8张高清图，讲透PEMWE电解水核心结构与机理

在电解水制氢技术（Water Electrolysis）的研究中，PEMWE（质子交换膜电解水） 凭借其紧凑的结构、高电流密度以及优异的动态响应能力，正在成为连接可再生能源与绿色氢能的关键纽带。

• 质子在膜内究竟是如何传导的？

• 为什么阳极和阴极的扩散层材料截然不同？

• 微观的三相界面（TPB）又是如何平衡气、液、固三相传输的？

   

为了回答这些问题， 以下8 张PEMWE 核心结构与运行机理示意图按照从宏观到微观的逻辑，对各个关键组件进行了拆解。

1、宏观全览：运行原理机制

PEMWE 的核心是一个“三明治”结构。在直流电的驱动下，水分子在阳极侧被氧化（OER），产生的质子（H⁺）穿过质子交换膜（PEM）到达阴极，与外电路过来的电子结合生成氢气（HER）。这张图展示了最基础的物质流与电子流方向。

2、核心反应场所：催化层的微观设计

由于电位窗口和酸性环境的差异，阴阳极的催化层（CL）设计逻辑完全不同：

• 阴极（Cathode）： 环境相对温和（还原性），我们通常使用 Pt/C 催化剂。这里的关键在于利用高比表面积的碳载体构建丰富的三相界面。

   

• 阳极（Anode）： 处于强氧化环境（>1.5V），碳载体会迅速腐蚀。因此，阳极必须使用无载体的金属氧化物（如 IrO₂）。如何在没有碳载体的情况下构建高效的电子/质子传输网络，是阳极设计的难点。

   

3、物质传输通道：PTL 与 GDL

气体扩散层（GDL）或多孔传输层（PTL）负责“水进气出”和电流传导，材料选择有着严格的“红线”：

• 阴极侧： 常用碳纸或碳布，并进行 PTFE 疏水处理，防止水淹。

• 阳极侧： 严禁使用碳材料！通常采用 钛毡（Ti Felt） 或烧结钛粉。为了防止钛表面氧化形成钝化层增加电阻，通常还需要镀上一层微米级的 Pt/Ir 防腐涂层。

4、质子的高速公路：质子交换膜

质子交换膜（如 Nafion）不仅要传导质子，还要隔绝氢气和氧气。图示清晰地展示了质子通过磺酸基团（-SO₃⁻）的水合离子通道进行传输的 Grotthuss 机制（跳跃机制）。膜的含水量对电导率至关重要。

5、系统的骨架：双极板（BPP）

双极板负责分配流体和串联电池。流场的设计（平行、蛇形、交指型）直接影响传质效率。同时，针对金属双极板的腐蚀问题，表面涂层技术也是研究的热点之一。

来源：催化视界

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