近日，中国科学院过程工程研究所低碳工业过程与智能计算课题组（LCP-IC）在PEM电解槽内多孔传输层氧气泡移除方面取得了新的研究进展。该成果以“Lattice Boltzmann simulation of oxygen removal from anode porous transport layer in proton exchange membrane electrolyzer”为题发表于国际期刊 《Chemical Engineering Science》。中国科学院过程工程研究所为通讯单位，杨宁研究员、管小平副研究员为文章的通讯作者，助理研究员张璟昌为文章第一作者。该项目得到了国家重点研发计划（2023YFE0106600）以及国家自然科学基金（22178354, 21925805）的支持。
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https://doi.org/10.1016/j.ces.2024.120140 研究背景
氢气具有清洁性、高能量密度和可再生性等优点，是传统化石燃料的理想绿色替代能源。然而，目前氢能的生产主要依赖于化石燃料热解。面对可持续能源发展的需求，我们迫切需要提高水电解的应用优先级。相比于碱性电解（ALK）、固体氧化物电解（SOEC）、阴离子交换膜水电解（AEM）等技术，质子交换膜（PEM）电解水具有宽负荷适应性、响应速度快，能够在高压和大电流密度下运行等优点，对可再生能源波动性具有较强的适应性。
多孔传输层（PTL）是质子交换膜水电解槽（PEMWE）的关键组件，它在电解槽中起着导通电流和输送气体、液体两相流体的重要作用，直接影响电解槽的能源效率和产氢能力。PEM制氢成本较高，而高电流密度操作是降低成本的有效方法之一，但这会导致大量氧气泡生成并堵塞PTL孔道，从而导致氧气在阳极催化层和多孔传输层之间的界面积聚，形成气泡覆盖现象，如图1所示。
图1. 阳极多孔传输层中气泡覆盖现象
气泡覆盖现象会阻碍反应物水到达催化剂表面，同时覆盖催化剂活性位点，阻碍热量传递，从而降低电解效率。许多实验研究了PTL微观结构对气泡移除过程的影响，然而实验研究存在无法可视化PTL中气液传输或者需要使用昂贵的非侵入性实验技术等局限性。相比之下，模拟方法无需昂贵的非侵入性技术，可以作为研究PTL内气液流动的有效方法。本课题组发表了一篇综述文献（DOI：10.1016/j.coche.2023.100988），概述了当前对PEMWE中多相流的认识以及相关的建模方法，并强调了调控PTL微观结构的重要性。此外，本课题组还开发了一个耦合电化学、两相流动力学和离子传输的多物理模型（DOI：10.1002/aic.18223），用于研究高电流密度下PEM电解槽内的多相流动以及响应时间特性，并从多相流动的角度解释了高电流密度下性能恶化的原因。最近，本课题组在多孔传输层的气液流动方面进行了微观模拟研究，文章亮点如下。 文章亮点
本文开发了一种浸入边界法-相场模型-格子玻尔兹曼的耦合方法（IBM-PFM-LBM），可以直接数值模拟多孔传输层的气液流动。该方法模拟的气体饱和度标准偏差低于0.2%。通过模拟研究，发现气泡的生长周期包括入侵（渗透）阶段、排气阶段、破碎阶段和回缩阶段，如图2所示。在整个气泡生长周期中，气泡的入侵阶段占据了3/4的时间，是气泡生长周期的关键阶段。因此，本文重点研究了入侵阶段，即气泡突破多孔传输层孔道的阶段。
图2. 气泡生长周期
图3. 界面张力对入侵时间的影响
研究发现，在入侵阶段，虽然降低界面张力可以使气泡通过较小的孔道突破，但会减弱气泡在纵向（催化层指向流道方向）上的渗透性，导致入侵时间变长，如图3所示。在可被气泡突破的孔道中，存在一类被称为喉道的孔道。喉道具有较小宽度的特征，可以阻碍气泡的流动，使气泡的流动速度降低并且压力升高，从而导致气泡出现憋压现象。研究还发现，当移除颗粒以消除其中一个喉道时，入侵时间减少了20%，如图4所示。
图4. 移除喉道缩短入侵时间
图5. 不同界面张力和电流密度下的临界喉道尺寸
为了确定临界喉道尺寸，我们进一步模拟了气泡通过单个孔隙的突破过程。研究发现，在较低电流密度（1.4 A/cm
2）下，降低界面张力（
σ）有助于气泡穿过较小的喉道。然而，在较高电流密度（14 A/cm
2）下，改变界面张力对气泡突破的临界喉道的影响较小，而气泡突破孔道主要受到临界喉道尺寸的限制，如图5所示。这表明，在高电流密度条件下，优化PTL孔道尺寸（PTL结构）比调整界面张力（物性）更有效地缩短气泡穿透时间并促进气泡的排除。这些发现为PTL的优化设计和提高PEM电解槽性能提供了重要的指导。
