【前言】
可再生能源系统的应用已经为通过水电解生产绿色氢产生了巨大的潜力。在低温条件下（<120 ℃），电解过程主要由零间隙碱性水电解器（AWE）和质子交换膜水电解器（PEMWE）系统控制。PEMWE系统可在高电流密度下运行（>2 A cm−2），因此是一个紧凑的系统。PEMWE的主要缺点是使用铂族金属（PGM）材料作为电催化剂和双极板。在AWE系统中使用非PGM材料是常见的。尽管AWE系统使用更便宜、相对不太关键的材料作为电催化剂（Ni、Fe、Mo），但电流密度较低（在2V时约为0.5 A cm−2）。此外，由于使用了多孔分离器，AWE表现出更高的H2在O2中的气体透过率。阴离子交换膜水电解槽（AEMWE）在碱性条件下使用聚合物电解质，有效地结合了PEMWE和AWE的优点。已经多次报道，在使用非PGM电催化剂的情况下，AEMWE的性能在2 V时至少达到1 A cm−2。自2020年以来，AEMWE的性能和降解分析研究加快了步伐，不同制造商的膜均达到了1年以上（>8700 h）的恒定电流密度性能。AEMWE膜电极组件的操作条件对于维持耐久性和潜在的寿命管理至关重要。在不同温度、KOH浓度和电解质进料类型（湿或干阴极进料）下识别和绘制MEA性能有助于表征MEA要求以达到这种耐久性。为了确定大规模AEMWE实施的可行性，需要进行大量的实验。这些实验成本可以通过MEA的多物理模拟而显著降低。此外，为AEMWE系统开发控制策略将有利于最大限度地减少退化并提高耐久性。KOH浓度、温度、压力和操作电流密度的相互作用以满足所需的氢气生产对于达到非常低的氢气的水平化成本是至关重要的。在验证域中，稳健MEA模型是实现动态控制系统的第一步。阴离子交换膜燃料电池（AEMFC）中膜电极组件的模拟通常采用含尘气体模型来描述气体扩散电极内的物质传输，而质子交换膜燃料电池（PEMFC）系统中流行的是Maxwell-Stefan扩散模型。由于燃料电池中的冻结水是低工作温度下的主要问题，因此重点是检查水分布、管理水含量和研究物种交叉。因此，考虑到微观结构、孔隙率、接触角和最佳入口气体湿度，气体扩散层的精确设计对于控制阳极水淹和阴极缺水至关重要。
电极动力学的物理化学研究具有空间平均的一维平面中的气体模型也是主要技术。含尘气体模型作为低孔隙率Maxwell-Stefan扩散模型的扩展，与催化剂层相关。值得注意的是，格子玻尔兹曼方法用于分析气体扩散层（GDL）中的毛细管压力-饱和度特性，特别是模拟液态水的传输。然而，在两相流中，注意力集中于在没有气泡的情况下有效地去除采出水。在PEMWE中，在阳极（OER电极）处供应纯去离子水，而水到阴极（HER电极）的非预期交叉导致明显的两相行为。了解氧气气泡与多孔传输层（PTL）之间的相互作用对于开发具有低浓度过电位的先进阳极微结构至关重要。气-液界面的建模主要采用质量-动量守恒方程和格子玻尔兹曼方法，强调相分离。重点是特定物质的输运，通常不考虑相间动量转移。此外，PEMWE研究涵盖了稳态两相流，集中于气泡成核、生长、聚结和分离，而没有解决作为施加电流密度函数的连续增加的气泡分数的影响。考虑到PEMWE中仅氧气泡的重要性，在评价MEA性能时，不考虑PTL中氢气泡的相互作用。
