本文将重点介绍PEM电解水阳极多孔传输层的结构、功能、国内外的技术现状、公司创新产品的特点与参数对比等。
PEM电解水是一种电解水制氢的技术，因其电流密度大、结构紧凑、能量转化效率高且能够完美匹配可再生能源发电的波动性，被认为是最有前途的绿氢制取技术之一。
图1：PEM电解池组件图
上图中展示了一个典型的PEM电解池的组成部分，主要包含端板、钛基双极板（含流场）、阴极碳GDL、膜电极（包含阴极铂催化剂、质子交换膜、阳极铱催化剂）、阳极钛基多孔传输层PTL、密封件等。
阳极钛基多孔传输层PTL在阳极析氧反应中起到了输水、排气、导热、导电等作用，是气、液、电、热四相流体场的集成。
图2：钛毡
产业界长久以来，阳极多孔传输层经历过钛网、钛粒烧结板、钛纤维烧结毡等结构，目前国内外PEM电解水市场使用居多的是钛纤维烧结毡，简称钛毡，主要的加工工艺包括钛纤维拉丝、压合烧结和表面处理。主流的钛毡的孔隙率大概在50-70%，厚度200-400微米，全球最主要的供应商为贝卡尔特、台湾碳能等。国内钛毡生产厂家，主要出自于过滤材料的生产企业。
钛毡因为其制作工艺简单、孔隙率高等特点，是PEM电解产业界对于阳极传输层的普遍选择。
1、 钛纤维毡内部孔道结构分布随机，导致反应物水和反应产物氧气泡在其内部传输阻力较大，尤其是在大电流之下，传质损失会更明显；
2、 钛纤维毡表面孔隙结构分布随机，与催化剂层接触为线接触，接触面电阻较大，三相交界的电化学反应位点较少；
3、 钛纤维毡表面孔径大小不一，标准差较大，较大的孔径甚至可达150微米甚至以上，导致在阴极氢气高压输出时，由于阴阳极压差的存在，容易将膜电极“挤”进孔道中，产生膜电极“鼓包”，甚至剪应力破坏；
图3：钛毡的横切面图（左）和表面图（右）
针对钛毡的结构劣势，合肥动量守恒绿色能源有限公司创业团队开发了一种全新结构的阳极多孔传输层---直通孔结构多孔传输层ST-PTL。
2018年，创业团队联合创始人康振烨博士全球首次提出直通孔结构多孔传输层（美国能源部NREL氢能研发项目H2NEW资助项目），并使用化学刻蚀的方式制作该种多孔传输层。在理论上证明了直通孔结构多孔传输层较传统钛毡结构具有更优的传质能力、更低的接触电阻、更多的催化剂反应位点等优势，可较大幅度降低电解电压（约5-10%）。
2020-2022年，创业团队在国内进行了技术攻关，使用非化学刻蚀的方法，实现了直通孔结构多孔传输层的小试、中试，并具备了量产的可行性。
图4：传统钛毡与ST-PTL样品及其表面微观结构（孔道宽度60微米）
直通孔结构多孔传输层因为其孔道上下直通、与催化剂层接触为面接触、孔道尺寸在60微米（标准差5微米）等优势，对于阳极析氧反应有如下优势：
1、 内部孔道直通，进水、出水、排氧气更加顺畅，特别是在大电流密度下，传质更有优势；
图5：ST-PTL传质示意图（左，引至康振烨博士论文），ST-PTL与钛毡（贝卡尔特）和碳纸（东丽）的对比图（Nafion117，@80℃）
2、 ST-PTL与阳极催化剂层是面接触，所以能极大降低接触电阻，而且ST-PTL自身的结构电阻相较于钛毡而言，几乎可以忽略不计；
图6：ST-PTL与碳纸和钛毡的阻抗对比图
目前公司已经具备产品送样能力，在合肥的生产基地正在紧锣密鼓的准备中，并预计于2023年一季度开始具备量产能力，一期初步产能规划是3000m2/a，后续会逐步加大到20000 m2/a。
合肥动量守恒绿色能源有限公司，是一家专注于质子交换膜（PEM）电解水关键材料、组件和电堆的研发与生产的高科技企业，致力于成为业内领先的固体电解质膜电解电堆及关键材料供应商。公司拥有一支来自于吉林大学、美国田纳西大学、上海交通大学、哈尔滨工业大学和中山大学的研发和经营管理专业团队，在催化化学、流体力学、系统工程等领域经验丰富。
依托吉林大学无机合成与制备化学国家重点实验室核心团队近十年的研发成果，公司已建立了国内最齐全的PEM电解水阳极铱基（Ir）催化剂产品序列，并拥有自主知识产权的阳极直通孔结构多孔传输层（ST-PTL）技术以及膜电极工艺，有望大幅提高电解水的效率，从而降低绿氢的成本。公司将秉承“真诚、热爱、创新”的理念，与国内氢能行业同仁一起携手，以科技创新助力“双碳”目标的实现。
