质子交换膜水电解阳极催化剂层超声雾化制备过程的三维数值研究：机理探索与参数优化

本文通过建立三维数值模型，系统研究了质子交换膜水电解(PEMWE)阳极催化剂层制备过程中超声雾化(ultrasonic atomization)的关键参数影响。研究发现催化剂浆料流速超过2 mL/min会显著降低雾化质量，而增大振幅和振动频率可有效减小液滴尺寸并改善分布均匀性，为膜电极组件(MEA)性能优化提供了理论依据。

　　

Highlight亮点

本研究创新性地构建三维超声雾化模型，通过Matlab编程实现液滴特征的动态统计分析，为质子交换膜水电解(Proton Exchange Membrane Water Electrolysis, PEMWE)阳极催化剂层制备工艺提供量化依据。

Computational Domain计算域

建立的三维超声雾化物理模型以雾化壁面为上边界，下方1 mm高的流体区域作为计算域。该模型能精确捕捉催化剂浆料在超声作用下的动态破碎过程。

Model Assumptions模型假设

关键假设包括：

1）超声喷嘴内流体为不可压缩牛顿流体

2）忽略温度变化对流体物性的影响

3）雾化过程为等温过程

这些假设在保证计算精度的同时显著提升模拟效率。

Model Validation模型验证

采用自适应网格加密技术，通过6级和8级网格的对比验证表明：网格细化能更准确捕捉界面形态，但对液滴尺寸和数量的统计结果影响较小，证明模型具有较好的网格无关性。

Conclusions结论

研究发现催化剂浆料流速是影响雾化质量的最敏感参数，当流速超过2 mL/min时，液滴平均直径增大38.7%而数量减少52.3%。通过多参数线性回归分析，确定最佳工艺窗口为：流速1-2 mL/min，振幅4-6 μm，频率120-140 kHz。该研究为制备具有均匀孔隙结构的催化剂层提供了重要指导。