同济大学吕洪在《Energy Conversion and Management》上发表质子交换膜电解水制氢多物理场耦合研究最新成果

7月3日，Elsevier旗下高影响力综合期刊 《Energy Conversion and Management》（IF=9.9, Cite Score=19.0）在线发表了题为“Performance modeling and mechanism study of proton exchange membrane water electrolyzer coupled with water electroosmosis”的研究性论文。该研究主要由同济大学汽车学院吕洪课题组完成，博士研究生陈静娴为论文第一作者，吕洪副教授为通讯作者。

研究背景

质子交换膜电解水制氢是一种极具潜力的高效绿氢制备技术，运行过程中涉及复杂的物理现象。水电渗是电解槽在实际运行过程中不可忽视的重要现象，影响电解槽的性能与特征分布。现有质子交换膜电解槽的多物理场耦合模型研究中，恰恰忽略了水电渗因素，导致现有模型对电解槽性能预测存在较大的偏差。

研究成果

本文针对质子交换膜电解槽构建了三维全尺寸两相模型，模型耦合了流体动力学、电化学反应动力学、质量传递、热量传递、水气两相流等多个物理过程，且首次将水电渗因素引入模型，并通过实验修正模型的准确性。首先，采用构建的新模型，预测了不同电解电压下电解槽的两相流动、传热传质特性和水电渗的变化；其次，探究了影响水电渗现象的重要结构参数——多孔传输层（孔隙率和厚度）与质子交换膜，从多个指标探究其对电解槽性能、传热传质特性以及水电渗的影响；最后，通过优化新模型，在选定多孔传输层的结构参数与膜类型的条件下实现电解槽的欧姆电阻变化规律预测。上述研究成果对完善质子交换膜电解槽多物理场耦合建模、由于水电渗引起的阴极侧水管理以及电解槽性能优化提供了科学依据。

研究团队

本研究得到了国家自然科学基金（No. 52271013）、上海市科技创新行动计划(No. 23DZ1200600)，以及上海智能新能源汽车科创功能平台的支持。详细研究描述请参阅论文原文及附录：

Chen J, Sun Y, Hu D, et al. Performance modeling and mechanism study of proton exchange membrane water electrolyzer coupled with water electroosmosis [J]. Energy Conversion and Management, 2024: 118753.

链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0196890424006940

DOI：https://doi.org/10.1016/j.enconman.2024.118753