目前，对AEMWE膜电极组件的两相流模拟研究较少。F.M Nafchi等人使用白杨Plus软件对带有流道的三维AEMWE进行了数值模拟。该模型已通过李晓等人的实验数据进行了验证。研究了温度和压力对AEMWE性能的影响，结果表明，在较高的温度和压力下AEMWE的性能较好。D.Lee等人开发了一种基于CFD的先进AEMWE模型。通过实验验证了该模型得到的极化曲线，并对流道内的组分浓度和压降进行了数值模拟。F.M Nafchi等和D.Lee 模型广泛关注流场对AEMWE性能的影响。Gomez Vidales等人模拟了温度、压力、KOH浓度、膜厚度和流量等操作参数对AEMWE性能的影响。然而，MEA性能与在MEA和催化剂涂覆的基底（CCS）处的两相流体特性的耦合尚未被完全研究。此外，虽然已经进行了实验设计，以选择性能最佳的MEA材料，但只有少数几个电化学模型可识别所选MEA的AEMWE操作曲线。因此，在本研究中，COMSOL®燃料电池和电解槽模块与计算流体动力学模块相结合，用于验证标准电化学AEMWE电池性能和多孔传输层（PTL）中的两相行为。采用基于活度的Butler-Volmer方程来计算电化学过程，同时通过Euler-Euler方程来积分气相产生。采用牛顿流体的连续性-质量和动量守恒方法，沿着Navier-Stokes方程，计算了有限网格体积内的速度和粘度分布。粘度的局部变化基于Krieger粘度模型来适应。在此基础上，根据气泡相的升力、阻力和弥散力计算了两相间的动量传递，从而估算了瞬时含气率。采用Schiller-Naumann阻力模型来描述相间阻力系数。该技术被应用于标准湿阴极馈电配置（WCF）中的HER和OER电极。首先，根据电解槽的良好实践，分别对CCS的三电极测量值（阳极PTL（aPTL）和阴极PTL（cPTL））对数值模型进行了验证。扩展经验证的半电池模型，以绘制MEA性能图。
【成果简介】
阴离子交换膜水电解（AEMWE）提供了一种绿色制氢方法，其消除了对铂族金属（PGM）作为电催化剂的需要。本研究采用COMSOL® 6.0模型模拟1x 1 cm2 Ni纤维−Raney® Ni|| X37-50RT|| NiFe2O4−SS316L纤维AEMWE膜电极组件（MEA）。膜的厚度设定为60μm，而阳极和阴极多孔传输层（PTL）的模型厚度为370μm，每个层的平均孔隙率为0.70。通过实验测量半电池过电位，以验证三电极设置中的半电池模型，该三电极设置包括（工作电极）||AGAR-Ag/AgCl|| Pt−线（对电极）。两份新编写的多边环境协定验证了基本情况和敏感性分析模型。基础案例模型验证了在20℃和1个大气压下，在1.56 ml min−1 cm−2的1 M KOH电解质进料中的MEA结果。通过敏感性分析研究的五个参数显示，基于面积比电阻（ASR）变化的最具影响力的参数按以下顺序排列（+和−分别表示ASR的增加和减少）：KOH浓度（−97%），膜厚度（+ 9%），温度（−4%），阴极进料类型（< +0.5%）和KOH流量（> −0.5%）。
【图文导读】
标准的AEMWE在两个电极中均采用KOH水溶液进料，称为湿阴极进料，如图1（a）所示。在阴极和阳极处分别发生的析氢（HER）和析氧反应（OER）由施加的电流（恒电流）或电压差（恒电位）驱动。半电池反应（1）和（2）分别用于阴极和阳极。电化学反应将阴极每消耗一次的H2O泵送到阳极。
在实践中，由于AEM的高离子交换容量（IEC），通过膜的水传递高于化学计量要求。高离子交换容量（IEC）导致高吸水性和溶胀性。高IEC还将通过扩散通过膜导致更高的水传输，从而允许KOH水溶液仅在阳极处进料，如图1（b）所示，在干燥阴极进料中配置。阴极所需的H2O通过阳极的扩散来提供。
图 1 阴离子交换膜水电解槽按（a）湿阴极进料（标准）操作（b）干阴极进料操作。
AEMWE模型的开发考虑了商用PTL的实际横截面尺寸。选择1 × 1 cm2的代表性3D域以降低计算成本。模型域包括HER的PTL、AEM和OER的PTL。所有相关的测量值均归一化为面积函数。对现有的AEMWE性能模拟文献和模型进行了分析和调整，如图2所示。该模型逐步发展为1D、2D和3D几何形状。最后，通过一系列不同条件下的实验测量，对模型进行了验证和调整。模型描述部分分为以下子部分：1、控制方程-描述了有助于模型物理的控制（电化学和两相流）方程。2、数值模型-描述了根据单元结构、组件、主要假设以及如何在COMSOL® 6.0中构建数值模型（域和边界条件）。3、实验设置-描述了用于操作三电极和MEA的实验设置和条件。
