质子交换膜水电解槽阳极催化剂层蜂窝状图案设计促进气泡管理及性能提升研究

针对质子交换膜水电解(PEMWE)中阳极催化剂层(CL)氧气气泡积聚导致活性位点阻塞和传质损失的问题，研究人员开发了蜂窝状图案催化剂层。实验表明，该设计在1.18 A/cm2电流密度下使电池电压降低0.15 V，并通过数值模拟揭示了气泡生长与脱离的调控机制，为优化PEMWE性能提供了新思路。

　　

随着全球向氢能经济转型，质子交换膜水电解(PEMWE)技术因其高效率、快速响应和可再生能源兼容性成为研究热点。然而，高电流密度下阳极催化剂层(CL)表面氧气气泡的积聚会阻塞活性位点，导致传质损失加剧和性能下降。这一"气泡效应"已成为制约PEMWE效率提升的关键瓶颈。传统解决方案如优化流场设计或改进多孔传输层(PTL)虽有一定效果，但鲜有研究从催化剂层微观结构调控入手解决气泡管理问题。

韩国能源技术评价院资助的研究团队创新性地提出蜂窝状图案催化剂层设计。通过实验与模拟相结合的方法，证实该结构能显著加速气泡脱离，在1.18 A/cm²电流密度下实现0.15 V的电压降，相关成果发表于《International Journal of Hydrogen Energy》。

研究采用单电池性能测试比较传统与蜂窝状CL的极化曲线，结合体积分数法(VOF)进行气泡行为模拟。通过分析不同节距(1.12 mm和1.68 mm)下的气泡动力学，揭示了PTL孔隙率与气泡生长的关联机制。

单细胞制备
采用五重蛇形流场双极板构建测试系统，阳极PTL为镀铂钛材，通过严格控制组装条件确保数据可比性。

3D数值模拟
采用STAR-CCM+ 2302软件进行非稳态VOF模拟，时间步长设置为10^-6 s，捕捉气泡生长-脱离全过程。研究发现蜂窝结构能通过控制气泡颈缩速度，使活性区域暴露时间缩短23.1%。

实验评估
极化曲线分析显示蜂窝结构CL使欧姆和传质过电位分别降低。EIS测试证实该设计改善了反应物传输，尤其在1.18 A/cm²时性能提升最显著。

结论与意义
该研究首次阐明PTL孔隙率主要影响气泡生长速率，而蜂窝节距决定脱离效率的协同机制。1.12 mm节距在常规条件下最优，但PTL孔隙率降低时1.68 mm节距能更快恢复活性区域。这一发现为PEMWE的CL设计提供了量化标准，通过结构优化而非单纯材料改进来降低氢能生产成本，对推进电解水制氢技术商业化具有重要指导价值。研究提出的"结构调控气泡"策略，可延伸应用于其他涉及气液两相流的电化学系统优化。