广州大学叶思宇院士团队Advanced Science综述：质子交换膜燃料电池和电解槽的气体扩散层在材料和传质方面的共性和差异

质子交换膜燃料电池与电解槽的气体扩散层在材料和传质方面的共性和差异

第一作者：张涛

通讯作者：蒙玲*，叶思宇*

单位：广州大学

质子交换膜燃料电池(PEMFC)和电解槽(PEMWE)作为快速发展的绿色氢能的生产利用和转换装置，在“双碳”目标下受到了广泛关注。膜电极作为质子交换膜燃料电池和电解槽的核心组件，其作用相当于传统燃油汽车的发动机。近年来，膜电极中的催化层和质子交换膜被广泛的研究和综述报道。但是气体扩散层的受到的关注较少，在质子交换膜燃料电池和电解槽中的差异性和相似性更是缺乏相关的数据报道和综述总结。本综述分别从气体扩散层的材料和传质两方面综述了它们在质子交换膜燃料电池和电解槽中的共性和差异，同时还总结了气体扩散层在两个装置中的发展现状和面临的挑战，有助于燃料电池和电解槽的气体扩散层在设计、制备和优化中的相互借鉴。

近日，广州大学黄埔氢能源创新中心叶思宇院士团队在知名期刊Advanced Science上发表题为“Similarities and Differences between Gas Diffusion Layers Used in Proton Exchange Membrane Fuel Cell and Water Electrolysis for Material and Mass Transport”的综述文章。该文章主要对质子交换膜燃料电池与电解槽的气体扩散层在材料和传质两方面进行对比，同时总结了两个装置的气体扩散层的发展现状和面临的挑战。

图1. 质子交换膜燃料电池和电解槽的气体扩散层的异同。

要点一：PEMFC和PEMWE的气体扩散层的材料差别与联系

PEMFC和PEMWE的气体扩散层在材料上既有区别又有联系。PEMFC的气体扩散层的基底层一般是碳基材料包括PAN碳纤维、天然植物碳纤维和沥青基碳纤维，通常会制备成碳纸、碳布和碳毡。然而，PEMWE的高电位和氧化工作环境使得碳材料难以应用于空气电极，所以大多数采用金属基基底层，例如钛网和钛毡，但是金属材料的加工难度不适合作为PEMFC的气体扩散层。PEMFC中的微孔层也是采用碳材料，目前还没有使用金属基微孔层的研究报道。在PEMWE中贵金属层及其氧化层一般被认为是微孔层。如图2、3、4所示。

图2、PEMFC和PEMWE中气体扩散层的碳基底层

图3、PEMFC和PEMWE中气体扩散层的金属基底层

图4、PEMFC和PEMWE中气体扩散层的微孔层材料

要点二：PEMFC和PEMWE中气体扩散层的传质差别和联系

PEMFC和PEMWE的反应互为逆反应，因此需要的反应物相反，因此面临的传质问题有区别。PEMFC中气体扩散层需要解决电极的“水淹”问题，即需要将水从三相反应位点快速排除。在PEMWE中气体扩散层面临“气泡效应”，气泡的形成生长和排出影响气体扩散层内的传质。如图5、6所示：

图5、PEMWE中的气体传输。

图7、PEMFC中的水传输

要点三：前瞻

通过综述总结PEMWE 和PEMFC的气体扩散层的材料和传质的关系，发现PEMFC中气体扩散层的成熟的制备工艺不能直接转移到PEMWE的气体扩散层中，还需要研究人员积极探索PEMWE中气体扩散层的新材料和新工艺。此外，作为膜电极的传质组件，其内部纳米微孔结构仍然不能明确的表征，因此，还需要通过高分辨的断层扫描技术和数值模拟计算来呈现其内部结构。随着燃料电池和电解槽的商业化应用越来越广泛，研究人员还需要考虑材料和制备成本，尤其是减少PEMWE中气体扩散层的贵金属保护层使用。

Similarities and Differences between Gas Diffusion Layers Used in Proton Exchange Membrane Fuel Cell and Water Electrolysis for Material and Mass Transport

https://doi.org/10.1002/advs.202309440

蒙玲副教授：广州大学副教授。能源材料博士后，轻工业科学与工程博士。2015年获评轻工工程技术高级工程师。拥有多年的科研和产业应用经验，主要专注于纤维基能源材料、高性能纤维纸基复合材料和碳/碳复合材料、应用于电解水制氢、燃料电池和锂离子电池等。

叶思宇教授：加拿大国家工程院院士，广州大学教授、黄埔氢能源创新中心主任和首席科学家，鸿基创能科技（广州）有限公司董事长和首席技术官。叶思宇院士1988年在厦门大学获得电化学专业博士学位，拥有80多项发明专利，并在世界一流专业期刊发表论文100余篇，获得斯坦福全球前2%顶尖科学家终身成就榜-2022、R&D 100 Award、珠江杰出人才、中国发明协会发明创业一等奖等多项奖励。在电化学尤其是燃料电池领域具有30余年研发和产业化经验，是国际公认的氢能和燃料电池领域的领军人物，致力于推动氢能和燃料电池产业的发展。

叶思宇院士领衔的黄埔氢能源创新中心研究团队由广州大学和广州开发区/黄埔区合作共建，成立于2020年12月。中心致力于推动国内氢燃料电池理论与技术的自主研发，实现产业化和市场化应用，加快推进氢燃料电池关键材料和核心组件自主化，推动建立具有国际影响力的氢燃料电池技术研发中心。2021年获批广东省氢能与燃料电池工程技术研究中心 。研究方向集中在光电材料、 能源材料、 燃料电池和电解水制氢。

欢迎大家积极报考广州大学黄埔氢能源创新中心研究生，加入氢能与燃料电池研究团队。

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