图2 详细说明模型验证结构的流程图。
该模型首先通过使用以下的Butler-Volmer方程呈现电化学信息的静态研究来求解。然后，在模型中添加欧拉-欧拉模型、层流物理接口，并与氢氧化物（OH-）交换水电解槽物理耦合。静态研究不考虑气泡生成效应，并用作时间相关研究的初始化。时间依赖性研究模拟了AEMWE中的两相行为和气泡形成对电池性能的影响。生成的数据在MATLAB中进行后处理，并进行参数的敏感性分析。COMSOL® 6.0自动生成一个粗糙的物理控制网格，如图3（a）所示。网格的分布集中在边界和层间。选择物理控制网格是合理的，因为它比用户定义的网格具有更高的精度。网格尺寸、角点细化和边界层会根据所选的物理界面设置自动调整。在这种情况下，两个物理，即电化学（巴特勒-沃尔默动力学）和流体动力学（欧拉-欧拉模型）耦合在一起，并在网格域中计算。角点细化节点在几何形状的边界处创建平滑的边缘，防止收敛异常。此外，使用粗网格，因为它减少了计算时间，而不影响模型的精度。边界层、膜-PTL界面和膜网格元素如图3（a）的2D横截面所示。使用三电极设置分析cPTL和aPTL的性能，如图3（B）所示。三电极装置由工作电极||AGAR-Ag/AgCl||Pt（对电极）。使用我们先前研究中提到的方法测试相应电极的过电位。OER线性扫描伏安法（LSV）扫描范围为+0.3 V至+0.9 V（相对于RHE），而HER LSV扫描范围为-0.3 V至-1.10 V（相对于RHE）（在1 M KOH中）。扫描速率设定为1 mV s-1。两种含镍纤维的MEA- Raney® Ni|| X37-50 RT|| NiFe2O4 SS316L纤维进行了测试，首先验证模型，其次进行灵敏度分析。使用EPDM垫圈作为MEA密封件，平均夹紧压力为59 N cm−2。氩气鼓泡通过液体介质以避免大气CO2溶解，如示意图3（c）所示。由于氩气比空气重38%，因此气体层将KOH溶液和大气CO2隔离。电流密度-电压（jV）扫描在1.2至2.5 V之间以50 mV s-1的扫描速率进行。与三个电极测量相比，选择更高的扫描速率以抵消焦耳加热的影响。结合三电极和MEA测试的结果来验证所建立的电化学模型。
图3 (a)（从左至右）模型中使用的3D MEA、3D粗网格和在yz平面中表示MEA的建模域的2D示意图（图未按比例）。(b)三电极设置（WE||琼脂||Pt），用于测量衬底过电位。(c)用于执行MEA极化测量的实验设置示意图。
1、基本情况模型验证-基于初始实验操作条件的模型，用于验证实验结果。
通过如图4（a）所示的三个电极测量来验证模型过电位。使用双层电容法计算电化学活性表面积，如上文所述。对于HER和OER电催化剂，在±50 mV的电位范围内，使用的扫描速率在1至9 mV s-1之间。HER和OER电极具有相似的ECSA <51 cm2，如上文所示。阳极电催化剂NiFe2O4具有比阴极Raney®-Ni更好的性能。虽然Raney®-Ni的三个电极测量显示，在传统碱性（30wt% KOH）条件下具有非常好的HER电催化剂; @25℃，η（HER）= 300 mV，j = 2 A cm-2，但在AEMWE条件下性能仍然较差（4wt% KOH），在η（HER）= 400至500 mV之间可能达到1 A cm-2。阳极电催化剂NiFe2O4具有低起始电位和高活性。