优化多孔传输层的结构设计是提高聚合物电解质膜(PEM)电解槽性能的有效途径。利用微计算机断层扫描(μ-CT)研究了工业烧结钛粉基多孔输运层(PTL)的三维微观结构分布特征。采用随机重建模型法建立了具有不同孔隙度、孔径和厚度的三维PTLs模型。此外，采用晶格玻尔兹曼方法研究了PTL结构参数和单相渗透率的影响。结果表明:大压缩厚度不仅能显著提高PTL单相渗透率，而且对界面接触面积影响不大；此外，孔径和孔隙率的增加会提高输运性能，同时减少界面接触。建议PTL的平均孔径大于10 μm，孔隙率大于30%。该工作可指导PTL的制备工艺，以提高PEM电解槽的性能。

PEMWE阳极PTL微观计算机断层扫描分析结果:(a)在1000 × 1000 × 200 μm3下重建PTL;(b) PTL孔隙空间;(c) PTL曲面曲率图;(d)通面孔隙率;(e)孔径分布;(f)粒径分布。

变参数PTLs的三维重建。

不同通面孔隙度下的PTL:(a)孔隙度;(b)孔径因子;(c)域大小。

不同孔径分布下的PTL:(a)孔隙度;(b)孔径因子;(c)域大小。

不同粒径分布下的PTLs:(a)孔隙度;(b)孔径因子;(c)域大小。

变参数PTL的拓扑特征。

(a1 ~ a5)孔隙率为20%、30%、40%、50%、60%;(b1 ~ b5)孔径为3 μm、6 μm、10 μm、20 μm和30 μm;(c1 ~ c5)厚度分别为10 μm、50 μm、100 μm、200 μm和300 μm。

随参数变化的渗透率。

PTL结构优化机理图。

本工作为PTL结构的优化设计提供了新的思路。具体地说，高效PEMWE的PTL结构设计首先考虑的是减小其厚度。此外，还需要注意设计合理的孔径和孔隙率，这涉及到界面接触和传质的最优解。最后，当需要通过减小孔径来牺牲传质以改善接触界面时，建议通过减小厚度来补偿传质损失。

Structural optimization study on porous transport layers of sintered titanium for polymer electrolyte membrane electrolyzers - ScienceDirect

https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2023.122541