质子交换膜水电解槽二维多相多物理场建模及其性能优化研究

本研究针对质子交换膜水电解槽(PEMWE)在高电流密度运行下的传质、热管理与电化学动力学问题，开发了二维多相多物理场模型，揭示了温度、交换电流密度和膜厚度对性能的影响。结果表明，薄膜(25 μm)使性能提升142%，高孔隙率PTL导致温度升高16°C，为清洁制氢技术优化提供了理论支撑。

　　

随着全球碳中和进程加速，氢能作为零碳能源载体备受关注。质子交换膜水电解槽(PEMWE)因其高效率、高纯度制氢特性，成为清洁氢能生产的核心技术。然而，要实现大规模商业化应用，必须解决高电流密度(>5 A/cm²)运行下的多重挑战：阳极催化剂层(ACL)的氧气气泡堵塞、质子交换膜(PEM)的欧姆损耗、多孔传输层(PTL)的热管理难题等。这些问题的解决亟需深入理解电解槽内复杂的多物理场耦合机制。

针对这一需求，孟加拉工程技术大学(BUET)的研究团队在《International Journal of Hydrogen Energy》发表了创新性研究。他们建立了首个集成电子/质子传输、气液两相流、电化学反应与热管理的二维瞬态非等温模型，基于Bernt等实验数据验证后，系统分析了温度、膜厚度等关键参数的影响。

研究采用多物理场耦合建模技术，通过求解8个控制方程（包含Butler-Volmer方程描述OER/HER动力学、多相物质传输方程和能量方程），结合真实几何参数构建数值模型。特别创新性地同时考虑液态水、水蒸气与溶解水的相变过程，并采用80°C基准温度下的实验数据进行验证。

结果与讨论
膜厚度影响：在1.80 V电压下，25 μm与50 μm膜比125 μm膜性能分别提升142%和77%，证实薄膜可显著降低质子传输阻力。
温度分布：阳极催化剂层(ACL)出现最高温升，PTL孔隙率增至0.8时，2.0 V工况下电池温度升高16°C，凸显热管理重要性。
操作参数：提高交换电流密度参考值可改善反应动力学，但需平衡气泡生成导致的传质限制。

结论
该研究首次实现PEMWE中多相流-电化学-热场的全耦合模拟，揭示薄型质子交换膜(<50 μm)与优化PTL设计可协同提升性能。发现ACL局部热点现象为热管理系统设计提供关键依据，建立的模型为下一代高功率密度电解槽开发奠定理论基础。研究成果对推动绿氢规模化生产具有重要工程指导价值，相关方法学框架可扩展应用于其他电化学能源器件优化。