质子交换膜水电解流道结构优化研究

摘 要：研究了质子交换膜电解电池（PEMEC）内流场结构对于水电解反应物质的传输与转移的影响。通过仿真软件COMSOL 建模，改变PEMEC流道宽度与流道脊宽度之比（ 流道脊宽比， γ）与流道数目（λ），研究在流道宽度固定为1 mm 的情况下，γ 与λ 变化对PEMEC 性能的影响。结果表明：当γ = 1时的电解质电流密度最高，比γ = 2 时的电池电流密度高6.9%，比γ = 3 时的电流密度高13.8% ；当λ增加时，PEMEC 性能会发生较大变化。当固定γ = 1 时，流道数目λ 的增加会增大PEMEC 流道压降，有利于电流密度与氧气的均匀分布，从而提升PEMEC 性能，增大电流密度；但增加流道数目，也会增大流阻，影响氧气排出。

关键词： 质子交换膜电解电池（PEMEC）；软件COMSOL 建模；流道脊宽比；流道数目；压降

中图分类号： TM 911.4 文献标识码： A DOI： 10.3969/j.issn.1674-8484.2024.06.006

可再生能源与清洁能源的发展被各国视为重中之重。在新能源中氢能源具有清洁无污染、可再生、热值高、可储存的优点，被公认为同时满足资源、环境、可持续发展要求的新能源[1]。水电解制氢操作简单、无污染、维护方便、制氢纯度高。质子交换膜电解电池（proton exchange membrane electrolysis cell，PEMEC） 在水电解制氢中具有启动快、波动响应快、能量转化率高、产氢效率高等优点。流场是PEMEC 的重要组成部分之一，其结构设计对PEMEC 导电性、传热、传质性能有重要影响。

T. Lickert 等[2] 通过实验对比PEMEC 有流道结构和无流道结构，结果表明有流道结构电流密度、温度、压力等参数更为稳定，而无流道结构PEMEC 性能极易受到操作条件影响。因此流道结构对PEMEC 的稳定性极其重要。PEMEC 可以通过改进流场的结构与形状等，提高电解效率、优化物质传递、提高压降、优化电池温度分布等。目前对于PEMEC 的流场优化包括结构优化、流道填充等。结构优化包括流场形状设计如平行流场、蛇形流场、级联等结构。流道填充包括泡沫钛、金属骨架等流道填充[3]。目前也有相关研究证明对双极板流场进行贵金属涂层也能显著改善PEMEC性能。

S. S. Lafmejania 等[4] 利用膨胀金属网作为流场板，发现膨胀金属网结构会出现强扰流作用，能促进氧气泡的分裂，并促使水迅速向气体扩散层流动，加快反应速度。K. Ito 等[5] 测试了3 种不同类型的流场，蛇形、平行和级联。实验结果表明阴极流场构型不同只影响电池欧姆过电位，而阳极流场构型不同将影响水气流动，对传质过电位造成较大影响。在3 种流场形式中，蛇形流场性能最佳。C. Minnaar 等[6] 设计了一种方针形流场，实验结果表明方针形流场有利于提高流道进出口压降，提高氧气排出速度。另外，方针形流场也有利于温度的均匀分布，并且提高电池电流密度。A. C.Olesen 等[7-8] 研究了3 种不同的圆形流场，发现圆形流道电流密度与温度分布更加均匀，进出口处速度更大，但在流道弯曲处容易导致气体聚集，阻碍水扩散，因此需要减小流道的弯曲度。J. O. Majasan 等[9] 通过高速摄像机研究了单蛇形和平行流场中的气液两相流，发现在高电密下，单蛇形流场出现了氧气段塞流，并进一步发展呈环状流。氧气团阻碍了水向催化剂层的扩散，因此造成了电池性能恶化。

除流道构型改变外，目前PEMEC 流道内填充也有较多研究。流道内部填充可显著分裂气泡，提高气泡的排出能力，提高电流密度。JIAO Kui 等[10] 在流道内填充网状结构提高PEMEC 的氧气排出能力，仿真结果发现该网状结构能显著促进氧气泡的分裂，防止形成较大的柱塞流，从而大幅提高流道内氧气的排出能力。另外，通过对骨架进行亲疏水性的改变也能提高电池电解性能。E. Baniasadi 等[11] 在流道内填充金属泡沫作为电流分配器并与无填充的平行流场和双蛇形流场进行了比较，结果表明，金属泡沫填充流场具有更高的导电性，其内部电流密度与温度分布更均匀。另外，改变金属泡沫的渗透率也将显著影响流道内部的压降。

目前相关一些流道研究围绕流道形状与流道内结构改变等内容，尚未针对流道的大小与数量进行研究。当流道尺寸参数改变时，其内部压降、氧气流动阻力将发生变化，因此研究流道尺寸参数对PEMEC 流道设计具有重要意义。

本文通过COMSOL 软件， 建立了PEMEC 流道的三维模型，在保证极板总宽度不变的情况下，改变流道脊宽比（ 流道宽度与流道脊宽度之比，γ），研究了PEMEC 的3 种不同流道脊宽比下的电池性能，确定脊宽比对电池性能的影响规律。

1 PEMEC 模型搭建

1.1 几何模型

本文采用Solidworks 进行建模，包括端板、流道、气体扩散层、催化剂层。如图1 所示为所搭建电池单流道几何结构。流道高度为1.5 mm，为与实际流场接近且便于计算，流道长度选择20 mm，宽度为1 mm。由于PEMEC 膜电极组件较为复杂，本研究进行简化。气体扩散层厚度为1 mm，催化剂层厚度0.02 mm，质子交换膜厚度为0.15 mm。

PEMEC 中，阳极流道通水，水经过气体扩散层进入催化剂层参与反应。水在阳极催化剂层处分解生成氧气，随后经过气体扩散层进入流道，与流道内的水一同从阳极出口排出。PEMEC 阳极分解产生的质子经过质子交换膜进入阴极，得到电子生成氢气。因此在整个PEMEC 反应中，流动物质共有氧气、氢气、水，每种物质各项物理参数与PEMEC 结构参数如表1 所示。