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THERMAL SCIENCE
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研究进展

西安交通大学王学亮副教授团队：面向超高功率密度PEMFC多孔电极研究进展

质子交换膜燃料电池因其能量转换效率高、零碳排放、无噪音等优点在汽车、无人机、发电装置、航空航天飞行器、船舶推进系统等方面应用潜力巨大。高功率密度（轻量化与紧凑化）是氢燃料电池系统未来发展的主要趋势，其要求燃料电池在大电流密度（high current density, HCD，2-5 A cm-2）条件下保持高电压安全稳定运行 。

本站发布
2026年10月9日
作者
chipheat

转自 传热传质青委会

研究背景

质子交换膜燃料电池因其能量转换效率高、零碳排放、无噪音等优点在汽车、无人机、发电装置、航空航天飞行器、船舶推进系统等方面应用潜力巨大。高功率密度（轻量化与紧凑化）是氢燃料电池系统未来发展的主要趋势，其要求燃料电池在大电流密度（high current density, HCD，2-5 A cm-2）条件下保持高电压安全稳定运行[1] [2] 。质量传输损失（传质损失）是氢燃料电池在HCD条件下运行时电压降低的根本原因[3] （图1（a））。HCD条件下氢燃料电池内电化学反应加速，要求电池内部供气与排水能力满足电化学反应需求[4] 。当前，针对HCD条件下的传质强化策略主要通过对氢燃料电池传质组件（流场、气体扩散层与催化层）进行高孔隙率与厚度减薄来实现（图1（b））。

图1 氢燃料电池HCD条件下由界面传质阻力引起的传质损失与电压降低

研究成果

1. 沟脊结构流场：

在HCD条件下多孔流场传质强化方面，课题组围绕氢燃料电池沟脊结构流场与多孔流场传质强化开展了相关研究工作。其中，针对沟脊结构流场传质损失，课题组通过调控材料工艺参数（模压压力与浸渍压力）制备了超薄高强高导柔性石墨板，单板厚度接近0.5mm，实现了减薄的同时保持流场板较高的本征导电（>600 S/cm）与力学强度（>40 MPa），对应电池性能也实现高效强化（图2）[5] [6] 。在勾脊流场传质结构优化方面，课题组受到都江堰水利工程中内河与外河通过河床宽度与深度耦合调控实现旱季与涝季河道内水流四六分古老智慧启发，创新提出多维度参数耦合调控实现电池传质性能高效强化，重点构建流道内部阶梯挡块、流场区域内流道宽度梯度渐变与流场入口歧管管径渐变三因素耦合调控，实现勾脊结构流场传质性能与电池功率密高效提升（图3）[7] 。

图2 超薄柔性石墨流场板减薄与本征性能优化实现电池功率密度提升

图3 多因素耦合调控实现电池传质性能与电池功率密度高效提升

2. 金属多孔流场：

针对金属泡沫流场因高孔隙率和高比表面积诱发腐蚀造成氢燃料电池HCD条件下欧姆损失加剧和稳定性衰退严重问题，课题组采用化学气相渗透在镍泡沫多孔流场骨架表面沉积形成了具有高覆盖率、高连续性和良好晶体结构碳膜，实现了镍泡沫流场的电导率、疏水性和耐腐蚀性“一石三鸟”协同强化，对应峰值功率密度和极限电流密度与未镀碳的镍泡沫流场相比分别提升21%和15%（图4）[8] 。此外，针对均匀孔隙率的金属泡沫流场存在气体平面分布不均匀的问题导致电池内部的电化学反应、电流密度与温度分布不均匀等问题，课题组基于数值模拟和选区激光熔覆技术构建了具有孔隙率80%-70%-60%“回”型梯度分布的三维有序多孔钛合金流场，通过调控单元体拓扑结构与孔隙率梯度特征实现了传质速率与传质均匀性协同提升；其传质损失和欧姆损失分别降低56%（参比平行流场）和45%（参比金属泡沫流场）（图5）[9] 。

图4 “一石三鸟”实现金属镍泡沫流场耐腐蚀、导电与排水本征性能与电池功率密度协同优化

图5 三维有序多孔流场传质性能仿真设计与单电池性能验证

3. 阴极气体扩散层：

在氢燃料电池气体扩散层的传质强化方面，课题组从GDL的气体传输与水管理方面开展相关研究。针对HCD条件下GDL的水管理问题，课题组采用多尺度数值仿真与实验研究相结合方法，探究了在GDL碳纤维表面水热沉积疏水介质对其排水性能影响规律，进一步采用分子模拟揭示水热沉积纳米疏水介质对碳纤维表面组分与拓扑形貌的影响，及其对碳纤维表面润湿性影响规律；基于分子模拟结果构建GDL介观模型研究纤维表面润湿性、孔隙率、孔径等关键参数对GDL内部液态水传输速度与饱和度影响规律，明确影响GDL内部液态水传输特征参量的主导因素及其影响规律（图6）[10] 。针对GDL疏水强化过程疏水性与导电性能的竞争关系，课题组创新提出“强预疏水+高温烧结处理”调控策略，实现了商用气体扩散层疏水性能与导电性能协同强化，对应电池峰值功率密度提升17%[11] （图7）。

