基于LBM模拟探究催化剂层成分分布对PEMFC中活性氧与热量传输的影响机理

《International Communications in Heat and Mass Transfer》：Insight into catalyst layer ingredient distribution influence on reactive oxygen and heat transport in a PEMFC with LBM simulation

　　

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  开发了一种 LBM 模型，用于 PEMFC 催化层中耦合的氧气和热量传输。
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  离聚物分布影响氧气浓度和温度不均匀性。
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  较高的温度增强了反应速率但限制了氧气传输。
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  多层铂分布改善了氧气传输但增加了局部温度。
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  解耦分析确定了控制动态反应速率的主导因素。

引言

质子交换膜燃料电池（PEMFCs）是有前景的电化学能量转换装置，具有高效率和低碳运行的特点 [1], [2], [3], [4], [5]。然而，提高功率密度和降低成本以实现商业化仍面临重大挑战 [2], [3]。作为 PEMFC 的关键组件，催化层（CL）由碳载体、铂（Pt）和离聚物等多种成分组成，这些成分的分布直接决定了质量传输路径和热量传输特性，从而对电化学反应过程产生关键影响 [4], [5]。特别是在高电流密度下，更容易发生氧气供应不足和反应热积累，导致传输受限和性能退化 [5]。因此，系统地阐明催化层成分分布如何影响反应性氧气和热量传输的机制，对于优化催化层设计以提高 PEMFC 的功率密度和降低铂负载至关重要。

许多研究已经调查了不同的催化层成分分布如何影响电化学反应性能 [6], [7], [8], [9], [10], [11]。Lopez-Haro 等人 [6] 调查了不同离聚物含量对活性反应区域（与离聚物接触的 Pt 颗粒数量）的影响，发现将离聚物含量从 23% 增加到 40% 显著扩大了催化层中的活性反应区域。Roshandel 等人 [7] 报告称，将更高的 Pt 体积分数分配给反应传输能力更高的位置，比均匀的 Pt 负载能更有效地提高 PEMFC 中的反应速率。Chen 等人 [8] 和 Shahgaldi 等人 [9] 实验制备了具有两层 Pt 体积分数分布的催化层，以进一步验证这一发现，尽管所用技术的精度相对较低。最近，Zhou 等人 [10] 开发了一种双喷嘴喷涂技术，以实现多层离聚物和 Pt 分布的平滑梯度，从而进一步扩大了催化层成分分布的可调范围。Zhao 等人 [11] 采用结合人工神经网络的数据驱动模型，发现多层催化层设计中三层 Pt 体积分数分布产生最佳反应速率。尽管优化催化层成分分布能有效提高 PEMFC 反应性能，但它也影响反应热量传输特性。在 PEMFC 运行期间，释放的能量中约有 50% 以热量形式耗散，许多研究发现峰值温度通常集中在催化层 [12], [13], [14], [15]。低运行温度降低了催化层中的反应活性 [5]，而过大的温度梯度加剧了传输不均匀性并加速了性能退化 [16]。例如，Wei 等人 [14] 开发了基于计算流体力学（CFD）的宏观模型，发现调整 Pt 负载梯度可以改善反应性能，但也加剧了温度不均匀性，而改善温度均匀性则在一定程度上牺牲了反应性能。因此，在调节催化层成分分布时，还需要进一步研究反应性氧气和热量传输的微观机制，以维持 PEMFC 的高效运行。然而，通过宏观实验和 CFD 模拟来捕捉底层的微观传输机制仍然具有挑战性。

