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质子交换膜水电解槽微孔层结构优化研究，基于二维两相多物理场耦合模型，系统分析阳极微孔层（AMPL）和阴极微孔层（CMPL）对氧分布均匀性、液态水饱和度及跨膜压差的影响，发现AMPL显著降低阳极液态水饱和度达50%，最优参数为厚度50-90μm、接触角80°、孔隙率0.2-0.3。
张蕾|程有亮|张一鹏|陈菊|杨天朗
中国华北电力大学能源电力创新研究所，新能源储能技术北京实验室，北京102206
摘要：
质子交换膜水电解器（PEMWEs）被认为是高纯度氢气生产和可再生能源整合的核心技术。其性能和耐久性受到电极微观结构设计的强烈影响。为了系统研究微孔层（MPL）在电解器中的作用，我们开发了一个二维、两相、多物理场耦合的模型，以探讨MPL的位置、厚度、孔隙率和润湿性如何影响电解性能、氧气分布以及膜两侧的压差。结果表明，阳极MPL的影响显著强于阴极MPL，有效提高了氧气分布的均匀性16.3%，降低了阳极处的液态水饱和度，并优化了气液共传输。增加MPL的厚度可以显著提高催化剂层中的氧气摩尔分数并改善分布均匀性；然而，过大的厚度或极端的疏水性/亲水性会导致性能下降。更重要的是，阳极MPL的存在可以将跨膜压差降低多达50%。此外，厚度、孔隙率和疏水性的协同优化可以在高电流密度下提高效率，同时增强安全性和耐久性。最佳MPL参数为厚度50–90 μm、接触角80°和孔隙率0.2–0.3%。本研究为PEMWEs的电极微观结构设计提供了理论见解和实际指导，对大规模应用具有重要意义。
引言
质子交换膜水电解器（PEMWEs）因其高纯度氢气输出、快速动态响应和与可再生能源的兼容性而被广泛认为是未来绿色氢气生产的基石。然而，它们在高电流密度下仍面临持续挑战，包括质量传输限制、高贵金属负载和耐久性问题，这使得电极结构设计尤为重要。在电极组件中，微孔层（MPL）在燃料电池中因其在促进质量传输和水管理方面的作用而被广泛研究，而其在电解器中的功能则较少被系统探索。最近的研究表明，MPL可以减少氢气交叉、增强界面反应活性并提高耐久性。因此，迫切需要深入理解MPL在PEMWEs中的机制并优化其设计，以指导开发高效、经济且持久的电解器。
关于厚度，Sakaida等人证明减少MPL厚度可以显著降低高电流密度下的质量传输阻力，从而提高燃料电池的峰值功率密度[1]。Zhang等人发现机械压缩会显著降低孔隙率和渗透性，从而加剧局部传输阻力[2]。进一步的研究表明，压缩引起的界面变形会导致局部水分布不均和氧气传输阻力增加[3]。根据Tayarani-Yoosefabadi等人的研究，微孔结构的随机性对整体传输均匀性和电池性能有显著影响[4]。Nishimura等人研究了MPL厚度对温度分布的影响，发现MPL的存在可以在高温条件下缓解局部过热。然而，过大的厚度可能会增加热阻并影响热传递性能[5]，[6]。
从孔隙的角度进行分析，García-Salaberri和Sánchez-Ramos通过数值模拟系统研究了膜电极组件中微观结构参数对两相条件下质量传输和反应分布的影响。他们的结果表明，MPL中较大的孔结构有助于缓解局部液态水积聚并降低传输阻力，而过小的孔径则会阻碍气体传输，导致反应不均匀[7]。Chen等人利用X射线断层扫描定量表征了MPL中的孔隙率及其空间分布，发现孔隙不均匀性显著影响局部气体渗透性和水去除特性[8]。Lan等人发现MPL中的裂纹会导致局部反应不均匀，从而降低整个燃料电池的性能[9]。Jiang等人证明合理穿孔的MPL有助于去除液态水，降低淹没风险，从而提高功率密度[10]。Wu等人通过精确的微观结构控制实现了MPL中的高度工程化孔结构，表明这种设计显著提高了氧气传输效率和功率输出[11]。Song在MPL内构建了碳网络结构，增强了气体扩散并减少了液态水的滞留[12]。Liu等人结合实验和建模系统研究了孔径和孔隙率在水传输中的作用，得出较小孔径有助于保持水分但会加剧气体传输阻力，而较大孔径则有利于气体扩散[13]。然而，上述分析主要基于燃料电池，孔隙率对电解器可能具有不同的影响。
