質(zhì)子交換膜電解池二維兩相流綜合模擬研究

收稿日期：2022-07-21

基金項目：國家自然科學(xué)基金（22179103）；中央高校基本科研業(yè)務(wù)費專項（2022IVA174）；佛山仙湖實驗室開放基金重點項目（XHD2020-002）

通信作者：張 恒（1993—），男，博士、助理研究員，主要從事PEM燃料電池多尺度及界面?zhèn)鳠帷髻|(zhì)機(jī)理等方面的研究。

hzhang1027@163.com

DOI：10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-1083 文章編號：0254-0096（2023）11-0450-09

摘 要：建立一個二維、非等溫質(zhì)子交換膜電解池兩相流穩(wěn)態(tài)模型，研究不同電壓下電解池膜電極組件（MEA）中溫度、液態(tài)水飽和度、膜態(tài)水分布以及溫度、液態(tài)水飽和度和膜厚對質(zhì)子交換膜電解池性能的影響，并通過實驗驗證模型的可靠性。實驗結(jié)果表明：即使忽略接觸電阻，膜潤濕性較好，高電壓（2.0 V）下歐姆損失占比仍可達(dá)到34.7%；隨著電壓的增大，極化損失的主導(dǎo)部分由活化損失變?yōu)闅W姆損失，且傳質(zhì)損失占總極化損失的比例最??；當(dāng)電壓較小時，膜水含量是質(zhì)子交換膜（PEM）電導(dǎo)率的主要影響因素，當(dāng)電壓較大時，溫度是PEM電導(dǎo)率的主要影響因素。升高溫度、增加液態(tài)水飽和度及降低膜厚均能有效提高電解池的性能。

關(guān)鍵詞：質(zhì)子交換膜；兩相流；水含量；電解制氫；液態(tài)水飽和度；溫度

中圖分類號：TM911.4"""""""""" """"""""" """"""""文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引 言

質(zhì)子交換膜電解池（proton exchange membrane electrolyzer cell，PEMEC）被認(rèn)為是最有潛力的制造綠氫的裝置之一［1］，具有啟動響應(yīng)時間快、效率高、制氫純度高及可冷啟動等特點［2］。PEMEC主要由膜電極組件（membrane electrode assembly，MEA）和雙極板（bipolar plate，BP）構(gòu)成，其中MEA從外到內(nèi)依次由氣體擴(kuò)散層（gas diffusion layer，GDL）、催化層（catalyst layer，CL）和質(zhì)子交換膜（proton exchange membrane， PEM）組成，其基本工作原理如圖1所示。為了提升PEMEC的性能，對其內(nèi)部進(jìn)行綜合全面的理論研究十分必要。PEMEC內(nèi)部存在復(fù)雜的兩相流及電化學(xué)反應(yīng)，其中MEA中的氣-液傳輸、溫度分布以及PEM中的質(zhì)子傳導(dǎo)均會對電解池性能產(chǎn)生很大影響［3］。

為了研究兩相流特性對PEMEC性能的影響，國內(nèi)外研究人員分別采用實驗和模擬的方法對PEMEC進(jìn)行了一系列的研究。Majasan等［4］利用高速光學(xué)成像技術(shù)研究了不同流場結(jié)構(gòu)對電解池性能的影響，結(jié)果表明平行流場比蛇形流場的性能更好，溫度是影響電解池的主要因素；Lee等［5］利用中子成像技術(shù)研究了GDL內(nèi)氣體飽和度的分布，發(fā)現(xiàn)CL與GDL界面氣體飽和度隨溫度的升高而降低，從而降低了傳質(zhì)損失。由于實驗研究存在一定局限性，數(shù)值模擬成為研究PEMEC的一種重要手段。張竹茜等［6］將電化學(xué)模型與熱模

