质子交换膜电解水（PEMWE）因其结构紧凑、清洁和响应时间短等优点，已成为波动可再生能源转换和储存的一种有前景的解决方案。然而，其商业化应用受到效率不足、耐用性低和成本高的阻碍。典型的PEM电解槽结构由多孔传输层（PTL）、流道（FC）、催化层和膜组成，通过外部应力预紧实现组件之间的良好电接触。其中，催化层作为电化学反应发生的场所，可能受到膜蠕变、不均匀的PTL纤维和流道等因素引起的不均匀应力分布的破坏。因此，在PEMWE操作条件下催化剂层的机械降解不容忽视。

考虑到电解槽的组装过程，应力最初施加在端板上，然后经流场板传递到内部组件。因此，采用不同的流道结构会引起电解槽内部不同的应力分布。尽管之前的研究报道了这些流道如何影响 PEMWE中的电子、水和气体传输过程，但这些研究都没有关注在长期运行过程中不同流道对催化层应力分布的影响。

使用压力敏感纸对两种流道结构组装的电解槽内部的应力分布进行了测试（图1a和d）。蛇形流道（S-FC）由于沟槽和脊部的高度差，导致内部明显的不均匀应力分布（图1b）。而钛网流道（TM-FC）具有梯度化的结构，靠近催化层的一侧具有更小的孔隙，使得应力在界面处的传递更加均匀（图1e）。测试后，两种电解槽的阳极催化层（ACL）也呈现相同的趋势。

图1. 两种流道结构电解槽的应力分布测试

在2 A/cm²、80 ℃条件下测试了两种流道结构电解槽的稳定性。与蛇形流道电解槽的阳极催化层（ACL-S-FC）相比，钛网流道（ACL-TM-FC）表现出更好的初始性能和更低的电压衰减速率（图2a）。图2（b）和（c）中的极化曲线验证了ACL-TM-FC的老化后的性能衰减可以忽略不计，而ACL-S-FC老化后出现严重的降解情况。此外，ACL-TM-FC具有更小的高频电阻和电荷转移电阻（图2d和e），这表明其具有更好的PTL/ACL界面接触效果。

图2. 两种流道结构电解槽的电化学性能对比

随后我们在不同尺寸的电解槽上进行了钛网流道的适用性验证。结果表明，在电解槽活性面积放大约12倍后，ACL-TM-FC和ACL-S-FC依然存在类似的性能差距（图3b）。此外，我们在电解槽活性面积的持续放大过程中验证了钛网流道的可靠性。在从4 cm²的10 W级单槽放大到600 cm²的100 kW级电堆过程中，电解槽槽压衰减控制在20 mV（图3d）。

图3. 钛网流道的商业化验证

本文介绍了一种简单高效的TM-FC，旨在提升PEMWE的性能和耐用性。相较于传统的S-FC，具有梯度孔径的TM-FC能有效缓解电解槽内部的应力分布不均。因此， ACL-TM-FC呈现出更平整的结构，显著改善了ACL平面内电子的传输情况。此外，在电解槽商业化放大的过程中，TM-FC依然表现出较好的性能。这项研究提供了提升PEMWE性能和耐用性的新思路，为电解槽的商业化应用提供了有力支持。

1. 陶华冰 副教授

厦门大学

南强青年拔尖人才、嘉庚实验室重大项目负责人

邮箱：hbtao@xmu.edu.cn

2. 王华昆 助理教授

厦门大学

福建省高层次人才（C类）、厦门市高层次人才（C类）

邮箱：hkwang@xmu.edu.cn

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