《International Journal of Hydrogen Energy》：The effect of oxygen-water separation transport porous transport layer on oxygen management in proton exchange membrane water electrolysis
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质子交换膜水电解制氢中，新型多孔传输层（PTL-ST）通过氧水分离结构优化，有效缓解氧气在催化剂涂覆膜表面堆积问题，提升高电流密度（5 A/cm2）下的氧传输效率。基于 lattice Boltzmann 方法与电化学反应耦合模型，模拟发现四通道PTL-ST（占10%面积）使表面氧饱和度降低至传统PTL的28.8%，揭示空间异质结构对氧-水双相传输的调控机制。
李青|何宇婷|潘亮明|邹亚楠|张路腾|孙万|马在勇|朱龙祥|连强|唐思淼
西南交通大学电气工程学院，中国成都，610031
摘要
质子交换膜水电解技术已成为利用可再生能源生产氢气的一种有前景的技术。然而，在多孔传输层（PTL）内有效管理气泡仍然是一个关键挑战，这限制了系统的效率。本文采用格子玻尔兹曼方法研究了具有氧-水分离传输能力（PTL-ST）的新型PTL设计中的氧传输机制及其控制因素。PTL-ST调节了氧传输路径，并减少了催化剂涂层膜（CCM）表面的氧积累，这种现象是由于传统PTL中的固有结构缺陷引起的。斯皮尔曼相关性分析显示，CCM表面的氧饱和度与突破压力之间存在强烈的正相关关系。具有四个气体通道的样品（占面积的10%）表现出最佳性能，其氧饱和度是传统PTL的71.2%。这些发现有助于深入理解PTL中的气泡动态，并为下一代电解系统的开发提供依据。
引言
不断增长的能源需求加速了人类对可再生能源的探索，将减少碳排放确立为能源经济结构转型的核心目标[1,2]。氢气已成为未来社会的理想能源载体，能够实现其能源循环的完全脱碳，并支持大规模存储和应用[3]。质子交换膜水电解（PEMWE）系统能够快速响应不同电流密度下的负载波动，使其成为将可再生能源直接转化为低成本氢气的最适用技术[4]。在国家碳中和政策的推动下，PEMWE已成为氢能从概念到实际应用的关键组成部分。进一步提高PEMWE的效率和耐用性对于控制成本和推进其应用（如长期能源存储和短期电网平衡）至关重要[5]。
先进催化剂的发展使得PEMWE能够在超过典型工业电流密度（<1.5 A/cm2）的条件下运行，从而显著减小设备尺寸和相关材料成本。然而，较高的电流密度加剧了PEMWE中的两相传输问题，对系统效率和稳定性产生了负面影响[6]。在典型的电解槽中，多孔传输层（PTL）作为催化剂涂层膜（CCM）和双极板（BP）之间的关键连接部件，直接决定了这些组件之间的电传输和质量传输性能[7]。在阳极侧，来自BP的水与来自CCM的氧气逆流传输，加上多孔介质的流动阻力，导致氧在PTL内部积聚。这种现象在高电流密度下会导致显著的质量传输过电位以及温度和电流分布不均[6,8]。尽管在高电流密度下运行PEMWE会增加欧姆损耗和质量传输损耗，但这被认为是降低电解槽成本和加速商业化的一种有前景的策略。因此，PTL内的氧管理问题成为实现高电流密度下PEMWE高效运行的关键挑战[6,9]。
目前的研究从多个方面对PTL进行了优化，包括但不限于其结构[10]、润湿性[11]以及新型PTL的开发[12]。这些研究通过电化学分析建立了PTL特性与质量传输性能之间的联系，强调了通过PTL优化可以提高PEMWE的性能[13]。然而，PTL的超薄多孔结构以及钛基材的加工挑战限制了大多数先前改进措施仅限于PTL表面或整体修改。此外，研究和工业应用基于市售的烧结钛和钛毛毡[14]，而这些商业PTL最初是为过滤应用设计的，由于制造过程的原因，其内部孔隙率较低。实验和计算表明，这种孔隙率特性严重阻碍了有效的氧传输[15,16]，而传统策略难以解决这一缺陷。