高温质子交换膜燃料电池中磷酸浸出过程的晶格玻尔兹曼模拟研究及其对性能衰减的抑制机制

《AIChE Journal?AIChE》：Lattice Boltzmann modeling of phosphoric acid leaching process in high-temperature proton exchange membrane fuel cells

本研究针对高温质子交换膜燃料电池(HT-PEMFCs)中磷酸(PA)浸出导致性能衰减的核心问题，通过构建三维晶格玻尔兹曼模型耦合改进的Quartet结构生成方法，精准模拟了多孔催化层内PA动态浸出过程。研究发现孔隙率ε=54%时能有效减缓酸液侵入并控制压差，小液滴、低气流速、厚催化层及大接触角条件更利于提升电池耐久性，为HT-PEMFCs材料设计与工况优化提供了重要理论依据。

　　

作为高温质子交换膜燃料电池(High-Temperature Proton Exchange Membrane Fuel Cells, HT-PEMFCs)的核心质子传导载体，磷酸(Phosphoric Acid, PA)的浸出过程会显著加速电池性能衰减并缩短其寿命。研究团队开发了基于三维晶格玻尔兹曼方法(Lattice Boltzmann Method)的仿真模型，通过耦合改进的Quartet结构生成集算法构建催化层微观结构，实现了对HT-PEMFCs内PA浸出过程的高效、精准且高度拟真的模拟。该模型详细揭示了PA液滴侵入催化层的动态行为，并系统分析了孔隙率(porosity)等因素对流体动力学的影响。研究结果表明：在孔隙率ε=54%的催化层中，液滴侵入程度最低且压力增长处于可接受范围；更小的液滴尺寸、较低的气流速度、较厚的催化层结构以及较大的接触角条件，被证实更有利于缓解PA侵入对电池性能的负面影响。