渍法：将聚氨酯泡沫载体放入含有金属粉末的浆料中反复浸泡，在载体表面覆盖一定厚度的金属浆料，然后通过烧结金属涂层并分解掉聚氨酯泡沫，从而制备出高孔隙泡沫金属。

• 凝胶浇铸法：将发泡剂加入到钛粉中进行搅拌发泡，然后将发泡液进行热凝胶化，最后进行烧结得到泡沫钛。

• 3D打印法：通过选择性激光烧结技术、选择性激光熔融技术、激光工程网成型技术、选择性电子束熔融技术和三维纤维沉积技术等3D打印技术，结合计算机模型设计合适的空隙率及孔结构制得孔隙率高、形状复杂的泡沫材料。

来源：艾邦氢科技网综合整理

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