型進(jìn)行耦合，對PEMEC中的傳熱傳質(zhì)進(jìn)行了研究，認(rèn)為陰陽極逆流的方式可有效降低溫度梯度，選擇合適的幾何結(jié)構(gòu)可降低電解池溫度；伊許玲等［7］建立二維電解池兩相流瞬態(tài)模型，研究了電解池中傳熱傳質(zhì)瞬態(tài)響應(yīng)規(guī)律，結(jié)果表明CL中液態(tài)水飽和度比GDL低，且電解池溫度隨時間的變化逐漸降低；蘇析等［8］利用Matalb/Simulink建立零維模型，首次提出氣泡生長/氣體覆蓋率與電化學(xué)之間的關(guān)系，結(jié)果表明氣泡覆蓋率增加會降低電解池的性能，且在大電流密度下尤為明顯；文獻(xiàn)［9］建立三維電解池模型，研究了流體的速度與壓力分布，結(jié)果表明兩相流相較于單相流的流動方式更為復(fù)雜，當(dāng)氣流較大時會出現(xiàn)逆流現(xiàn)象；Olesen等［10］建立單相流和兩相流模型研究了氣液兩相流動，結(jié)果表明由于氣相存在會影響流量和溫度分布；文獻(xiàn)［11-12］耦合電化學(xué)和兩相流模型對陽極擴(kuò)散層進(jìn)行模擬，結(jié)果表明增大擴(kuò)散層孔隙率及孔徑、減小表面接觸角，能夠提高擴(kuò)散層的液態(tài)水飽和度；文獻(xiàn)［13-14］提出采用流體體積法將兩相流建模集成到PEMEC三維多相模型中，研究了GDL/CH界面氣體分布，結(jié)果表明界面氣體飽和度對多孔電極中的氧氣分布、溫度、電流密度都起關(guān)鍵作用；王志明等［15-16］建立了三維電解池模型，研究了入口速度、孔隙率和接觸角對電解池性能的影響，結(jié)果表明提高入口流速、減小接觸角、增大孔隙率均可有效提高氣液傳輸能力。

以往的研究均未考慮膜態(tài)水傳輸以及水在液態(tài)及膜態(tài)之間的轉(zhuǎn)化，使得模擬結(jié)果缺乏足夠的可靠性。本文考慮水的兩種形式，建立二維穩(wěn)態(tài)多物理場耦合兩相流PEMEC模型，可實現(xiàn)對氣液傳輸、電荷傳輸、溫度傳導(dǎo)及膜態(tài)水傳輸物理場的全面耦合，能有效預(yù)測PEMEC在不同操作條件下的多物理場分布和電池性能。此外，基于該模型，研究溫度、液態(tài)水飽和度及膜厚對PEMEC性能的影響。

1 模型描述

1.1 模型假設(shè)

1） 不考慮水的氣-液轉(zhuǎn)化［16］；

2） 忽略所有相鄰元件的接觸電阻［15］；

3） 陰/陽極CL和GDL均為各向同性多孔介質(zhì)［16］；

4） 忽略氧氣和氫氣滲透過質(zhì)子交換膜［16］；

5） 由于通入的液態(tài)水，認(rèn)為膜達(dá)到100%加濕。

1.2 模型計算域

圖2a中的方框為計算域，圖2b為計算域的等比放大示意圖，其中包括雙極板、陰/陽極擴(kuò)散層、陰/陽極催化層和質(zhì)子交換膜4個部分。表1為計算模型中使用的幾何參數(shù)。

1.3 控制方程

根據(jù)PEMEC的工作原理，求解其中熱質(zhì)傳遞及電化學(xué)過程的控制方程。

1.3.1 液態(tài)水與氣體傳輸方程

在PEMEC中，液態(tài)水傳輸過程滿足質(zhì)量守恒定律和達(dá)西定律，即：

[▽（ρlul）=Sm，H2O"，"ul=-K0Klμl?▽P] （1）

式中：[ρl]——液態(tài)水密度，kg/m3；[ul]——液體的速度，m/s；[Sm，H2O]———液態(tài)水消耗源項，mol/（m3·s），[Sm，H2O=-ivMH2O/4F，]其中[F]為法拉第常數(shù)［17］，C/mol；[K0]——絕對滲透率，m2；[Kl]——液態(tài)水的相對滲透率，m2，[Kl=s3]。

