質子交換膜水電解流道結構優化研究

摘 要：研究了質子交換膜電解電池（PEMEC）內流場結構對于水電解反應物質的傳輸與轉移的影響。通過仿真軟件COMSOL 建模，改變PEMEC流道寬度與流道脊寬度之比（ 流道脊寬比， γ）與流道數目（λ），研究在流道寬度固定為1 mm 的情況下，γ 與λ 變化對PEMEC 性能的影響。結果表明：當γ = 1時的電解質電流密度最高，比γ = 2 時的電池電流密度高6.9%，比γ = 3 時的電流密度高13.8% ；當λ增加時，PEMEC 性能會發生較大變化。當固定γ = 1 時，流道數目λ 的增加會增大PEMEC 流道壓降，有利于電流密度與氧氣的均勻分布，從而提升PEMEC 性能，增大電流密度；但增加流道數目，也會增大流阻，影響氧氣排出。

關鍵詞： 質子交換膜電解電池（PEMEC）；軟件COMSOL 建模；流道脊寬比；流道數目；壓降

中圖分類號： TM 911.4 文獻標識碼： A DOI： 10.3969/j.issn.1674-8484.2024.06.006

可再生能源與清潔能源的發展被各國視為重中之重。在新能源中氫能源具有清潔無污染、可再生、熱值高、可儲存的優點，被公認為同時滿足資源、環境、可持續發展要求的新能源[1]。水電解制氫操作簡單、無污染、維護方便、制氫純度高。質子交換膜電解電池（proton exchange membrane electrolysis cell，PEMEC） 在水電解制氫中具有啟動快、波動響應快、能量轉化率高、產氫效率高等優點。流場是PEMEC 的重要組成部分之一，其結構設計對PEMEC 導電性、傳熱、傳質性能有重要影響。

T. Lickert 等[2] 通過實驗對比PEMEC 有流道結構和無流道結構，結果表明有流道結構電流密度、溫度、壓力等參數更為穩定，而無流道結構PEMEC 性能極易受到操作條件影響。因此流道結構對PEMEC 的穩定性極其重要。PEMEC 可以通過改進流場的結構與形狀等，提高電解效率、優化物質傳遞、提高壓降、優化電池溫度分布等。目前對于PEMEC 的流場優化包括結構優化、流道填充等。結構優化包括流場形狀設計如平行流場、蛇形流場、級聯等結構。流道填充包括泡沫鈦、金屬骨架等流道填充[3]。目前也有相關研究證明對雙極板流場進行貴金屬涂層也能顯著改善PEMEC性能。

S. S. Lafmejania 等[4] 利用膨脹金屬網作為流場板，發現膨脹金屬網結構會出現強擾流作用，能促進氧氣泡的分裂，并促使水迅速向氣體擴散層流動，加快反應速度。K. Ito 等[5] 測試了3 種不同類型的流場，蛇形、平行和級聯。實驗結果表明陰極流場構型不同只影響電池歐姆過電位，而陽極流場構型不同將影響水氣流動，對傳質過電位造成較大影響。在3 種流場形式中，蛇形流場性能最佳。C. Minnaar 等[6] 設計了一種方針形流場，實驗結果表明方針形流場有利于提高流道進出口壓降，提高氧氣排出速度。另外，方針形流場也有利于溫度的均勻分布，并且提高電池電流密度。A. C.Olesen 等[7-8] 研究了3 種不同的圓形流場，發現圓形流道電流密度與溫度分布更加均勻，進出口處速度更大，但在流道彎曲處容易導致氣體聚集，阻礙水擴散，因此需要減小流道的彎曲度。J. O. Majasan 等[9] 通過高速攝像機研究了單蛇形和平行流場中的氣液兩相流，發現在高電密下，單蛇形流場出現了氧氣段塞流，并進一步發展呈環狀流。氧氣團阻礙了水向催化劑層的擴散，因此造成了電池性能惡化。

除流道構型改變外，目前PEMEC 流道內填充也有較多研究。流道內部填充可顯著分裂氣泡，提高氣泡的排出能力，提高電流密度。JIAO Kui 等[10] 在流道內填充網狀結構提高PEMEC 的氧氣排出能力，仿真結果發現該網狀結構能顯著促進氧氣泡的分裂，防止形成較大的柱塞流，從而大幅提高流道內氧氣的排出能力。另外，通過對骨架進行親疏水性的改變也能提高電池電解性能。E. Baniasadi 等[11] 在流道內填充金屬泡沫作為電流分配器并與無填充的平行流場和雙蛇形流場進行了比較，結果表明，金屬泡沫填充流場具有更高的導電性，其內部電流密度與溫度分布更均勻。另外，改變金屬泡沫的滲透率也將顯著影響流道內部的壓降。

目前相關一些流道研究圍繞流道形狀與流道內結構改變等內容，尚未針對流道的大小與數量進行研究。當流道尺寸參數改變時，其內部壓降、氧氣流動阻力將發生變化，因此研究流道尺寸參數對PEMEC 流道設計具有重要意義。

本文通過COMSOL 軟件， 建立了PEMEC 流道的三維模型，在保證極板總寬度不變的情況下，改變流道脊寬比（ 流道寬度與流道脊寬度之比，γ），研究了PEMEC 的3 種不同流道脊寬比下的電池性能，確定脊寬比對電池性能的影響規律。

1 PEMEC 模型搭建

1.1 幾何模型

本文采用Solidworks 進行建模，包括端板、流道、氣體擴散層、催化劑層。如圖1 所示為所搭建電池單流道幾何結構。流道高度為1.5 mm，為與實際流場接近且便于計算，流道長度選擇20 mm，寬度為1 mm。由于PEMEC 膜電極組件較為復雜，本研究進行簡化。氣體擴散層厚度為1 mm，催化劑層厚度0.02 mm，質子交換膜厚度為0.15 mm。

PEMEC 中，陽極流道通水，水經過氣體擴散層進入催化劑層參與反應。水在陽極催化劑層處分解生成氧氣，隨后經過氣體擴散層進入流道，與流道內的水一同從陽極出口排出。PEMEC 陽極分解產生的質子經過質子交換膜進入陰極，得到電子生成氫氣。因此在整個PEMEC 反應中，流動物質共有氧氣、氫氣、水，每種物質各項物理參數與PEMEC 結構參數如表1 所示。