流場結(jié)構(gòu)對陰離子交換膜電解槽性能影響的研究

文章編號：1008-1542（2024）06-0582-08

摘" 要：

為了探究不同流場結(jié)構(gòu)對陰離子交換膜電解槽（anion exchange membrane water electrolyzer，AEMWE）性能的影響及其機(jī)理，基于計(jì)算流體力學(xué)（computational fluid dynamics，CFD）方法對雙極板的平行流場、單蛇形流場、雙蛇形流場3種流場結(jié)構(gòu)形式下AEMWE進(jìn)行數(shù)值分析，確定在流速分布、壓力分布、溫度分布以及氫氣濃度和極化性能等方面綜合性能最佳的雙極板流場結(jié)構(gòu)。結(jié)果表明，與在平行流場以及單蛇形流場結(jié)構(gòu)下相比，在雙蛇形流場結(jié)構(gòu)下AEMWE的進(jìn)出口壓降為2 400 Pa更為適中、電流密度更大、平均氫氣濃度為1.031 8 mol/m3以及溫度分布均勻系數(shù)為0.003 8。雙蛇形流場結(jié)構(gòu)下AEMWE的傳質(zhì)傳熱以及能耗控制更佳、整體性能最好，為后續(xù)優(yōu)化流場結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制造AEMWE提供了參考。

關(guān)鍵詞：

電解；陰離子交換膜；流場設(shè)計(jì)；計(jì)算流體力學(xué)；三維數(shù)值模型

中圖分類號：TK91

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

DOI：10.7535/hbkd.2024yx06002

收稿日期：2024-03-07；修回日期：2024-03-25；責(zé)任編輯：馮民

基金項(xiàng)目：

國家自然科學(xué)基金（51975445）

第一作者簡介：

丁睿（1985—），男，河北邯鄲人，高級工程師，碩士研究生，主要從事氫能綠色制取方面的研究。

通信作者：

陳濤，教授。E-mail：chent29@whut.edu.cn

丁睿，陳濤，蘭洋，等.

流場結(jié)構(gòu)對陰離子交換膜電解槽性能影響的研究

［J］.河北科技大學(xué)學(xué)報，2024，45（6）：582-589.

DING Rui，CHEN Tao，LAN Yang，et al.

Effect of the flow field structures on the performance of anion exchange membrane water electrolyzer

［J］.Journal of Hebei University of Science and Technology，2024，45（6）：582-589.

Effect of the flow field structures on the performance of anion

exchange membrane water electrolyzer

DING Rui1，2，CHEN Tao1，LAN Yang1，CHEN Ziyu1，XIAO Fei1

（1.School of Mechanical and Electrical Engineering， Wuhan University of Technology， Wuhan， Hubei 430070， China;

2.The 718th Research Institute of CSSC， Handan， Hebei 056000， China）

Abstract：

In order to investigate the effects of different flow field structures on the performance of anion exchange membrane water electrolyzer（AEMWE） and their mechanisms， numerical analyses of AEMWE with three types of flow field structures， namely， parallel， single-path and double-path， were carried out based on computational fluid dynamics （CFD）， and the best overall performance of the bipolar plate flow field structure in terms of flow velocity distribution， pressure distribution， temperature distribution， as well as hydrogen concentration and polarization performance were determined. The results show that compared with the parallel and single-path flow field， the inlet and outlet pressure drop of AEMWE under the double-path flow field structure is more moderate at

2 400 Pa， the current density is larger， the average hydrogen concentration is 1.031 8 mol/m3， and the uniformity coefficient of temperature distribution is

0.003 8. Under the double-path flow field structure， AEMWE exhibits superior control of mass and heat transfer， as well as energy consumption， resulting in the best overall performance， which provides some reference for further optimizing flow field design and produce of AEMWE.

Keywords：

electrolysis; anion exchange membrane；flow field design；computational fluid dynamics；three-dimensional numerical modeling

