在电解水制氢的成本结构里，催化剂、膜材料与电价长期占据讨论中心，电解产物本身——气泡——往往被当作“自然会排走”的副产物。三篇综述给出的判断与此不同：当电流密度提高到工业级水平，气泡同时参与活化、欧姆与传质三类损失的形成，并且是局部缺水、热点乃至部件机械损伤的起点。电极能发出多少电流，很大程度上取决于气泡多快离开。
本文以三篇综述为主要依据：Yuan 等发表于 Progress in Energy and Combustion Science（2023）的气泡演化、影响与管理评述，Zhang 等发表于 International Journal of Hydrogen Energy（2025）的阳极多孔传输层气液两相流综述，以及 Doan 等发表于 International Journal of Energy Research（2021）的多孔传输层综述。文中数据均取自上述原文并注明测试条件，未注明出处的判断为编者分析。
一、反直觉的起点：传质损失增加，常常不是因为气泡太多
通常的直觉是“气泡越多，挡住的水越多，传质越差”。文献给出的结论相反。气泡演化由催化表面附近的气体过饱和度驱动：气泡的生成消耗溶解氧，降低催化剂表面的氧浓度，反而使传质损失下降；同时气泡在演化位置附近引起微对流（马兰戈尼效应），也有利于传质。
原文因此特别提醒：“人们容易错误地将气泡数量的增加与传质损失的增加关联起来……传质损失增加的原因并非气泡过多，而是气泡过少。”
这句话决定了整条技术路线的方向。当传质损失上升，真正的原因是过饱和度没有被足够高的气泡脱附频率所降低——即成核位点不足、单个气泡长得太大、脱附太慢。可观察到的现象是：同一时刻看到的气泡越多（脱附频率高）、气泡越小（脱附直径小），测得的传质过电位反而越小。
工程含义：不要把“产气量”当成问题指标，要看成核位点密度、脱附直径、脱附频率这三个量。后面所有有效的电极与扩散层改进，改的都是它们。
与这一机理并列的是三类损失的分工：气泡掩蔽催化表面造成活化损失；气泡不导电，其在电极表面覆盖与在 PTL 中积聚抬高欧姆电阻；气态氧在 PTL 中形成屏障、阻碍水到达催化剂层，则造成局部缺水——后果包括同一电池不同区域在同一电流密度下出现明显电压差、传质与欧姆损失同时上升，以及局部缺水位置热量无法耗散形成的热点。
二、气泡的完整路径：两个过程、两个位置
气泡问题可以拆成两个物理过程：演化发生在催化表面，包含成核、生长、脱附三个阶段；输运发生在部件与界面之间，气泡从催化剂层（CL）进入多孔传输层（PTL），再被流道中的水流带走。输运路径的长短与曲折程度，由各部件的孔隙率、润湿性与结构决定。
输运受阻有两个具体机制，它们几乎是所有 PTL 设计改进的出发点：一是面内移动，PTL 中气泡倾向从小孔隙移动到相邻大孔隙，而孔隙尺寸与空间分布是随机的，相邻大孔可能出现在面内方向，导致路径曲折、传输速率下降；二是肋下滞留，部分输运路径把气体送到流场肋下方，那里面的面外传输受阻，气体滞留。
由此，理想气泡行为的判据可以写得很具体：在同一电流密度下增加成核位点数量、减小脱附直径、提高脱附频率（尤其是高电流密度下）。另一篇综述补充了机理层面的结论：毛细力是 PTL 孔隙通道内气泡输运的主要机制，而 PTL 表面润湿性可调，意味着润湿性与结构参数可以同时改变，在不牺牲活化损失的前提下降低传质损失——但需要注意电流密度的影响。
三、四条技术路线：目标一致，入口不同
把三篇综述的案例按“改的是哪一层”归类，可以收敛成四条路线。它们的共同目标就是上文那三个判据，加上一条路径原则：让气泡有一条充足、直接、低阻的排出通道。
3.1 催化剂层：先把三相界面做对
离聚物含量是影响 CL 孔结构的关键参数。断层成像与离聚物建模的重建结果显示：离聚物含量增加会填充孔隙体积、降低孔隙率、增大孔隙迂曲度，高含量下性能下降、传质损失增大；但含量过低同样损失性能，原因是离子电阻与相关过电位升高。这是一个双向权衡，需要取平衡点。
载量与厚度存在类似的窗口。Ir 载量从 1 mg·cm⁻² 增至 5 mg·cm⁻² 时，CL 厚度从约 5 μm 增至 20 μm 以上；低载量薄 CL 使 PTL-CL 界面更不均匀，高载量则因厚度增加导致水气传输困难。定量对比显示：在 1.5 A·cm⁻² 下，2.2 mg·cm⁻² 样品的传质损失占比 23%，载量降至 0.45 mg·cm⁻² 时升至 69.9%。
