中国科学院过程工程研究所杨宁研究员等基于格子玻尔兹曼等模拟技术在AIChE Journal, Chemical Engineering Science上发表了关于电解槽内多孔传输层除氧的研究成果。
电解水制氢是实现可再生能源储能和“双碳”目标的重要技术，其中质子交换膜电解水（PEM）凭借其快速响应和高电流密度运行能力表现出显著优势。然而，在高电流密度下，阳极氧气堵塞多孔传输层（PTL）孔道成为制约电解性能的关键问题。为探究气泡移除机制，开发了耦合电化学、多相流动力学与离子传输的多物理场模型，以及基于浸入边界法、相场模型与格子玻尔兹曼方法（IBM-PFM-LBM）的微观数值模拟技术，深入研究高电流密度下电解槽内多相流流动特性。研究发现，在高气含率条件下，PTL内的气泡移除机制发生改变，流道下游段气含率的逆梯度分布极大地阻碍了氧气排除，导致电解性能恶化。同时，气泡突破孔道的入侵阶段，受到PTL孔道尺寸和喉道特性的显著影响。在高电流密度下，与调整界面张力相比，优化PTL孔道尺寸更为有效，可显著缩短气泡突破时间并促进氧气排除。这些研究成果不仅揭示了高电流密度下PEM电解槽性能恶化的内在机制，也为高效电解槽设计和优化提供理论依据。
图1. 不同高度和电流密度下沿X方向的气体体积分数
来源：
[1] Jingchang Zhang, Xiaoping Guan*, Ning Yang*, Lattice Boltzmann simulation of oxygen removal from anode porous transport layer in proton exchange membrane electrolyzer. Chemical Engineering Science, 2024, 295: 120140.
[2] Jinhao Bai, Zifeng Li, Jingchang Zhang, et al., Proton exchange membrane water electrolysis at high current densities: Response time and gas-water distribution. AIChE Journal, 2023, 69, e18223.
