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上海交大章俊良、闫晓晖团队PECS综述：PEM电解水气泡行为与气泡管理

时间：2023-02-01 来源：浏览：

上海交大章俊良、闫晓晖团队PECS综述：PEM电解水气泡行为与气泡管理

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收录于合集

第一作者：袁述

通讯作者：闫晓晖、章俊良

通讯单位：上海交通大学

近日，上海交通大学燃料电池研究所章俊良&闫晓晖课题组在国际期刊Progress in Energy and Combustion Science上发表了有关质子交换膜（PEM）电解池气泡管理的综述论文Bubble evolution and transport in PEM water electrolysis: Mechanism, impact, and management，论文第一作者是上海交通大学燃料电池研究所博士生袁述，通讯作者是闫晓晖副教授和章俊良教授。

【背景介绍】

从可再生能源中生产氢气并将氢气作为能源载体广泛使用，被认为是实现碳中和的重要手段。对于氢气的来源，可再生能源电力价格的下降为通过电解水大量生产氢气提供了绝佳机会，同时也解决了可再生能源难以规模存储的问题。在各类制氢技术中，质子交换膜水电解（PEMWE）技术由于其高性能、高效率、高动态响应的优势，对各类可再生能源电力具有良好的兼容性，被认为是最适合与可再生能源发电搭配使用的制氢技术。随着PEMWE性能的不断提升，与燃料电池（PEMFC）存在水管理（water management）问题相似，PEMWE也凸显出气泡管理（bubble management）的技术问题。

气泡的影响广泛地存在于各类气体生成的反应器中，并在近年来广受关注。随着深入研究，发现随着PEM电解池性能的提高，其操作电流密度也逐渐提高，阳极中产生的大量氧气气泡带来了诸如高气泡覆盖率、缓慢的气泡脱离、不足的气泡生成点以及气体积累等问题。这些问题又进一步导致了高质量传输损失、低催化剂利用率和不稳定的电解池性能等问题。因此深入研究和理解PEM电解池中的气泡动力学和气泡传输过程，并据此提出高效的气泡管理（bubble management）手段对未来进一步提高PEM电解池的性能和降低PEM电解池的成本非常重要。

图1 PEM电解池中的几类气泡问题示意图

【内容简介】

论文聚焦目前热点的PEM电解水技术，主要包括：

（1）PEM电解池中气泡成核、生长、脱离的演化（evolution）过程，以及气泡穿过催化层、多孔传输层（PTL）和双极板及其界面的传输（transport）过程。 PEMWE中的气泡evolution过程包括成核、生长和脱离，其行为受到了PEMWE中MEA的结构，以及所构建出的三相界面的影响。脱离表面后，气泡经历了复杂蜿蜒的传输过程，PEMWE中由于阳极充满了液态水，产生的氧气以气泡的形式穿过PTL离开阳极CL，然后到达流场，在水流的驱动下进一步从电解池中排出。

（2）气泡对PEM电解池的影响机制，以及由于气泡行为而导致的对电解池的正面与负面影响。目前在相同的贵金属催化剂负载下，在提高电流密度方面已经取得了较大进展。然而，随着电流密度的增加，电解过程中产生的气泡对电解效率的负面影响越来越大。一方面，较低的气泡的evolution效率提高了催化表面附近的气体过饱和度，增加了传质损失；而另一方面，气泡又掩盖了催化表面，导致活性催化表面积的损失。另外在气泡的传输过程中，稳态时和变载时存在气泡的累积问题，也导致了性能的不稳定。

（3）目前最先进的气泡管理方法。通过合理的催化层、PTL、双极板设计，以及电解制氢系统控制等方法，能够显著地提高PEMWE的性能和运行稳定性。

（4）阴离子交换膜电解池（AEMWE）相关讨论。由于PEM电解水和阴离子交换膜电解池之间的相似性，论文也讨论了阴离子交换膜电解池中的气泡管理。

（5）总结和展望。最后，论文回顾了目前PEM电解水气泡管理中尚未明晰的微尺度传输问题以及目前气泡管理手段的不足，总结了PEM电解池中气泡行为的理想状态，并展望了未来的研究方向。

该工作对下一代PEM电解池的开发与构建具有一定指导作用。

Yuan, S., Zhao, C., Cai, X., An, L., Shen, S., Yan, X., Zhang, J. Bubble evolution and transport in PEM water electrolysis: Mechanism, impact, and management. Progress in Energy and Combustion Science, 2023.

https://doi.org/10.1016/j.pecs.2023.101075

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