超疏气电极是近年最集中的方向。判据是气泡接触角通常大于 150° 且滞后可忽略；理论上，微结构粗糙度可把本征疏气表面的气泡接触角放大到超疏气区间，设计可实现 Cassie 态的表面微结构是可行途径。已报道的体系多为纳米片、纳米板、纳米枝晶、纳米柱、纳米管、纳米锥阵列，代表数据见表 1。但工程化难点同样明确：这些合成路线难以直接在膜上生长超疏气结构，钛箔样品难以用 decal 法完整转移，而“催化剂直接生长在 PTL 上”的路线又面临离聚物难以与所有催化剂良好接触、离聚物添加可能破坏原有超疏气特性的矛盾。
三维有序结构的收益来自三处：更高有效表面积带来更多成核位点、可控制成核位置以降低黏附概率、提供顺畅输运路径。一个直观的对比来自注气实验：无序泡沫镍电极的气泡释放呈 3131 ms 的间断周期（存在积聚），而 3D 打印镍电极以约 124 ms 的间隔稳定释放。但尺寸窗口很窄——孔径过小（如 200 nm 级）反而使质量活性与比活性显著下降，孔径继续增大到 1200 nm 亦无改善；厚度增大也会显著降低性能，因为气泡传输路径变长。
催化剂涂层扩散层（CCLGDL）是把“界面”本身当成设计对象：不把 PTL 粘合到 CCM 上，而是预先将 CL 涂覆在薄型钛 PTL 表面，再与膜复合，无法被 PTL 接触到的 CL 区域被去除。其观察起点是一个可视化发现——氢气泡与氧气泡都主要在 CL 与相邻 PTL 的界面处生成，且气泡只在良好电导体周围生成，说明面内电子传导至关重要。收益的量级值得记住：Ir 载量 0.17 mg·cm⁻² 的电池性能与 3 mg·cm⁻² 的 CCM/钛毡相当，Ir 质量活性 16 倍；Pt 侧 0.086 mg·cm⁻² 对标 3 mg·cm⁻²，最高 31 倍。
3.2 多孔传输层：把随机孔隙换成设计路径
图案化通孔是原理最干净的一种：通孔从 PTL-流场界面一直贯穿到 CL-PTL 界面，孔内输运阻力低，气泡被引导沿通孔排出。原位 X 射线照相证实，尽管气体生成位点在界面上分布广泛，大多数气泡仍经通孔转移到 PTL-流场界面。效果：9.0 A·cm⁻² 下界面附近气体饱和度仅为烧结钛粉基 PTL 的约一半，面外方向饱和度分布均匀，传质损失减少 76.7%。代价是界面接触减少带来的活化损失略增，孔图案与孔径仍有优化空间。
梯度结构的设计逻辑可以用叶片类比：靠近 CL 处用小孔径以最大化接触，孔径随接近流场界面而增大，气泡排出时沿浮力方向阻力最小、路径最短；同时底部较小孔隙率提供顺畅的电子传导路径。孔隙网络建模与单电池验证都指向同一结论：孔隙率由 CL 侧向流场侧增大（LP→HP）时氧饱和度显著降低、液态水渗透率增大；相反的 HP→LP 梯度会导致氧气在界面附近积聚。多层 PTL 属于同类构型，把微孔层与支撑层共同烧结，可同时降低界面粗糙度、改善与凹凸 CL 表面的结合，催化剂利用率提升至两倍以上、2.0 A·cm⁻² 下传质损失降低 45%。
润湿性改性的成本最低、效果却不小。疏水到亲水的对比显示，接触角减小带来性能提升：亲水 PTL（10°）相比疏水 PTL（120°）在 2 A·cm⁻² 下电压低约 200 mV。超亲水处理（碱性/氧化性溶液煮沸）在运行中中子可视化下表现为更低的氧气饱和度，电流密度高于 5.0 A·cm⁻² 时电池电压下降超过 11%，且电流越大改善越明显。更进一步的是两亲性图案：构建疏水与亲水通道，把气体与液体的传输分开——氧气泡在疏水通道中生长与分离更快，采用该结构的电池在 2 V 下达到 3.2 A·cm⁻²，原始 PTL 仅 1.4 A·cm⁻²。
3.3 流场与新构型：把一层界面直接去掉
常规流场的结论目前仍相互矛盾：有报道称单蛇形与平行流场更优，但近年采用平行流场双极板的工作增多，可能的原因是平行流场通道更短、气泡更易流出。也有工作用结构化网孔通道把大气泡打碎，缓解段塞流与环状流的形成。