尖晶石被确定为AEMWE条件下最有前途的OER电催化剂。此外，三电极模型适用于MEA性能分析。如图4（b）所示，适应模型与实验数据紧密匹配。分析了三个感兴趣的点，0.5 Acm−2，这标志着气泡形成的开始; 1 A cm−2，这是要达到的目标电流密度; 1.2 A cm−2，这标志着实验基本情况下应用电流密度扫描的结束。由于实验装置的传质限制，在扫描结束时仅观察到微小差异（最高20 mV）。如图4（c）所示，PTL中产生的H2和O2气体的体积分数在电池出口（顶部）处最高。在膜和PTL之间的界面处观察到更高的气泡浓度，因为这是气体产生的区域（无限薄的催化剂层）。在电池的外边缘处记录到较低的气体体积分数，因为它们离催化剂层最远。还可以观察到，所产生的氢气的气体分数大约是所产生的氧气的气体分数的两倍，这表明保持了H2和O2之间的2 ∶ 1的化学计量比。在不同电流密度下得到的气体分数总结在表3中。因此，这些发现说明了PTL内气泡的行为。模型拟合控制策略使用ECSA和交换电流密度（使用三电极测量值计算）来隔离局部电流密度。然而，计算ECSA的双层电容途径仅在无传质限制的条件下相关.尽管这些值在空间上是标准化的，但是将可用的性能趋势外推至堆叠相关尺寸（例如100 cm2）可能导致局部电流的多种组合，从而产生相同的J-V曲线。然后，需要对分段电极或膜电极组件进行建模和评估，以准确预测MEA性能。这种方法已经在高温固体氧化物电化学电池中实施，用于性能和降解研究。最近，Indro Biswas等人指出，缺水、热梯度和局部电流分布会影响分段PEM和AEM水电解器技术。此外，可使用分段电极设计电极-电解质界面处气泡的演变（导致过电位），从而提供气泡成核、生长、聚结和分离过程的见解。
图1.(a)基础案例3在20℃、1 M KOH、1 atm条件下的电极模型确认。(b)基本情况3D MEA模型验证（20℃，1 M KOH，1 atm电解质，以1.56 ml min−1湿阴极进料引入）（c）0.5 A cm−2、1 A cm−2和1.21 A cm−2时HER和OER产生的气体体积分数。
2、灵敏度分析-确定有助于电池性能的最重要的操作参数。
组装具有与经验证MEA相似组成的新鲜制备的MEA，用于KOH浓度和温度的灵敏度分析。KOH浓度从较低浓度0.01 M（pH 12）、0.1 M（pH 13）和1 M（pH 14）变化，以限制暴露于过量KOH。在每个浓度下，在不同温度下在1.2V至2.5V之间进行电流密度-电压扫描。根据文献中研究的工作点，选择的温度为30、50、60和80℃。所开发的模型还用于验证不同参数的电池性能，并进一步用于预测MEA在改变膜厚度、流速和阴极进料（干阴极进料与湿阴极进料）下的性能。
在60℃的标称温度下研究KOH浓度对MEA的影响。如图5（a）所示，MEA在pH 12（2.5 V时为63 mA cm−2）下几乎不起作用。MEA在pH 13下在2.5 V下达到0.52 A cm−2的电流密度，而在pH 14下达到1.41 A cm−2，这意味着显著的性能改进。图5（b）中示出了在2.5 V下在pH 12至14之间相应的面积比电阻（ASR）下降96%。由于电流密度的增加，在2.5 V下的气体分数（H2O）在pH 12至pH 14之间增加，如图5（c）所示。在水裂解反应之后，级分保持HER和OER之间2：1的化学计量。从膜表面朝向PTL壁观察到衰减的浓度梯度，表明在膜催化剂界面处产生更大量的生成。还可以观察到沿着流动方向的浓度梯度，描绘电解质被H2和O2置换。较低的KOH浓度增加OER过电位和膜欧姆电阻率。由于OH−离子的缺乏，OER过电位增加。此外，较低的KOH浓度导致较大的OER气泡尺寸（> 30μm），这可能会阻碍液体电解质运输到GDE中的活性位点。