图6 商用GDL疏水处理对其纤维表面润湿性与孔隙内水管理性能影响规律

图7 “预疏水处理+高温烧结”突破GDL疏水特性与导电性能竞争瓶颈问题

基于对商用气体扩散层的传质性能与本征性能调控研究基础，课题组提出构建超薄孔隙率梯度分布的纳米纤维GDL，系统研究了静电纺丝工艺参数对e-GDL的孔隙结构、本征导电和力学强度及其电池性能的影响规律。其中，采用静电纺丝技术构建的沿厚度方向孔隙率梯度分布的超薄（120μm）纳米纤维气体扩散层相比商用气体扩散层内氧气浓度提升超过40%，氢燃料电池功率密度提升2.4%（图8）。

图8 超薄纳米结构GDL制备及其水管理构效关系研究

在对传质组件自身传质性能优化调控基础上，课题组针对传质组件界面的传质损失开展相关研究，重点针对多孔流场与超薄纳米扩散层界面传质优化进行调控，从气体扩散层的传质结构有序设计与润湿性精细调控方面进行了系统整理与总结（图9）。创新提出构建超薄气体扩散层与催化层一体扩散电极结构，进一步配合三维有序多孔流场实现传质结构本征传质能力与电池传质组件界面传质能力的协同强调控，为HCD条件下的电池功率密度提升提供新的传质结构设计思路[12] 。

图9 一体扩散电极与多孔流场新型传质结构实现电池传质性能与功率密度高效提升

论文信息

  1. Ren, G.; Qu, Z.; Wang, X.; Zhang, J., Liquid water transport and mechanical performance of electrospun gas diffusion layers. International Journal of Green Energy 2022, 19 (2), 210-218.

  2. Ren, G.; Qu, Z.; Wang, X.; Zhang, G., Enhancing the performance of proton exchange membrane fuel cell using nanostructure gas diffusion layers with gradient pore structures. International Journal of Hydrogen Energy 2023.

  3. Wang, X.; Wu, Y.; Wang, X., Hydrophobicity enhancement of gas diffusion layer induced by hydrothermal deposition process and the electrochemical performance of proton exchange membrane fuel cell. Surfaces and Interfaces 2023, 38, 102839.

  4. Wang, X. L.; Wang, W. K.; Qu, Z. G.; Ren, G. F.; Wang, H. C., Surface roughness dominated wettability of carbon fiber in gas diffusion layer materials revealed by molecular dynamics simulations. International Journal of Hydrogen Energy 2021, 46 (52), 26489-26498.

  5. Wang, X.; Qu, Z.; Yang, H.; Zhang, G.; Zhang, Y.; Liu, C., Collective Enhancements on Thermal-Electrical and Mechanical Properties of Graphite-Based Composite Bipolar Plates through the Coupled Manipulations of Molding and Impregnation Pressures. Membranes 2022, 12 (2), 222.

  6. Wang, X.; Wei, S.; Wu, Y.; Cai, H.; Qu, Z.; He, P., Achieving high electrochemical performance of PEMFCs with ultrathin and highly conductive graphite-resin composite bipolar plates. International Journal of Hydrogen Energy 2024, 55, 654-664.

  7. Wang, X.; Wu, Y.; Cheng, Y.; Lu, G.; Tan, C., Collective improvements in flow maldistribution and interface contact resistance of flow field in proton exchange membrane fuel cells via coupling manipulation of gradient porosity and unit cell topology. Journal of Power Sources 2025, 653, 237711.

  8. Wang, X.; Wu, Y.; Cai, H.; Jin, Z.; Qu, Z.; Tao, W., Achieving triple improvements in intrinsic properties for porous flow field materials and the proton exchange membrane fuel cell electrochemical performance. Journal of Power Sources 2024, 604, 234508.

  9. Wang, X.; Cheng, Y.; Wu, Y.; Qu, Z., Multi-parameter coupling manipulations for enhancing mass transfer uniformity and electrochemical performance of parallel flow fields in proton exchange membrane fuel cells. Journal of Power Sources 2026, 673, 239670.

  10. Wang, X. L.; Qu, Z. G.; Lai, T.; Ren, G. F.; Wang, W. K., Enhancing water transport performance of gas diffusion layers through coupling manipulation of pore structure and hydrophobicity. J. Power Sources 2022, 525, 231121.

  11. Wang, X. L.; Qu, Z. G.; Ren, G. F., Collective enhancement in hydrophobicity and electrical conductivity of gas diffusion layer and the electrochemical performance of PEMFCs. Journal of Power Sources 2023, 575, 233077.

  12. Lu, H.; Wang, X.; Qu, Z., Advances and challenges in porous electrodes of proton exchange membrane fuel cells with enhanced mass transport performance: from ordered structures to integrated structures. Energy Storage and Saving 2026.

作者介绍

王学亮，西安交通大学能源与动力工程学院副教授，博士生导师。研究方向包括氢能技术及氢燃料电池水热管理优化设计，先进金属基散热材料设计与开发。主持国家重点研发计划子课题1项、国家自然科学基金青年项目1项、省级重点实验室开放基金2项、校级交叉学科基本科研业务费2项和多项企业课题。担任国家自然科学基金项目评审专家、全国研究生教育评估监测专家库成员、广东省科技厅项目评审专家库成员、SCI期刊Materials客座编辑、Rare Metals和《中国表面工程》青年编委，担任第15-18届全国大学生节能减排大赛函评专家。发表SCI期刊论文60余篇，国内核心期刊3篇，ESI高被引论文4篇，申请发明专利15项，授权6项。担任Energy Conversion and Management、 Journal of Power Sources、Carbon、International Journal of Hydrogen Energy、International Journal of Heat and Mass Transfer等国际期刊审稿人。

PEMFC多孔电极超高功率密度