更彻底的做法是取消阳极流场。一种方案用钛多孔烧结层与钛膨胀金属网组合，PTL 直接与平板接触，网的凸起与凹陷起到流场作用，同时形成孔径梯度；该设计消除了 PTL-流场界面、降低相关欧姆损失，与仅用钛网的电池相比在 4.0 A·cm⁻² 下效率提高 31%。另一种是把销钉流道、PTL 结构与催化剂层做成一体（一体化双极电极），3D 打印加溅射制备，欧姆电阻约 100 mΩ·cm²，1.62 V 下实现 1000 mA·cm⁻²，Pt 质量活性 4.48 A·mg⁻¹。
3.4 主动管理：把气泡当成可调控的运行变量
外部物理场与运行策略同样有效，但都有适用边界。磁场的关键在取向：垂直于水平电极的磁场导致气泡旋转，平行于垂直电极的磁场可加速脱附，而若洛伦兹力方向与浮力相反，外加磁场反而成为阻碍脱附的力；合理布置时 0.5 T 下性能提高 33%，且改善在低水流量下不明显。超声通过空化改善脱附，碱性体系中 50 W、60 Hz 下，超过 80 mA·cm⁻² 后效率提高 5–18%（扣除超声能耗后总效率仍上升）。超重力场在 0.5 A·cm⁻² 下 25 G 至 256 G 均观察到过电位降低。脉冲电压通过“泵送效应”使 CL 表面气泡在两个电压状态间完全脱附，降低单位氢能耗；压力摆动则周期性引入突然压降，气泡先迅速长大形成电压峰、随后脱附使电压回落——原文判断该方法在 PEMWE 中可能同样有效。
四、把数据放在一起看
单看某一篇的结论容易被单个实验条件误导。把四条路线的代表结果按“同一基准的相对改善”摆在一起，量级差异就清楚了：质量活性的提升在三倍到三十倍之间，而损失项（传质损失、电压）的降幅多在 10%–77%。这两类数字不能互相替代——前者节省的是贵金属，后者节省的是电。
| 技术手段 | 代表工作 | 关键数据 | 条件 |
|---|---|---|---|
| CCLGDL（薄型钛 PTL + 涂覆 CL） | Zhang 团队 | Ir 0.17 mg·cm⁻² 性能对标 3 mg·cm⁻² 的 CCM/钛毡，质量活性 16×；Pt 0.086 mg·cm⁻²，31× | 单电池 |
| 图案化通孔 PTL | Bazylak 团队 | 界面附近气体饱和度约为烧结钛粉 PTL 的一半；传质损失 −76.7% | 9.0 A·cm⁻² |
| 多层 PTL（MPL-PTL） | Schuler 等 | 催化剂利用率 2× 以上；传质损失 −45% | 2.0 A·cm⁻² |
| 超亲水 PTL（碱/氧化剂煮沸） | Zhao 等 | 氧气饱和度低于未处理样品；电池电压 −11% 以上，电流越大越显著 | >5.0 A·cm⁻² |
| 两亲性图案 PTL | Lim 等 | 2 V 下 3.2 A·cm⁻²，原始 PTL 为 1.4 A·cm⁻² | 2 V |
| 取消阳极流场（烧结层 + 钛网） | Stiber 等 | 效率 +31%（对比仅用钛网的电池） | 4.0 A·cm⁻² |
| 一体化双极电极（AIOBE） | Yang 等 | 欧姆电阻约 100 mΩ·cm²；1.62 V @ 1000 mA·cm⁻²；4.48 A·mg⁻¹ Pt | 单电池 |
| 超疏气三维有序 CL（AEMWE） | Wan 等 | 传质损失占总损失比例由 32.3% 降至 9.6% | 2000 mA·cm⁻² |
| 催化剂涂层 TTLGDL（AEMWE） | Zhang 课题组 | 塔菲尔动力学段与极化曲线分离点由 0.3 推迟至 1.6 A·cm⁻² | — |
| 离聚物含量优化（纯水 AEMWE） | Wan 等 | 1.90 V @ 1900 mA·cm⁻²，为常规 IrO₂ CCM 型 CL 的 2.2 倍 | 纯水 |
| 磁场（合理布置） | Kaya 等 | 性能 +33%；低水流量下改善不明显 | 0.5 T |
| 超声场 | Li 等 | 水电解效率 +5%–18%（扣除超声能耗后仍上升） | 50 W / 60 Hz，碱性 |
五、迁移到 AEMWE：纯水运行多了一道约束
PEMWE 中的多数气泡管理策略可以借鉴到 AEMWE——两者除各部件材料与进液方式外，膜电极与电池结构几乎相同。已报道的代表性结果包括：在 CL 中构建面向 PTL 的垂直通道阵列并叠加超疏气表面，500 mA·cm⁻² 下传质损失几乎为零；把 PTL 厚度从泡沫钛的约 260 μm 减到约 50 μm 的催化剂涂层薄箔，使动力学段偏离推迟；3D 打印有序电极；以及把催化剂直接生长在 PTL 上的自支撑结构，避免了喷涂 CL 带来的界面问题。