膜中的离子电导率在很大程度上取决于离子浓度、中尺度离子传输途径（曲折度）和纳米级静电相互作用（OH−离子溶剂化能）。此外，支持电解质在12-14的pH范围内将X37-50 RT膜的电导率提高到20至40 mS cm-1。有效地，较低的OH−浓度降低了膜电导率，导致AEM的不可逆主链聚合物降解。10模拟的MEA与实验数据具有良好的匹配，通过温度补偿交换电流密度实现。由于X37- 50 RT的特性，膜电导率随pH值的变化而得到补偿。使用X37膜[64，68]，可以在浓度大于0.1M KOH的情况下创建唐南禁区，从而在pH 12（0.01 M）至13（0.1 M）之间将性能提高10倍。
图5 在1 atm、60 ℃、1.56 ml min−1湿阴极进料条件下，pH/KOH浓度对电池性能的影响可从以下方面观察到：（a）极化图（b）在2.5 V下获得的电流密度和面积比电阻（ASR）值（c）在2.5 V下获得的HER和OER气体分数（前平面）。
温度对膜电阻的影响最大，其次是动力学过电位。较高的温度导致较高的交换电流密度，即，更快的反应;更高的离子迁移率，以及更高的膜和电解质电导率。实验j-V数据与pH 14的模型拟合，如图6（a）所示。实验显示，在60至80℃之间，性能改善达到一个平台，表明60℃的工作温度足以在1 A cm-2的电流密度下工作。将模型扩展到pH 12和13，以揭示温度敏感性的程度作为pH的函数，如图6（b）所示。随着电解质浓度的增加，温度敏感性的影响更大;导致pH 14的电流密度增加最大（2.5 V时为450 mA cm−2）。如图6（c）所示，对于pH 14，通过在30℃至50℃之间ASR的降低可以观察到MEA的活化。
对于pH 12和13观察到类似的趋势，如上文所示。如图6（d）所示，ASR在pH 14和13之间增加2.5倍，而在pH 14和12之间增加近32倍。温度也对电解质介质中的气泡分散具有显著影响。如图6（e）所示，随着温度的升高，产生的气泡扩散离开膜并进入PTL。分离趋势与电解液pH值和电流密度无关。pH值为14时，标称电流密度为1 A cm−2，而pH值为13和12时，在2.5 V、30℃下，最大电流密度分别固定为0.29和0.03 A cm−2。O2和H2在水溶液中的扩散系数随着温度的升高而增加，而支持电解质的粘度则降低。扩散增加-粘度降低的组合导致改善的气泡排空，有效地减少了传质限制。在中观察到PEMWE的温度对气泡形成的影响，其中当温度从40 ℃升高到80 ℃时，氧气气泡直径增加112%，氧气气泡数量增加117%。这些结果显示了温度对氧气气泡的大小和数量的影响。同时，研究了温度对气泡形成和长大的影响因为温度有利于气泡聚结。结果表明，温度每升高10 K，气泡生长速率增加3%。温度也会影响所有电池性能的影响因素，例如开路电压和激活、欧姆和扩散过电位。膜厚对AEM性能有显著影响较薄的膜由于较小的离子行进路径而具有低欧姆电阻。实际上，较厚的膜导致较低的性能。然而，较薄的膜降解得更快，将氢渗透到氧侧并且具有较低的机械强度。所有这些因素都需要在性能和耐用性之间进行权衡。
图6 温度对MEA的影响观察如下：（a）在1 atm、60 ℃、1 M KOH（pH 14）、1.56 ml min−1湿阴极进料下的电池性能极化图，（b）不同KOH浓度的操作图，（c）在1 A cm−2下pH 14的ASR趋势，（d）与pH 12的ASR趋势比较（0.03 A cm−2），pH值为13（0.29 A cm−2）和pH值为14（1 A cm−2）。(e)在所示电流密度下的HER和OER气体分数（出口平面）。