亲水性也起着重要作用。Mohseninia等人修改了MPL和催化剂层（CL）的结构，发现大孔结构在湿润和干燥条件下都能重新分配两相流动，提高质量传输和高电流性能[14]。Li等人制备了具有不同亲水性和疏水性的静电纺丝MPL，并证明疏水性MPL在湿润条件下表现更好，而亲水性MPL在干燥环境中更有优势，这突显了厚度和润湿性之间的强耦合[15]。在此基础上，Lin等人报告了具有匹配厚度和疏水性的双层MPL可以减少水分滞留并提高气体传输效率，这一发现后来被Lin等人通过实验验证[16]，[17]。Zhang等人通过硅烷修饰碳黑制备了超疏水性MPL，将接触角从63°提高到157°，显著提高了气体渗透性、水排放和单电池功率密度[18]。Wang等人设计了在不同湿度下保持稳定传输和性能的疏水/亲水复合材料[19]，而Ira等人结合模拟和实验证明了双层疏水-亲水结构可以改善水路径分布并减少阴极水分滞留[20]。Wu等人进一步强调了MPL在结构完整性和质量传输中的双重作用，突出了它们在燃料电池和电解器中的潜力[21]。
尽管在燃料电池方面取得了显著进展，但对PEMWEs中MPL的系统研究仍然很少，大多数研究仅限于初步实验探索。尽管如此，MPL通过提高性能、减少氢气交叉和改善电极-电解质界面特性在电解器中发挥着关键作用。因此，最近的研究越来越多地集中在它们的结构设计、功能优化和制造方法上[22]。Ding等人修改了阳极侧的MPL，证明了增强的界面活性，从而提高了氢气产率和效率[23]。Wang等人提出了同时抑制氢气交叉和改善电化学性能的双功能阴极MPL，从而提供了一种平衡安全和效率的策略[24]。Ernst和Zou等人系统地制备和表征了基于MPL的传输层，证明它们的微观结构控制了两相水/气体传输，从而影响电解器的稳定性和性能[25]，[26]。Schuler等人设计了超薄MPL，在低铱负载、薄膜和高电流密度下降低了欧姆电阻并拓宽了安全操作窗口[27]。Zou等人通过在MPL中加入不同质量分数的Nafion树脂构建了梯度结构的气体扩散层，从而改善了阳极侧的水管理[28]，[29]。Kulkarni等人证明MPL可以改善氧气分布并显著延长PEMWEs的耐久性[30]。Zeng等人对集成MPL的PEMWEs进行了数值评估，确认MPL对电极耦合和整体效率有关键优化作用[31]。
总体而言，MPL的结构控制着PEM燃料电池中的两相传输、局部反应活性和整体性能。目前，MPL在PEM水电解器中的作用主要与抑制氢气交叉和提高长期耐久性相关。然而，特定的MPL结构和界面特性如何影响传输过程、电化学行为和操作性能，以及这些影响的程度和机制仍不完全清楚，需要系统研究。鉴于此，本研究基于团聚体框架开发了一个二维、两相、多物理场耦合的电解器模型。该模型用于研究MPL的位置、厚度、孔隙率和接触角对PEMWE操作的影响，旨在阐明潜在机制和优化途径。研究结果为开发高效、安全和耐用的绿色氢技术提供了理论见解和实际指导。
模型介绍
本研究中使用的几何模型代表了一个二维单通道电解器单元，包括流动通道（CH）、多孔传输层（PTL）、阳极和阴极催化剂层以及质子交换膜（PEM）。在阳极，入口提供液态水、水蒸气和氧气的混合物，出口也是如此定义的。同样，阴极入口接收液态水、水蒸气和氢气的混合物，其出口也是如此
MPL的位置
如表3所总结的，根据MPL添加的位置定义了不同的情况：情况1为两个电极均无MPL；情况2为仅在阳极有MPL；情况3为仅在阴极有MPL；情况4为两个电极都有MPL。然后进行了模拟，以评估MPL的厚度、孔隙率和接触角的影响。对于所有四种有MPL的情况，参数设置为厚度30 μm、接触角80°和孔隙率40%。
图5（a）显示了
结论
本研究通过多物理场数值模拟系统阐明了MPL在PEM水电解器中的作用。结果表明，阳极微孔层（AMPL）在控制质量传输和操作稳定性方面起主导作用，而阴极微孔层（CMPL）的影响相对较弱。AMPL显著降低了阳极催化剂层中的液态水饱和度，提高了氧气摩尔分数和分布均匀性，并将跨膜压差降低了多达50%
作者贡献声明
杨天朗：资金获取。陈菊：可视化。张一鹏：资源、数据管理。程有亮：方法论。张蕾：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿
作者声明
我们确认所有列出的作者都已阅读并批准了手稿，并且没有其他符合作者资格但未列出的人。我们进一步确认手稿中列出的作者顺序已得到所有人的批准。
我们确认已经充分考虑了与本工作相关的知识产权保护，并且不存在影响发表的障碍，包括发表时间
致谢
本工作得到了中国国家重点研发计划（2023YFB4005000）的支持