在全球環(huán)境問題日益嚴(yán)峻以及能源需求不斷增加的背景下，傳統(tǒng)的化石能源燃燒會對環(huán)境帶來很大負(fù)擔(dān)，所以開發(fā)新型可替代能源的愿景日益迫切。在未來的可持續(xù)發(fā)展過程中，氫能作為可持續(xù)發(fā)展的能源載體發(fā)揮著重要作用［1-2］。目前，氫氣主要來源于甲烷等碳?xì)淙剂系闹卣?，這一過程會造成環(huán)境污染。電解水制氫由于無污染、不會產(chǎn)生溫室氣體等許多優(yōu)點(diǎn)而被廣泛探索。電解水制氫的主要設(shè)備——電解槽是氫能產(chǎn)業(yè)鏈上游的核心裝置，根據(jù)工作原理和電解質(zhì)的不同，電解水制氫技術(shù)通常分為4種，分別是堿性（alkaline，ALK）電解水技術(shù)［3］、質(zhì)子交換膜（proton exchange membrane，PEM）電解水技術(shù)［4］、高溫固體氧化物（solid oxide electrolysis cell，SOEC）電解水技術(shù)［5］和固體聚合物陰離子交換膜（anion exchange membrane，AEM）電解水技術(shù)［6］。在這幾種電解技術(shù)中，AEM電解水技術(shù)通常使用純水或低濃度堿性溶液作為電解液，AEM被夾在陽極和陰極之間，電解液可以供給陰極、陽極或兩側(cè)。該電解水裝置可以有效地分離氫氣和氧氣，且陽極和陰極催化劑多采用鎳基氧化物等非貴金屬材料［7-8］，有效降低了電解水的成本。

目前針對AEMWE的研究主要集中于陰離子交換膜和陽極、陰極催化劑的開發(fā)。FARAJ等［9］采用紫外光誘導(dǎo)法，以Acta-300和Acta-4030作為陰極、陽極催化劑，研制了一種低密度聚乙烯（LDPE）基陰離子交換膜。通過提高溫度，膜的離子電導(dǎo)率增加，性能分析也表明該膜的性能優(yōu)于許多其他的膜。LENG等［10］使用陰離子交換膜A-201和傳統(tǒng)的貴金屬催化劑來改善陰離子交換膜的電解反應(yīng)動力學(xué)特性。陰極和陽極使用的流場結(jié)構(gòu)分別為石墨板上的螺旋流場和鈦板上的平行流場。在1.8 V的電壓下，該電解系統(tǒng)的最大性能為399 mA/cm2，最大電阻為0.23 Ω/cm2。PUSHKAREVA等［11］使用幾種不同類型的陰離子交換膜和非貴金屬催化劑來評估陰離子交換膜電解槽的性能，還研究了28 mm厚的A-201陰離子交換膜的透氣性，發(fā)現(xiàn)通過陰離子交換膜的氫氣透過通量與電流密度呈線性關(guān)系。MOTEALLEH等［12］探究了使用Sustainion陰離子交換膜的電解槽的性能，結(jié)果表明，電解槽在1.85 V的電壓以及1 A/cm2的電流密度下具有穩(wěn)定的性能，并且在超過10 000 h的時間內(nèi)具有非常低的降解率。LOH等［13］研究了使用不同的鎳基催化劑化合物作為陽極催化劑對電解槽的性能和耐久性的影響。AN等［14］建立了一維數(shù)學(xué)模型來探究陰離子交換膜的物質(zhì)傳遞、電荷轉(zhuǎn)移和電化學(xué)反應(yīng)，通過改變電解槽陰極、陽極交換電流密度、膜的厚度和飽和度來研究這些因素對電解槽性能的影響。JANG等［15］通過一個數(shù)學(xué)模型來探究壓力對堿性電解槽性能的影響，采用Aspen Plus軟件進(jìn)行模擬，使用Fortran子程序開發(fā)了穩(wěn)態(tài)條件下堿性電解槽的熱力學(xué)模型。LEE等［16］開發(fā)了一個瞬態(tài)三維數(shù)值模型，用于模擬使用多孔結(jié)構(gòu)的隔膜和電極間具有零間隙結(jié)構(gòu)的堿性電解槽，證明在小于1 A/cm2的電流密度下，激活過電壓對電解槽的電壓有顯著影響，而在高電流密度下，歐姆過電壓更高。

AEMWE的雙極板是決定電解槽性能的關(guān)鍵部件之一，雙極板的流場結(jié)構(gòu)形式對電解槽的性能影響較大，但目前關(guān)于AEMWE性能的仿真主要集中在單一流道的仿真模擬，鮮有針對多種流場結(jié)構(gòu)下AEMWE的性能進(jìn)行仿真對比，并且大多數(shù)研究僅僅關(guān)注電解槽流場中的壓力分布、流速分布，鮮有對電解槽中產(chǎn)物濃度分布、溫度分布均勻性進(jìn)行研究，未能深入了解電解槽性能與雙極板流場結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系，因此有必要通過建立三維CFD模型對電解槽的不同流場結(jié)構(gòu)進(jìn)行全面分析。