氣體傳輸?shù)目刂品匠倘缡剑?）所示［16］，其中擴(kuò)散系數(shù)[D]由式（3）［16］進(jìn)行求解。

[▽-D?▽s+ρg?KgμlKlμg?ul=Sm，g]""""" （2）

[D=ρg?σcosθμg?Kg?（εK0）12?dJ（s）ds]""" （3）

式中：[D]——擴(kuò)散系數(shù)，m2/s；[ρg]——氣體密度，kg/m3；[Kg]——氣體的相對滲透率，m2，[Kg=（1-s）3]，其中[s]為液態(tài)水飽和度；[μl]——氣體黏度，Pa·s；[μg]——液體黏度，Pa·s；[Sm，g]——氣體源，mol/（m3·s）（陽極：[Sm，O2=ivMO2/4F]，陰極：[Sm，H2=ivMH2/2F]）；[σ]——表面張力，N/m；[θ]——接觸角，（ °）；[J（s）]——萊弗里特方程，是一個液態(tài)水飽和度和接觸角相關(guān)的分段函數(shù)，如式（4）所示［18］。

[J（s）=1.417（1-s）-2.12（1-s）2+1.263（1-s）3，0°lt;θ≤90°1.417s-2.12s2+1.263s3，90°lt;θ≤180°]""" （4）

1.3.2 膜態(tài)水傳輸方程

陰/陽極CL及膜內(nèi)膜態(tài)水傳輸方程如式（5）所示［17］。

[ρmemWE·??t（ωλ）+▽?ndilF=ρmemWE▽?（Deffd▽λ）+Sad]" （5）

式中：[ρmem]——PEM的密度，kg/m3；[WE]——PEM有效摩爾質(zhì)量，kg/mol；[ω]——CL電解質(zhì)體積分?jǐn)?shù)；[λ]——膜態(tài)水含量；[nd]——電拖系數(shù)，[nd=2.5λ/22]；[Deffd]——膜中液態(tài)水?dāng)U散系數(shù)［17］，m2/s。

膜態(tài)水的吸附/溶解源項[Sad]［17］為：

[Sad=kaLVm（λeq-λ），λlt;λeq，吸附kdLVm（λeq-λ），λ≥λeq，溶解]" （6）

式中：[ka]——吸附質(zhì)量轉(zhuǎn)化速率，m/s；[L]——CL厚度，mm；[Vm]——離聚物的摩爾體積，m3/mol；[λeq]——離聚物的平衡含水量；[kd]——溶解質(zhì)量轉(zhuǎn)化速率，m/s。

[ka]、[kd]和[λeq]分別如式（7）［17］和式（8）［18］所示。

[ka（d）=aa（d）?f?exp20R1Tref-1T]"" （7）

[λeq=0.043+17.81aw-39.85a2w+36a3w，" 0lt;awlt;114+1.4（aw-1），" aw≥1]""" （8）

式中：[aa、ad]——離聚物中水吸附和溶解傳質(zhì)系數(shù)，m/s；f——離聚物的水體積分?jǐn)?shù)［17］，[f=λVm/（λVm+Vm）]；[aw]——水的活度［18］，[aw=pg/psat+2s]，其中[psat]為飽和蒸氣壓，Pa［18］。

1.3.3 電荷傳輸方程

質(zhì)子和電子傳輸過程滿足歐姆定律，如式（9）所示［16］。

[▽?（-σs▽φs）=Sφ，s"▽?（-σl▽φl）=Sφ，l]""" （9）

式中：[σs]——各組件的電導(dǎo)率，S/m；[σl]——PEM質(zhì)子電導(dǎo)率，S/m；在陽極CL側(cè)：[Sφ，s]——電子產(chǎn)生源項，A/m3，[Sφ，s=iv，a]；[Sφ，l]——質(zhì)子源項，A/m3，[Sφ，l=-iv，a]；在陰極CL側(cè)；[Sφ，s]——電子源項，A/m3，[Sφ，s=-iv，c]；[Sφ，l]——質(zhì)子源項，A/m3，[Sφ，l=iv，c。]

陰/陽極的電化學(xué)反應(yīng)源項如式（10）、式（11）所示［16］，加入液態(tài)水飽和度和溫度變量對電化學(xué)反應(yīng)速率進(jìn)行修正。