格子玻尔兹曼方法（LBM）有效地识别了多孔介质内的微观传输特性，并在解决 PEMFC 复杂多孔电极中多物理场耦合反应传输过程方面具有明显优势 [17]。例如，Chen 等人 [18] 开发了一种早期 LBM 模型来研究催化层中的微观质量传输特性，并证明克努森扩散在氧气传输中起着重要作用。Zhang 等人 [19] 使用 LBM 研究碳载体上 Pt 分散度如何影响氧气传输，并报告称更高的 Pt 分散度显著降低了传输阻力。Hou 等人 [20] 和 Deng 等人 [21] 研究了不同离聚物与电极质量比的影响，并报告称，尽管更高的离聚物体积分数扩大了氧气传输受限区域，但它也增加了催化层中的活性反应区域，从而有效提高了反应速率。然而，这些研究主要关注单层成分分布变化如何影响传输过程，而对调节多层成分分布的局部特性的关注较少。相应地，Mu 等人 [22] 开发了一种 LBM 模型来考察多层 Pt 分布下催化层中的局部氧气传输，并报告称在气体扩散层（GDL）附近分配更高的 Pt 体积分数能有效降低局部传输阻力。Wang 等人 [23] 进一步报告称，在两层催化层中增加 GDL 附近的 Pt 体积分数显著提高了高电流密度下的 Pt 利用率，并优化了层间 Pt 体积分数差。尽管氧气传输项强烈影响反应速率，但与活性反应区域和温度相关的反应项也是控制反应速率增强的关键因素，而它们在前人研究中被很大程度上忽略了。通常，控制反应速率增强的主导因素 [24] 包括反应项和传输项，并受到催化层成分分布变化的强烈影响。然而，底层的微观机制仍然知之甚少，这促成了本工作的开展。

为了应对这些挑战，本工作开发了一种耦合氧气和热量传输的 LBM 模型，并研究了催化层成分分布如何影响 PEMFC 中动态反应速率的微观机制。特别关注离聚物与电极质量比和多 层 Pt 分布对反应性氧气和热量传输的影响，以及对控制动态反应速率增强的主导因素进行解耦。基于理论分析和数值测试，验证了所提模型的准确性和可靠性。通过详细分析，阐明了催化层成分分布如何影响反应性氧气和热量传输的微观机制，并进行了图分析以考察反应项和传输项对反应速率增强的各自影响，以及不同主导因素的转变机制，从而为 PEMFC 中催化层成分分布设计提供指导。

章节摘要

催化层微观结构的重构

催化层是由碳、铂和离聚物组成的纳米多孔复合材料，这些成分的分布被广泛认为是控制 PEMFC 中反应性氧气和热量传输的关键因素 [1], [2]。为了有效调查催化层成分分布对反应和传输机制的影响，本工作采用了 Chen 等人 [18] 提出的随机重构算法，该算法已被广泛用于重构催化层微观结构 [17], [20], [21], [23]。

反应性氧气和热量传输特性

由于催化层中存在碳、离聚物和铂等多种成分，成分分布的变化显著改变了氧气和热量传输的特性，从而显著影响 PEMFC 反应性能 [1], [2], [3], [4]，而底层的微观机制尚不清楚。因此，本工作分析了案例 1 下不同催化层成分分布的反应性氧气和热量微观传输特性（${\theta }_I$ = 0.3,

结论

本工作开发了一种耦合氧气和热量传输的 LBM 模型，并研究了催化层成分分布如何影响 PEMFC 中动态反应速率的微观机制。特别关注离聚物与电极质量比和多 层 Pt 分布对反应性氧气和热量传输的影响，以及将控制动态反应速率增强的主导因素解耦为反应项和传输项。全面的数值

CRediT 作者贡献声明

王勇齐 (Yongqi Wang)：初稿撰写、方法论、调查、形式分析、概念化。 滕雨轩 (Yuxuan Teng)：调查、形式分析。 李伟 (Wei Li)：审校与编辑、方法论、形式分析、概念化。 叶波 (Bo Ye)：调查。 童宝佳 (Baojia Tong)：形式分析。 石晓翔 (Xiaoxiang Shi)：形式分析。 李宇阳 (Yuyang Li)：形式分析、调查、方法论、审校与编辑。

利益冲突声明

作者声明他们没有任何已知的竞争财务利益或个人关系，这些可能影响本文报告的工作。

致谢

作者感谢国家自然科学基金（52525605, 52576132, W2412083）和中国科学院上海技术物理研究所创新项目（SITPKJRH-2025-13）的资金支持。我们感谢上海交通大学高性能计算中心的万鹏（Peng Wan）对并行数值模拟提供的协助。

Yongqi Wang|Yuxuan Teng|Wei Li|Bo Ye|Baojia Tong|Xiaoxiang Shi|Yuyang Li