本文建立了一個穩(wěn)態(tài)、三維、非等溫的數(shù)值模型以研究不同流場結(jié)構(gòu)對AEMWE性能的影響，根據(jù)AEMWE在不同流場結(jié)構(gòu)下的電解槽溫度、流速、壓力以及氫氣濃度分布等特性，充分了解AEMWE內(nèi)部的電化學(xué)和物理現(xiàn)象，最終確定AEMWE性能最佳的流場結(jié)構(gòu)，為后續(xù)優(yōu)化流場結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制造AEMWE提供理論依據(jù)。

1" AEMWE模型構(gòu)建

以單電解槽為研究對象，AEMWE的幾何結(jié)構(gòu)模型如圖1所示，電解槽由雙極板、氣/液流道、氣體擴(kuò)散層、催化劑層和陰離子交換膜組成。AEMWE的工作原理是：在陽極側(cè)，從陰極轉(zhuǎn)移的氫氧根離子被氧化，產(chǎn)生水和氧氣并釋放電子，產(chǎn)生的水和氧氣通過陽極流場排出，釋放的電子通過外部電路到達(dá)陰極;在陰極側(cè)，水通過陰極氣體擴(kuò)散層傳遞到陰極催化劑層，并與陽極傳遞過來的電子結(jié)合生成氫氣和氫氧根離子，產(chǎn)生的氫氣通過陰極流場排出，產(chǎn)生的氫氧根離子通過陰離子交換膜傳遞到電解槽的陽極。AEMWE中陰極、陽極的反應(yīng)方程式分別為

2H2O+2e-→H2（g）+2OH-，（1）

2OH-→12O2（g）+H2O+2e-。（2）

本文基于商業(yè)仿真軟件COMSOL 6.1建立三維非等溫多物理場數(shù)值模型，對平行、單蛇形、雙蛇形流場的AEMWE進(jìn)行仿真分析。圖2為AEMWE不同流場的二維示意圖，流場結(jié)構(gòu)決定了反應(yīng)物及生成物在膜電極活性表面上的分布。表1和表2分別為模型的幾何參數(shù)及物理和電化學(xué)參數(shù)。

研究假設(shè)如下：

1）AEMWE工作在穩(wěn)態(tài)條件下；

2）所有氣體都被視為理想氣體；

3）流場內(nèi)的流體流動為不可壓縮的單相層流；

4）陰離子交換膜只能通過氫氧根離子，不存在其他氣體的滲透；

5）AEMWE內(nèi)部接觸電阻和泄漏忽略不計(jì)；

6）陰離子交換膜、催化劑層和氣體擴(kuò)散層的多孔區(qū)域都是均勻的。

2" 數(shù)學(xué)建模及邊界條件設(shè)置

由于AEMWE內(nèi)部電化學(xué)過程較為復(fù)雜，因此采用以下守恒方程對電解槽內(nèi)部的傳質(zhì)傳熱過程、流體流動狀態(tài)、電化學(xué)反應(yīng)過程等進(jìn)行模型搭建。

2.1" 連續(xù)性方程

連續(xù)性方程應(yīng)用于電解槽所有區(qū)域，包括流場通道、氣體擴(kuò)散層、催化劑層和陰離子交換膜：

Δ·（ερu）=0 ，（3）

式中：ε為孔隙率；ρ為密度，kg/m3；為速度，m/s。

2.2" 動量守恒方程［17］

ρ（εu·Δ）u=-εΔp+Δ

·（εμΔu）+Sm ，（4）

式中：p為壓力，Pa；μ為動力黏度，N·s/m2；Sm為動量方程的源項(xiàng)，N/m3。在陰極、陽極流場通道中由于流場的高滲透性，流場區(qū)域的源項(xiàng)為零；在催化劑層和氣體擴(kuò)散層中，由于存在多孔介質(zhì)和較低的物質(zhì)流速，根據(jù)達(dá)西定律催化劑層和氣體擴(kuò)散層中的源項(xiàng)如下［18］：