[iv，a=av?i0，a?s?exp-EhorR1T-1353.15?"""""""" """"""expαaFηRT-exp-αcFηRT]" （10）

[iv，c=av?i0，c?s?expαaFηRT-exp-αcFηRT]"""""" （11）

式中：[av]——活性比表面積，1/m；[Ehor]——氧化活化能［16］，J/mol；[η]——活化過電位，V；[αa、αc]——陰/陽極電荷傳遞系數(shù)。

1.3.4 熱傳導(dǎo)方程

熱傳導(dǎo)控制方程如式（12）所示［16］，源項方程如式（13）所示［13］。

[▽?（ρeffCp，effu▽T）-▽?（keff▽T）=SQ]""""" （12）

[SQ1=ST，e+ST，p+ST，r+ST，act]"""" （13）

式中：[SQ]——熱源項，W/m3；[SQ1]——CL熱源項，W/m3；[ST，c]——歐姆熱，W/m3，[ST，c=σc（φc）2]；[ST，r]——反應(yīng)熱，W/m3，[ST，r=ivTΔS/4F，]其中[ΔS]為熵，J/（mol·K）；[ST，act]——活化熱，W/m3，[ST，act=iv|η|]。

式（14）～式（16）［16］用孔隙率[ε]和液態(tài)水飽和度[s]對各項有效傳輸系數(shù)進(jìn)行修正，即：

[keff=（1-ε）ks+ε（1-s）kg+skl]"""" （14）

[ρeff=（1-ε）ρs+ε（1-s）ρg+sρl]

[Cp，eff=（1-ε）Cp，s+ε（1-s）Cp，g+sCp，l]

式中：[keff]——有效熱導(dǎo)率，W/（m·K）；[ρeff]——有效密度，kg/m3；[Cp，eff]——有效熱容，J/（kg·K）；下標(biāo)[l、][s、][g]——液相、固相、氣相。

表2為所有源項方程的匯總。

1.4 模型邊界條件、參數(shù)設(shè)置及求解方法

陽極極板設(shè)置電勢邊界[?s=?cell，]陰極極板設(shè)置電接地[?s=0，]內(nèi)部邊界設(shè)置為連續(xù)性邊界，其余邊界設(shè)置為絕緣邊界；陰/陽極CH/GDL交界面均設(shè)置為壓力進(jìn)口和液態(tài)水飽和度的進(jìn)口，進(jìn)口壓強(qiáng)為151955 Pa，進(jìn)口液態(tài)水飽和度為0.9［16］；操作溫度設(shè)置為353.15 K，液態(tài)水的溫度設(shè)置為353.15 K，表3為模型其他參數(shù)的設(shè)定。

本文利用多物理場仿真軟件COMSOL Multi-physics 5.3a求解上述方程，獲得極化曲線及溫度、液態(tài)水飽和度、膜態(tài)水含量等物理場分布狀態(tài)。

2 計算結(jié)果

2.1 網(wǎng)格獨立性研究及模型驗證

為了排除模型結(jié)果與網(wǎng)格數(shù)量的相關(guān)性，本文選取網(wǎng)格數(shù)量為從602～9080的14組計算案例。圖3為電壓為2 V、溫度為353.15 K、進(jìn)口液態(tài)水飽和度為0.9時，不同網(wǎng)格數(shù)量對電流密度的計算結(jié)果。從圖3可看出，當(dāng)網(wǎng)格數(shù)量小于5280時，電流密度和網(wǎng)格數(shù)量有明顯的相關(guān)性；當(dāng)網(wǎng)格數(shù)量大于5280時，網(wǎng)格數(shù)量與電流密度的相關(guān)性明顯減小。雖然增加網(wǎng)格數(shù)量可明顯提高計算結(jié)果精度，但也極大地增加了計算時間，降低了研究效率。結(jié)合計算精度和計算時長，選取網(wǎng)格數(shù)量為5280對模型進(jìn)行求解，這樣既可節(jié)省計算時長也能保證計算結(jié)果的精確性。此外，為了驗證模型的可靠性，搭建如圖4a所示電解池測試平臺，其操作溫度353.15 K、水浴加熱353.15 K、液態(tài)水流量50 mL/min、出口壓強(qiáng)150000 Pa。從圖4b可看出，實驗數(shù)據(jù)和模擬結(jié)果擬合良好，驗證了模型的可靠性。