AEMWE中最常见的膜厚度为50-60 μm，因为它提供了可接受的性能和耐用性。如图7（a）所示，在1 A cm−2、60 ° C、1 M KOH条件下，膜厚度对性能的影响为每30 μm变化约100 mV。1 A cm-2时所需的电压从30 μm厚膜的2.24 V增加到60 μm膜的2.34 V，然后依次增加到90 μm膜的2.44 V。通过图7（b）所示的ASR趋势，对高电流密度下膜厚度的影响进行了量化。在0.5 A cm−2处的ASR变化最小，并在1至1.4 A cm−2之间逐渐增加，如图7（c）所示。在1.4 A cm-2下，膜厚度为30 μm至90 μm之间，ASR的最大变化约为12%。在30-60 μm和6090 μm膜厚度之间观察到类似的增加。尽管总体ASR随着电流密度的增加而降低（图7（b）），但是在较高电流密度下ASR的变化对性能具有较高影响（图7（c））。由于膜厚度仅线性地影响欧姆过电位，因此观察到所需电压的线性增加作为膜厚度的函数（图7（a））。此外，由于欧姆过电位与施加的电流成比例，因此在较高的电流密度下将观察到膜厚度的较高影响（图7（b））。
图7 (a)在1 M KOH、60 ℃、1 atm和湿阴极进料下的极化图中观察到膜厚度对电池性能的影响。分别对30 μm、60 μm和90 μm的样品进行了模拟。(b)作为电流密度的函数，改变膜厚度的槽电压和ASR趋势。(c)ASR在30 - 60 μm（灰色）、60 - 90 μm（红色）和30 - 90 μm（蓝色）之间的增加，作为电流密度的函数。
流速通过排空清除ECSA产生的气泡对电解过程的传质有直接影响。PTL中的两相行为和气泡的形成、生长和脱离是一个缓慢的过程。随着气泡在较高电流密度下开始形成，流体流动参数（例如电解质流速）的影响变得突出。对于较大的12级烟囱，流速也是一个严格的设计标准。由于电解操作是放热的，高流速有助于堆的热管理，去除多余的热量。对于从阴极和阳极PTL引入KOH电解质的湿阴极进料（WCF），将KOH电解质流速从1 ml min-1增加到2 ml min-1略微增加了电池性能，如图8（a）所示。虽然KOH流速（fKOH）的增加在1至1.56 ml min-1之间导致更好的性能，但在1.56至2 ml min-1之间的进一步增加具有较低的影响。MEA性能在2 ml min−1 cm−2后趋于平稳，这是由于电极处有足够的反应物浓度和有效的气泡排空。在干阴极进料配置（DCF）中，需要接近2 ml min-1 cm-2的流速，因为水通过膜扩散到阴极可能导致阳极处的局部反应物饥饿。更高的流速也可能导致催化剂沥滤，特别是在（DCF）配置中。
对于fKOH = 1、1.56、2 ml min-1，电流扫描结束时的体积分数（1.41 A cm-2）表明，高流速快速排空产生的气体，减少气体分数，如图8（b）所示。更高的KOH流速增加气泡界面面积，这导致气泡以更小的尺寸分离，从而导致更高的电极-电解质接触表面。此外，增加电解质流速导致更高的气体产生速率，这减少了电极表面累积的气泡量。湿阴极和干阴极配置之间的气体分数模拟见附录A1。为了降低电解工艺下游的氢气纯化成本，DCF配置越来越突出。支持电解质仅在阳极处进料。水通过膜的扩散为HER提供了必要的燃料。在这种结构中，氢气更干燥，气体分数更高。该模型预测微小的性能变化，由于干阴极配置。尽管对MEA性能似乎没有影响，但DCF可能会在稳定性测试期间增强降解。由于本文的范围是验证开发的MEA电化学性能模型的耐久性研究将被认为是在未来的工作。总的来说，流量在很大程度上影响流体性质，同时提高电化学性能。
MEA性能排名表-通过对电池性能的贡献对文中模拟的参数进行排名。