SP=-μKPε2u" ，（5）

式中KP為多孔介質(zhì)的滲透率，其計(jì)算公式如下［19］：

KP=d2Pε3180（1-ε）2 ，（6）

式中dP為多孔層的有效平均粒徑，m。

2.3" 組分守恒方程

Δ·（εuCi）=Δ·（DeffiΔCi）+Si，（7）

式中：Ci為第i種物質(zhì)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)；Deffi為氣體混合物中第i種物質(zhì)的有效擴(kuò)散系數(shù)，m2/s；Si為第i種物質(zhì)的源項(xiàng)，kg/（m3·s）；方程左邊為組分對流項(xiàng)，右邊第1項(xiàng)表示多孔介質(zhì)中組分的Fickian擴(kuò)散，第2項(xiàng)為源項(xiàng)，該源項(xiàng)在催化劑層和陰離子交換膜之外的區(qū)域?yàn)榱?。陰離子交換膜電解槽的氫氣、氧氣和水的源項(xiàng)如下：

SH2=jcMH22F ，（8）

SO2=jaMO24F ，（9）

SH2O，catalystlayer=-jaMH2O2F-Δ·（-ndFI） ，（10）

SH2O，membrane=-Δ·（-ndFI） ，（11）

式中：ja、jc分別為陽極和陰極的電流密度，A/cm2；MH2為氫氣的摩爾質(zhì)量，kg/mol；MO2為氧氣的摩爾質(zhì)量，kg/mol；MH2O為水的摩爾質(zhì)量，kg/mol；nd為物質(zhì)的量，mol；I為電解槽電流密度，A/cm2；F為法拉第常數(shù)。

2.4" 能量守恒方程

Δ·（ερuCpT）=Δ·（keffΔT）+Sh，（12）

式中：Cp為混合平均熱容量，J/（kg·K）；T為溫度，K；k為熱導(dǎo)率，W/（m·K）；下標(biāo)eff表示多孔介質(zhì)的有效性；

Sh為能量守恒方程的源項(xiàng)，W/m3。

2.5" 電極動力學(xué)

局部電流密度由Butler-Volmer方程計(jì)算如下：

ja=avi0，a（exp （αaFηact，aRT）-exp （（1-αa）Fηact，aRT）），（13）

jc=avi0，c（exp （αcFηact，cRT）-exp （（1-αc）Fηact，cRT）），（14）

式中：av為電化學(xué)活性比表面積，cm2/mg；i0，a、i0，c分別為陽極和陰極交換電流密度，A/cm2；αa、αc分別為陽極和陰極傳遞系數(shù)；F為法拉第常數(shù)；ηact，a、ηact，c分別為陽極和陰極活化過電勢，V；R為通用氣體常數(shù)。

2.6" 邊界條件

陰極、陽極的入口邊界條件設(shè)置為質(zhì)量流量，入口質(zhì)量流量根據(jù)入口雷諾數(shù)確定；為了避免回流和收斂問題，通過指定相對靜壓來確定陰極和陽極通道出口的邊界條件，陽極和陰極出口壓力分別為101 325 Pa和300 000 Pa；電解槽除了入口和出口外的所有壁面均為具有速度無滑移條件的壁面；陰極和陽極入口液態(tài)水溫度均為333.15 K；陽極板表面電勢為電池的電壓，陰極板接地電勢為零。

3" 結(jié)果與討論

3.1" 模型驗(yàn)證

圖3展示了XIAO等［20］的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得到的極化曲線與本文仿真結(jié)果的比較。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和仿真結(jié)果均是在溫度為70 ℃、壓力為100 kPa的條件下獲得。比較可知，仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的偏差總體上是可以接受的。在高電流密度下，由于歐姆損耗的影響，偏差變得更加明顯。因?yàn)樵谳^高的電流密度下，電解槽的歐姆電阻增大，導(dǎo)致溫度上升，能量方程中電勢的源項(xiàng)增加，導(dǎo)致與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的偏差。由圖3可知，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與仿真的最大差值為4.7%，證明了仿真結(jié)果的有效性。

在電解電壓為1.8 V，陽極和陰極入口邊界條件分別為1×10-4 kg/s、2×10-4 kg/s的條件下，對不同流場結(jié)構(gòu)下AEMWE內(nèi)部流體流速分布、溫度分布、陰極側(cè)的壓力分布、氫氣濃度分布以及電解槽的極化曲線進(jìn)行分析比較，以探究不同流場結(jié)構(gòu)對AEMWE性能的影響。

3.2" 流體流動及熱力學(xué)特性

圖4所示為不同流場結(jié)構(gòu)內(nèi)的液體流速分布，在不同的流場設(shè)計(jì)中流速分布均不相同。從圖4 a）中可以看出，平行流場的流速分布均勻性很差，液體流速在流場中部較低，而在進(jìn)、出口位置流速較高，最高流速為0.367 m/s，因?yàn)樵谄叫辛鲌鲋幸后w的流動是不受控制的，