但 AEMWE 有一个 PEMWE 没有的变量：从电解液切换到纯水之后，离聚物网络成为离子传输的唯一通路。这一步的代价相当具体——失去 KOH 提供的额外离子传输路径，ECSA 利用下降，常规自支撑电极的性能恶化明显。离聚物含量的影响是非单调的：降为 0 时纯水性能大幅下降，10% 即可大幅改善，增加到 20% 时性能反而下降，原因是表面被离聚物过度覆盖、高频电阻增大、电子转移受阻。优化后的电极在纯水下 1.90 V 达到 1900 mA·cm⁻²，为常规粉末 IrO₂ 型 CL 的 2.2 倍。
对以纯水 AEMWE 为方向的团队，离聚物同时是“离子通道”和“气泡通道的阀门”。它不仅决定离子电阻，还改变形貌、接触角与孔隙率——也就是说，它会直接改写气泡成核与脱附的条件，甚至可能破坏原本超疏气的表面性质。这意味着离聚物配方不能只按电化学指标优化，必须与气泡行为一起考察。
另一条与制造工艺直接相关的路线是在 PTL 上喷涂镍基微孔层：低毛细压力的微孔层促进水向反应位点输运，同时抑制氢氧逆向流动对活性位的掩蔽，更致密的涂层还改善了 PTL-CL 接触。阻抗谱显示性能提升来自电子转移电阻与传质阻力的同时下降——这与 PEMWE 侧多层 PTL 的逻辑一致。
六、把结论收敛成可执行的三句话
先问改的是哪个变量。任何电极、扩散层或流场改动，都应当能回答它改变了成核位点数量、脱附直径、脱附频率中的哪一个，以及排出路径是变短还是变长。回答不了，就还只是“试了一种结构”。
有效手段的共同点是“结构化”，不是“均匀化”。梯度孔径、图案化通孔、两亲性图案、三维有序、自支撑电极——没有一项是靠把孔隙做得更均匀实现的，全部是用人工设计的路径替代随机孔隙。反过来说，涂层致密度、图案精度、界面结合这些工艺能力本身，就是气泡管理效果的分水岭。
柔性运行场景下，气泡应当被当作可监测变量。PTL 内气体饱和度对电流变化的响应明显滞后，重复升降载会累积残余气体；而脉冲电压、压力摆动又已被证明可以加速脱附。这组看似矛盾的现象提示：把气泡状态从“事后测量的性能损失”变成“运行中可观测、可调节的量”，对以风光耦合为定位的电解槽，可能比再压一档电压更有差异化价值。
需要说明的是：上述数据来自不同实验室、不同电池结构、不同测试条件下的小面积单电池结果，直接横向比较存在风险，也不代表在兆瓦级系统上可以等比例复现。气泡管理的收益高度依赖流道设计、水流量、运行温度与电流密度区间，工程放大时需要重新验证。
参考文献
S. Yuan, et al. Bubble evolution and transport in PEM water electrolysis: Mechanism, impact, and management. Progress in Energy and Combustion Science, 2023, 96: 101075. DOI: 10.1016/j.pecs.2023.101075
X. Zhang, et al. A review of gas-liquid flow characteristics of anode porous transport layer in proton exchange membrane electrolysis cell. International Journal of Hydrogen Energy, 2025, 100: 1010–1029. DOI: 10.1016/j.ijhydene.2024.12.392
T. L. Doan, et al. A review of the porous transport layer in polymer electrolyte membrane water electrolysis. International Journal of Energy Research, 2021. DOI: 10.1002/er.6739（开放获取）
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