图8 KOH流速和阴极进料类型对电池性能的影响，如以下所示：（a）在60 ° C、1 M KOH、1 atm下的极化图（B）在fKOH = 1 ml min−1 WCF、fKOH = 1.56 ml min−1 WCF和fKOH = 2 ml min−1 WCF以及fKOH = 1.56 ml min−1 DCF时，在扫描结束时产生的气体体积分数（1.41 A cm−2）。
作为灵敏度分析的结果，可以基于对性能的影响对诸如KOH浓度、温度、膜厚度、电解质进料类型和流速的因素进行排序。面积比电阻概括了各种敏感性的影响参数。在表5中，可以清楚地看出，KOH电解质浓度对电池性能的影响最大，其次是温度、膜厚度、阴极进料类型和KOH流速。
【总结】
在这项研究中，使用了1×1 cm2的镍纤维-Raney®Ni||X37-50RT||使用COMSOL® 6.0模型模拟NiFe2O4−SS316L纤维AEMWE MEA。所用膜为60μm厚，阳极PTL（aPTL）和阴极PTL（cPTL）各为370 μm厚，平均孔隙率为0.7。MEA模拟使用燃料电池和电解器模块进行初始化，在静态研究中使用氢氧化物（OH−）交换水电解器物理学来模拟遵循Butler-Volmer方程的电化学行为。气泡的形成和两相效应的研究使用CFD模块耦合的氢氧化物（OH−）交换水电解槽物理与欧拉-欧拉模型，层流物理接口中的时间依赖性的研究。然后，通过对单独调谐的参数重复模拟来执行灵敏度分析。本研究中研究和显示的主要参数是：KOH浓度; pH12-14，（0.01 M、0.1 M和1 M KOH）（30℃、50℃、60℃和80℃）膜厚度（30μm、60μm和90μm）KOH流速（1 ml min−1、1.56 ml min−1和2 ml min−1）KOH进料类型（湿阴极和干阴极进料）模拟电池通过三个实验测试进行验证。由（工作电极）组成的三电极装置||AGAR-Ag/AgCl||Pt−线（对电极）用于验证模拟的半电池过电位。使用两个新鲜制备的MEA电池来验证模拟。第一个MEA验证了模型的基本情况（20℃，1 atm，1 M KOH，湿阴极进料中的总流速为1.56 ml min−1，从底部等量引入阳极和阴极PTL），而第二个MEA用于验证灵敏度参数。对于基本情况，实验电池在2.22 V时达到1 A cm−2的电流密度，而模型电池在2.21 V时达到1 A cm−2的电流密度（误差<0.5%）。在60℃下，将KOH浓度从0.01 M增加到1 M（pH值从12增加到14），电流密度从0.063 A cm−2增加到1.41 A cm−2，2.5 V。在pH值为12、13和14时，分别选择0.03、0.29和1 A cm−2的电流密度，以分析气体组分。最大H2体积分数从0.3%增加到7.38%。温度从30℃升高到80℃，在pH 14、1 A cm−2时，电池电压从2.48 V降低到2.33 V。随着温度的升高，气泡在PTL中远离催化剂表面均匀扩散。在1 A cm-2、60 ℃和1 M KOH条件下，将膜厚度从30μm增加到90μm，将电池电压从2.24 V增加到2.44 V。在1.4 A cm−2下，在30μm至90μm膜厚度之间观察到ASR的最大增加（12%）。改变阴极馈电类型和增加KOH流速对极化性能的影响较小（在1.41 A cm−2时<3 mV）。但是，对气泡的产生、生长和排空将影响大规模电池堆的MEA性能。根据灵敏度分析，基于电池ASR变化的最具影响力的参数如下：KOH浓度（−97%）、膜厚度（+9%）、温度（−4%）、阴极进料类型（<+0.5%）和KOH流速（>−0.5%）。
https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2023.234047