最近在制造技术方面的进步使得可以通过激光和光刻等加工技术对薄膜材料进行精确的区域修饰，为电化学气体演化系统中的质量传输提供精确调控[17]。例如，在结构与PEMWE高度相似的可逆燃料电池系统中，研究人员通过光刻方法制备了具有不同亲水/疏水区域的PTL，并观察到在疏水区域中氧气有组织的排出，从而在燃料电池和电解槽模式下显著提高了性能[17]。还发现，通过调整PTL参数可以改变氧的传输过程，从而影响排出结果，表明这些设计方法有可能解决商业PTL孔隙特性导致的氧传输缺陷[16]。尽管当前研究已经证明了调节PTL特性以控制氧-水传输的有效性，但仍然需要明确PTL内部先进氧-水分离传输模式及其背后的机制，以便为进一步设计和优化PTL提供指导[18]。
鉴于PTL的不透明和多孔特性，数值模拟在参数范围内进行研究时比实验方法更具可行性，同时还能提高效率并降低成本。格子玻尔兹曼方法（LBM）因其高度并行性和对两相界面动态的有效描述而得到广泛应用，适用于涉及多孔介质中的质量传输领域，如燃料电池、电解槽和石油工程[[19], [20], [21]]。先前的研究提出了一种适用于PEMWE的改进LBM方法，该方法结合电化学反应，能够更准确地描述质量转换和考虑氧压变化的氧传输动态[16]。在此基础上，进一步深入分析两相传输是必要的，例如氧生成和传输的动态流动行为及其影响因素，这些是影响氧和水分布的主要因素。
本文研究了在高电流密度（5 A/cm2）下，氧-水分离传输参数对PTL内孔隙尺度氧和水传输的影响。利用微CT数据生成的PTL模型，并在PTL中引入各向异性区域以实现氧-水分离传输功能。与之前通过调整PTL标量参数来缓解氧和水的逆流传输机制下的堵塞问题的研究不同[16], [17], [18], [19], [20]，本研究引入并研究了一种空间解耦的传输机制。首先分析了氧传输行为，随后通过分析氧饱和度值和氧-水分布快照，全面评估了氧-水分离传输参数（包括润湿性、深度和各向异性通道的布局）对氧传输的影响。通过建立氧-水界面前沿与氧压之间的关系，进一步阐明了潜在的影响机制。斯皮尔曼相关性分析量化了氧-水传输结构设置与工艺参数之间的关系，解释了协同传输机制并确定了关键影响因素。通过这些分析，了解了氧-水分离传输模式如何影响CCM表面和PTL内部的氧传输。这些见解有助于进一步开发适用于高电流密度条件下的PTL。
计算域和样品设置
计算域和样品设置
如图1A所示，典型的PEMWE电解槽由BP、CCM和PTL组成。在传统的阳极PTL中，水和氧气之间存在逆流传输现象。通过在PTL中引入各向异性气体通道，可以获得具有氧-水分离传输能力（PTL-ST）的PTL样品，并通过分别促进水相和氧相的传输来提高质量传输效率。计算域如图1B所示，
从生成到突破的氧传输模式
分析了两相分布的演变过程，以研究从生成到突破的氧传输过程。如图2A和B所示，在局部孔结构的影响下，两种样品中的氧气都迅速向PTL/CCM界面附近的孔隙迁移，并向平面内和垂直于平面的（TP）方向扩散[32]。突破后，氧-水分布达到相对稳定状态，这种饱和稳定性可以归因于
结论
在孔隙尺度上研究了具有氧-水分离传输能力的先进PTL的氧传输机制及其影响性能的关键因素。采用优化的LBM模型结合电化学反应，准确描述了质量转换和氧传输动态。通过综合分析，获得了几个关键发现。
- 1)
在PTL-ST中，增强的氧传输机制涉及气体通道促进氧的快速传输
作者贡献声明
李青：撰写——初稿，研究，概念化。何宇婷：验证，数据管理。潘亮明：撰写——审阅与编辑，监督，项目管理。邹亚楠：方法论，研究。张路腾：软件，资源。孙万：验证，数据管理。马在勇：资源，研究。朱龙祥：研究。连强：形式分析，数据管理。唐思淼：撰写——审阅与编辑，数据管理。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
本工作得到了国家重点研发计划（编号2021YFB4000102）和国家自然科学基金（编号52506280和编号52306248）的支持。