2.2 模型計算的參數(shù)分布結(jié)果分析

2.2.1 不同電壓極化損失

圖5為不同電壓下活化損失、歐姆損失及傳質(zhì)損失變化曲線。從圖5可看出，在電壓較小時，活化損失占比最大；隨著電壓的增大，活化損失基本保持不變，歐姆損失占比逐漸增加。傳質(zhì)損失在極化損失中占比最小，幾乎可以忽略。其中，當(dāng)電解池在低電壓（1.4 V）時，由于電化學(xué)反應(yīng)速率緩慢，活化損失占總電壓損失較大（約為94.5%），歐姆損失占總電壓損失較?。s為2.7%）；當(dāng)電解池在高電壓（2.0 V）時，由于電化學(xué)反應(yīng)速率增加，活化損失占總損失比例減小至約63.1%，歐姆損失占總電壓損失比例增加至約34.7%。且在這兩種電壓下，傳質(zhì)損失相較于其他兩種損失均占比較小，不足3%。

2.2.2 不同電壓下溫度分布

電解池中MEA在3種電壓下的溫度分布如圖6所示。從圖6可看出，隨著電壓的增大，MEA溫度逐漸升高，陰極側(cè)的溫度和溫差均高于陽極側(cè)，流道下方的溫度高于脊岸下方的溫度，MEA溫度最大值出現(xiàn)在流道下方陰極CL附近。

雖然液態(tài)水在陽極CL分解成氧氣是吸熱反應(yīng)，但由于其活化熱與歐姆熱之和大于反應(yīng)熱，因此電解池MEA中溫度會隨電壓的增大而升高。陰極反應(yīng)的反應(yīng)焓大于陽極反應(yīng)且CL是電化學(xué)反應(yīng)發(fā)生場所，陰極側(cè)溫度會高于陽極側(cè)溫度且溫度峰值出現(xiàn)在近陰極CL附近。陰極材料的熱導(dǎo)率小于陽極側(cè)材料［16］，故而陰極側(cè)溫度梯度高于陽極側(cè)。脊岸下方的氣體相較于流道下方不容易排出，使得脊岸下方的電化學(xué)反應(yīng)速率低于流道下方，因此流道下方的產(chǎn)熱量大于脊岸下。

2.2.3 不同電壓下液態(tài)水飽和度分布

圖7為陽極GDL和CL在不同電壓下的液態(tài)水飽和度分布。從圖7可看出，CL液態(tài)水飽和度低于GDL，脊岸下方液態(tài)水飽和度低于流道下方，且隨著電壓的增大，GDL和CL的液態(tài)水飽和度逐漸降低，液態(tài)水飽和度梯度在厚度方向逐漸變大。這是由于CL中發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，使得CL附近的氧氣較多，導(dǎo)致液態(tài)水飽和度較低。隨著電壓的增大，電化學(xué)反應(yīng)速率增大，導(dǎo)致液態(tài)水飽和度梯度在厚度方向逐漸變大。如圖7c所示，在高電壓（2.0 V）下流道下方和脊岸下方存在明顯的液態(tài)水飽和度梯度，是因為氣體聚集在脊岸下方，導(dǎo)致脊岸下的液態(tài)水飽和度較小。

2.2.4 不同電壓下膜態(tài)水含量分布

圖8為不同電壓下PEM中膜態(tài)水含量分布（上側(cè)是近陽極側(cè)，下側(cè)是近陰極側(cè)）。從圖8可看出，隨著電壓的增大，陽極側(cè)膜態(tài)水含量降低，陰極側(cè)膜態(tài)水含量逐漸增加。這是因為隨著電壓的增大，電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生更多的質(zhì)子，電拖拽效應(yīng)增強(qiáng)，更多的膜態(tài)水從陽極傳輸?shù)疥帢O，所以膜的陽極側(cè)膜態(tài)水含量降低，陰極側(cè)膜態(tài)水含量增加。

