《Renewable Energy》：Optimized anode catalyst layer design for proton exchange membrane water electrolyzers using pore network modeling
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质子交换膜水电解槽催化剂层通过三明治梯度结构设计优化孔隙率与孔径分布，结合孔隙网络模型与两相非等温多物理场耦合分析，验证梯度催化剂层在2.4V高压下使电流密度提升5.3%，并揭示孔隙结构对两相流动均匀性的影响规律。
赵群张|李光泽|徐明毅|刘桂华|张少峰|李景德
河北省绿色化学技术与高效节能重点实验室，河北工业大学，天津，300130，中国
摘要
在质子交换膜水电解器（PEMWE）中，优化催化剂层（CL）的孔结构以提高质量传输效率对于高效产氢至关重要。本文提出了一种用于PEMWE高性能阳极CL的设计方法，该方法采用三层梯度CL结构，每层具有不同的孔径分布和孔隙率梯度，并将其纳入二维、两相、非等温的PEMWE模型中。研究表明，与平均孔径为203纳米、孔隙率为0.35的均匀CL相比，从多孔传输层向质子交换膜方向逐渐减小孔径并提高孔隙率的CL结构，在2.4伏的高操作电压下可使电流密度提高5.3%。此外，还探讨了不同操作条件下孔结构对饱和度均匀性的影响。这些见解为工程设计先进的CL结构提供了重要指导，从而提升PEMWE的效率和可扩展性，推动高效氢气的生产。
引言
由于质子交换膜水电解器（PEMWE）具有紧凑的系统设计、适中的操作温度以及高纯度氢气生产的优势，因此被认为是一种有前景的可再生能源技术[1]、[2]。此外，PEMWE能够与太阳能和风能结合，将可再生能源转化为可储存的氢能。当与氢燃料电池集成时，PEMWE可以实现清洁电力生产，通过消除温室气体排放来支持全球可持续发展目标[3]。目前，PEMWE制氢的成本仍是其大规模应用的主要障碍，而提高PEMWE的效率直接关系到降低可再生氢气生产的成本[4]。目前限制PEMWE效率的关键因素是多孔催化剂层（CL）中氧进化反应（OER）的反应速率较慢，以及如何优化复杂的气液两相流动质量传递过程[5]。
以往关于PEMWE催化剂层的研究主要集中在催化剂开发上，特别是如何在保持高活性的同时减少贵金属含量。然而，该领域正逐渐转向旨在增强质量传输的CL结构设计[6]、[7]。基于梯度的CL设计已在质子交换膜燃料电池（PEMFC）中得到广泛研究，涉及润湿性、催化剂分布和电解质含量的各种变化[8]、[9]。鉴于PEMFC和PEMWE在结构和操作上的相似性，将基于梯度的CL设计应用于PEMWE有望显著提升其性能。虽然提高极化性能是主要目标，但确保长期运行稳定性对于PEMWE的实际应用和经济可行性同样关键[10]。因此，实现均匀的两相流动和平衡的局部反应环境也是PEMWE耐久性的基本要求。
为了研究CL多孔结构内的复杂两相质量传递，孔网络建模已成为一种强大的工具[11]、[12]。这种方法将复杂的孔网络简化为易于管理的几何表示，从而能够详细分析多孔介质[13]。在异质催化剂的催化结构设计领域，孔网络建模已被用于通过平衡多通道孔配置、高表面积和低质量传递阻力来优化多孔催化剂载体[14]。同样，在PEMWE中，该方法也被应用于模拟多孔传输层（PTL），研究PTL-催化剂涂层界面、孔径和喉部尺寸以及孔隙率等因素对氧气和水传输的影响[15]、[16]。然而，将孔网络建模应用于PEMWE中基于梯度的CL孔结构设计的研究尚未开展[17]。
本研究采用孔网络建模方法开发了一种非均匀的阳极CL结构，该结构由三层梯度CL组成，每层具有独特的平均孔径和孔隙率。这些CL结构的内禀渗透率基于达西定律计算得出。然后将修正后的内禀渗透率纳入多物理场PEMWE模型中，以评估微观孔结构和操作条件对电流密度和饱和度均匀性的影响。通过合理优化CL的孔结构设计，在2.0伏时电流密度提高了4.2%，在2.4伏时提高了5.3%。这项工作为CL的孔结构如何影响质量传递和PEMWE的整体效率提供了新的理论见解，以及如何优化系统效率以实现可再生能源转换。
数学模型
首先建立了一个孔网络模型，用于构建具有不同孔结构的多孔介质。然后确定了这些多样孔配置的内禀渗透率（第2.1节）。第2.2节详细介绍了PEMWE的标准多物理场模型的开发过程。第2.3节详细说明了孔网络模型与PEMWE多物理场框架的集成方式。第2.4节规定了应用于孔网络和
结果与讨论
利用之前建立的孔网络和PEMWE模型，本研究探讨了非均匀CL孔结构对PEMWE在标准（2.0伏）和较高（2.4伏）电压条件下的电化学性能的影响。同时，还研究了CL孔结构特性（特别是平均孔径和孔隙率）对PEMWE性能的影响。
结论
本研究开发了一个二维、非等温的多物理场PEMWE模型，并结合了由孔网络模型描述的定制CL孔结构设计，以研究CL孔结构和操作条件对PEMWE性能的影响。CL被划分为三个不同的层，每层具有独特的孔结构。研究结果表明，从阳极通道到
作者贡献声明
李景德：撰写 – 审稿与编辑、监督、资金获取、概念构思。张少峰：撰写 – 审稿与编辑、方法论。刘桂华：撰写 – 审稿与编辑、监督、方法论、资金获取、概念构思。徐明毅：形式分析、数据管理。李光泽：研究、数据管理。赵群张：撰写 – 初稿撰写、研究、形式分析、数据管理
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
本研究得到了国家自然科学基金（22278109）的支持。
