电解槽多孔传输层(PTL)氧气传输特性

这篇文章主要研究了在聚合物电解水电解器的多孔传输层（PTL）中氧气气泡的运输机制。水电解是一种有前景的技术，可以通过无污染的过程将能量储存为高纯度氢气。特别是在质子交换水电解（PEWE）中，操作在高电流密度下能够提高电解速率，从而降低氢气的整体成本。然而，气泡的积累被认为是实现高电池效率的主要障碍之一，尤其是在高电流密度操作时，气泡的阻塞会显著增加质量传输损失并降低整体电池效率。

图1.展示了PEWE运行期间通过PTL的气泡传输过程。左侧为三维视图，右侧为横截面视图。图中深蓝色、透明白色和灰色分别表示水、氧气泡和钛颗粒。气泡在CL（红色）与PTL（灰色）的界面处成核，并在PTL与通道的界面处突破。

当气体气泡在CL/PTL界面成核时，气泡通过与相邻气泡的合并形成气泡团，从而增加了体积和表面能量。一旦气泡团长到临界大小，它就会从成核点脱离，下一个气泡成核并生长，这个过程会重复。气体气泡在孔隙中的运动取决于浮力、毛细压力和表面张力等力的机械平衡。因此，气泡团的向上运动是通过克服毛细压力和表面张力由浮力驱动的运输。图2展示了PTL中气泡传输过程的描述。在高电流密度条件下，PTL中的质量传输限制不受毛细压力的影响。然而，由于该过程与操作条件及结构和表面参数密切相关，因此难以对微孔中的传输现象进行定量测量和定义。PTL是电化学反应发生的场所，负责液态水和气泡的分布，气泡作为反应物水和产物氧气在阳极催化层（CL）之间传输的介质。PTL的特性，如孔径、孔隙率和表面特性，对质量传输和欧姆损耗有显著影响。本研究旨在探讨并建立上述特征与孔隙尺度模型中气泡动力学之间的关系。

图2.展示了PTL中气泡传输过程的图形表示。具体包括：(a) 气泡的生长与聚结；(b) 气泡团聚体的合并；(c) 气泡克服毛细压力和表面张力，在浮力作用下上升；(d) 气泡团聚体突破并形成较大气泡；(e) 气泡在孔隙中的运动，此过程中浮力、毛细压力和表面张力相互作用。其中，(a)和(b)主要由毛细作用主导，而(c)和(d)则主要受浮力影响。

文章关键点

1. 气泡运输机制的理解对于提高质量传输至关重要，尤其是在高电流密度下，气泡的运输主要由浮力驱动，而不是毛细压力。

2. 气泡的演变过程包括气泡的成核、增长和脱离，气泡在PTL中的运动受到浮力、毛细压力和表面张力的共同影响。

3. 研究表明，气泡在PTL中的运输过程可以分为几个阶段：小气泡的合并、气泡簇的形成、气泡簇的突破以及从PTL表面的脱离。

4. 文章还探讨了PTL的结构特性（如孔径、孔隙率和表面特性）对气泡动态的影响，强调了这些特性与气泡运输现象之间的关联。

图 3.（a）PTL 的表面扫描电子显微镜图像（放大 1000 倍），（b）孔径分布，（c）伏安性能，以及（d）从伏安图中分解出的质量传输过电位。

图4.展示了PTL中气泡的传输特性。(a) 气泡体积分数随晶格时间的变化曲线。气泡体积分数被定义为氧气占据区域与总孔隙区域的比例，并在PTL中进行了测量。(b) 在选定的时间步长下，PTL中气泡的空间分布情况。

图5.展示了水的相对压力分布。通过三维分割图，分别呈现了yz、xz和xy平面的横向截面视图。图像分别在4000、10000和16000格点单位时获取。请注意，压力值以格点单位表示。图中灰色和白色区域分别代表钛颗粒和氧泡。根据图例中的颜色条，颜色深浅反映了液态水相对压力的大小。

图6.展示了具有不同接触角的PTL中气泡的传输特性。(a)为气泡体积分数随晶格时间的变化曲线。(b)展示了在选定时间步长下PTL中气泡的分布情况。

图7.展示了不同孔隙率的PTL中气泡传输特性的分析。(a)部分呈现了气泡体积分数随晶格时间的变化曲线。(b)部分则展示了在选定时间步长下，PTL中的气泡分布情况。当孔隙率为0.43时的气泡分布如图7(b)所示。

图8. 不同颗粒尺寸的PTL中气泡传输特性的分析。（a）气泡体积分数随格子时间变化的曲线。（b）在选定时间步长下，PTL中的气泡分布情况。半径为20的气泡分布详见图7（b）。

总结：在LB框架中，我们采用自由表面模型对PTL中的氧泡传输进行了模拟。LB模型清晰地呈现了PTL中氧泡的去除过程，并通过与文献中VOF方法的结果对比，验证了该模型的有效性。基于实验测量得到的PTL特性，我们利用随机重构方法重建了PTL，以准确再现其微观结构的物理特征。在高电流密度条件下进行的LB模拟显示，在CL/PTL界面的大面积区域内生成了气泡群，这些气泡群的浮力足以克服水的毛细压力。

研究结果表明，氧泡的向上运动主要由浮力驱动。浮力作用和PTL（多孔传输层）的特性显著影响气泡的传输行为。由浮力驱动的气泡流运动能够清晰地解释PTL中气泡的传输过程，而毛细作用主导的气泡流运动由于气泡在接触线（CL）附近聚集，使得理解其传输机制变得复杂。总体而言，PTL复杂的孔隙结构导致气泡流模式表现出多样化的行为。氧气气泡以气泡团的形式在孔隙中移动，其形状主要受孔隙结构的影响。突破后，气泡团尺寸增大，并最终通过形成大气泡从PTL表面脱离。对于低孔隙率的粉末PTL，孔隙率对气泡行为的影响尤为显著，相比之下，接触角、颗粒半径、PTL厚度和肋宽等因素的影响相对较小。尽管这些特性在重要性上相对次要，但它们与PEMWE性能密切相关，因此在设计PTL时必须予以充分考虑。较低的孔隙率会提升电导率，从而有助于提高电池性能；然而，孔隙率过低则可能导致严重的质量传输问题。鉴于此，在后续研究中应着重优化这一方面。由于我们目前采用的是粉末状且呈球形、孔隙率低的PTL结构，若改用其他类型的PTL结构（如碳纸或纤维烧结PTL），实验结果（特别是其依赖性和显著性）可能会有所不同。

原文文献：Oxygen bubble transport in a porous transport layer of polymer electrolyte water electrolyzer

原文始发于微信公众号（氢年部落）：电解槽多孔传输层(PTL)氧气传输特性