2.2.5 不同電壓下PEM膜態(tài)水含量平均值及PEM電導(dǎo)率

圖9為不同電壓下PEM膜態(tài)水含量平均值及PEM電導(dǎo)率變化曲線。從圖9可看出，PEM膜態(tài)水含量在14以上，

0.9時不同電壓下PEM膜態(tài)水含量分布

liquid water saturation of 0.9 at CH/GDL interface

PEM膜態(tài)水含量平均值隨電壓的增大而減小，當(dāng)電壓低于1.9 V時PEM電導(dǎo)率逐漸減小，當(dāng)電壓高于1.9 V時PEM電導(dǎo)率逐漸增大。這是因為隨著電壓的增大，電滲能力增強(qiáng)，更多的膜態(tài)水被拖拽至陰極CL。而當(dāng)電壓低于1.9 V時，膜態(tài)水含量為PEM電導(dǎo)率的主要影響因素，因此PEM電導(dǎo)率的變化趨勢與膜態(tài)水含量變化趨勢相同；當(dāng)電壓高于1.9 V時，質(zhì)子交換膜電導(dǎo)率反而增大，這是因為當(dāng)電壓高于1.9 V，電解池反應(yīng)速率增大，產(chǎn)熱量增加，溫度成為質(zhì)子電導(dǎo)率的主要影響因素。

2.3 操作條件對電解池性能的影響

2.3.1 溫度對電解池性能的影響

圖10為不同工作溫度下陽極CL液態(tài)水飽和度、PEM電導(dǎo)率及極化曲線。從圖10a可看出，在同一電壓下，液態(tài)水飽和度隨溫度的升高而降低，這是由于隨著工作溫度的升高，電化學(xué)反應(yīng)速率增大，生成氣體速率加快。PEM電導(dǎo)率隨溫度的升高而增大，353.15 K時PEM電導(dǎo)率是298.15 K時的2倍，在高電壓區(qū)間，由于溫度的影響，PEM電導(dǎo)率略有增大。從圖10b可看出，隨著溫度的升高，電解池性能提高。這是由于升高溫度，一方面提高了PEM電導(dǎo)率，降低了歐姆損失，另一方面提高了電化學(xué)反應(yīng)速率［15］，降低了活化損失。因此，升高溫度可有效改善電解池性能。

2.3.2 CH/GDL界面液態(tài)水飽和度對電解池性能的影響

圖11為CH/GDL界面液態(tài)水飽和度對電解池性能的影響。從圖11a可看出，在3種不同液態(tài)水飽和度下，PEM潤濕效果均較好；PEM膜態(tài)水含量和PEM電導(dǎo)率均隨液態(tài)水飽和度的降低而減?。划?dāng)電壓較高時，PEM電導(dǎo)率梯度隨液態(tài)水飽和度的降低變化更加明顯。隨著CH/GDL界面液態(tài)水飽和度的降低，一方面會使PEM膜態(tài)水含量降低，導(dǎo)致PEM的潤濕效果減弱，另一方面反應(yīng)物不足會降低電化學(xué)反應(yīng)速率，進(jìn)而減緩溫度升高的速率，因此PEM電導(dǎo)率也隨之逐漸減小。在高壓區(qū)間，由于溫度成為了PEM電導(dǎo)率的主要影響因素，因此隨著液態(tài)水飽和度的降低，PEM電導(dǎo)率梯度變化更加明顯。從圖11b可看出，隨著進(jìn)口液態(tài)水飽和度的升高，電解池性能提高。由于液態(tài)水飽和度的降低，電化學(xué)反應(yīng)速率降低，活化損失增加。PEM電導(dǎo)率減小，相同膜厚條件下歐姆損失會增大。因此，提高液態(tài)水飽和度能有效提升電解池性能。

2.3.3 膜厚對電解池性能的影響

圖12為膜厚對電解池性能的影響。從圖12a可看出，當(dāng)電壓較小時，膜厚對PEM電導(dǎo)率的影響不明顯；當(dāng)電壓較大時，PEM電導(dǎo)率隨膜厚的增加而減小，且膜的厚度越薄轉(zhuǎn)折點電壓越小。這是因為電壓較小時，改變膜厚對溫度和膜態(tài)水含量的影響不明顯，所以膜厚對PEM電導(dǎo)率無明顯影響；當(dāng)電壓較大時，PEM電導(dǎo)率的轉(zhuǎn)折點提前，這是因為隨著膜厚的減小，溫度更易成為PEM電導(dǎo)率的主要影響因素。從

圖12b可看出，電解池性能隨厚度的增加而降低。這是因為當(dāng)電壓較小時，改變膜厚，電解池的活化損失基本相同且歐姆損失無明顯差異；當(dāng)電壓較大時，電解池性能主要受歐姆損失的影響，薄膜的電導(dǎo)率比厚膜大，且厚度更薄，使得膜內(nèi)總電阻更小，歐姆損失更小，所以電解池性能越好。

3 結(jié) 論

本文建立二維穩(wěn)態(tài)PEMEC兩相流模型，研究了不同電壓下溫度、液態(tài)水飽和度、膜態(tài)水分布以及溫度、液態(tài)水飽和度和膜厚對PEMEC性能的影響，得到如下主要結(jié)論：

1） 即使忽略接觸電阻，膜潤濕性能較好，高電壓（2.0 V）下歐姆損失占比仍較高，高電壓（2.0 V）下歐姆損失占比可達(dá)到34.7%，低電壓（1.4 V）下歐姆損失占比僅為2.7%。

2） 隨著電壓的增大，高溫區(qū)域會出現(xiàn)在流道下對應(yīng)的MEA處，且在2.0 V電壓下最高溫度約能提升7 ℃。當(dāng)電壓較低時，膜態(tài)水含量為PEM電導(dǎo)率的主要影響因素；當(dāng)電壓較高時，溫度為PEM電導(dǎo)率的主要影響因素。

3） 升高溫度會降低活化損失，提高膜內(nèi)電導(dǎo)率，降低歐姆損失，提高電解池性能。降低CH/GDL界面液態(tài)水飽和度會增加活化損失，減弱膜的潤濕效果，降低膜內(nèi)電導(dǎo)率。當(dāng)電壓較高時，降低膜的厚度會增加膜內(nèi)電導(dǎo)率，降低歐姆損失，有效提高電解池性能。

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TWO-DIMENSIONAL COMPREHENSIVE SIMULATION STUDY OF

TWO-PHASE FLOW IN PROTON EXCHANGE MEMBRANE

ELECTROLYZER CELL

Shu Zhanhong1，2，Chen Rui1，2，Song Hao2，3，Zhang Heng2，3，Liu Yihao2，Zhan Zhigang1-3

（ 1. School of Automotive Engineering， Wuhan University of Technology， Wuhan 430070， China；

2. State Key Laboratory of Advanced Technology for Materials Synthesis and Processing， Wuhan University of Technology， Wuhan 430070， China；

3. Foshan Xianhu Laboratory of the Advanced Energy Science and Technology Guangdong Laboratory （Foshan Xianhu Laboratory），

Foshan 528200， China）

Abstract：In the study， a two-dimensional， non-isothermal， two-phase flow steady-state model of proton exchange membrane （PEM） electrolyzer cell is established to study the distribution of temperature， liquid water saturation and membrane water content at different voltages in the membrane electrode assembly of electrolyzer cell. Besides， the effects of temperature， liquid water saturation and membrane thickness on the performance of electrolyzer cell are investigated. The reliability of the model is validated by experimental results. The results show that although the contact resistance is neglected and the membrane wettability is good， the percentage of the ohmic loss can still reach up to 34.7% at high voltage （2 V）. As the cell voltage increases， the dominant factor of the overpotential changes from activation loss to ohmic loss， and the loss of mass transfer accounts for a minor proportion of the total overpotential. When the voltage is lower， the membrane water content is the main factor affecting the PEM conductivity， and when voltage is greater， the temperature becomes the main factor to determine the PEM conductivity. The performance of the PEM electrolyzer cells can be effectively improved by increasing the temperature and the liquid water saturation， or decreasing the membrane thickness.

Keywords：proton exchange membrane； two-phase flow； water content； electrolytic hydrogen production； liquid water saturation； temperature