液體會優(yōu)先選擇阻力較小的路線流動，在平行流場中當(dāng)水流進(jìn)入流場后，部分水經(jīng)平行流場分流，流速逐漸減小。另外，在平行流場的各垂直通道之間表現(xiàn)出不均勻的流動現(xiàn)象。在遠(yuǎn)離流場通道入口的垂直通道中液體流速較高，靠近流場通道入口的垂直通道中

流速較低。這是因?yàn)橐后w從分流歧管流出到平行流場接口處的慣性效應(yīng)，使

液體更傾向于沿著各分流歧管流動，因此遠(yuǎn)離入口處的流速更大。

由圖4可知，蛇形通道中除了轉(zhuǎn)角處

流速較低，其整個區(qū)域流速較穩(wěn)定。這主要是因?yàn)橐后w在蛇形流道中必須按照固定路徑流動，在轉(zhuǎn)角處存在氣體和液體的堆積。對比3種流場發(fā)現(xiàn)，平行流場內(nèi)液體流速最低，這會導(dǎo)致反應(yīng)物通過多孔介質(zhì)參與反應(yīng)的速率降低［21］，電解槽的電解效率下降。

圖5所示為不同陰極流場內(nèi)的壓力分布，電解槽流場進(jìn)、出口壓力差是流場結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的重要參數(shù)之一。在平行流場中，入口處壓力最大為3.001 3×105 Pa，從入口到出口壓力逐漸降低，出口處壓力最小為3.000×105 Pa，即為陰極所加背壓。由于平行流場通道長度較短，并且流動方向保持一致，所以通過流場的壓降較小，大約為130 Pa。在2種蛇形流場中，壓力變化趨勢基本相同，均為從入口側(cè)到出口側(cè)逐漸減小，但是二者壓降不同：單蛇形流場由于通道長度較長，流動方向多次改變，壓降最大為4 310 Pa，而雙蛇形流場壓降為2 400 Pa。單蛇形流場壓力降分別為平行流場、雙蛇形流場的約40倍和2倍。在陰極流場內(nèi)適當(dāng)增加壓降，有利于反應(yīng)物透過多孔介質(zhì)到達(dá)反應(yīng)活性區(qū)域，提高電化學(xué)反應(yīng)速率，但過高的壓降也會增加電解槽的供水能耗，所以應(yīng)綜合考慮二者的關(guān)系。通過以上3種流場壓降對比，說明雙蛇形流場在壓力分布上性能最好。

在電解槽的雙極板中，流場結(jié)構(gòu)的改變會改變整個雙極板中的溫度分布，從而對電解槽的熱管理產(chǎn)生很重要的影響。AEMWE內(nèi)部的溫度分布主要取決于電極間的電荷轉(zhuǎn)移反應(yīng)和電化學(xué)反應(yīng)的動力學(xué)、電化學(xué)反應(yīng)的熵變以及電解槽的歐姆阻抗大小。電解槽內(nèi)部溫度會影響陰離子交換膜的電導(dǎo)率、水含量以及交換電流密度，從而對電解槽的性能與壽命產(chǎn)生較大影響。通過溫度分布云圖可以直觀地看出哪個流場的溫度分布更均勻，而均勻的溫度分布，有利于避免陰離子交換膜局部熱點(diǎn)的形成，延長膜的使用壽命。因此，分析電解槽內(nèi)部溫度分布對揭示其內(nèi)部性能變化機(jī)理具有重要意義。圖6所示為不同流場結(jié)構(gòu)下電解槽陰極催化劑層和膜交界面的溫度分布。由圖可知，電解槽內(nèi)部的溫度分布均較為均勻，溫差在1 ℃以內(nèi)，但在不同的流場中溫度分布還是有明顯的區(qū)別。在平行流場中進(jìn)、出口流場的溫度較大，中間區(qū)域溫度較小，這是因?yàn)樵谄叫辛鲌鲞M(jìn)、出口位置的液態(tài)水含量較高，電化學(xué)反應(yīng)比較激烈，產(chǎn)生了更多的熱量，導(dǎo)致該區(qū)域溫度較高。在蛇形流場中，催化劑層和陰離子交換膜的交界面處溫度從流場入口到出口逐漸降低，這主要是因?yàn)樵诹鲌鋈肟谔庪娀瘜W(xué)反應(yīng)速率較高，而在流場出口處電化學(xué)反應(yīng)速

率較低，并且電解反應(yīng)是放熱反應(yīng)，所以會出現(xiàn)從流場入口到出口溫度逐漸降低的現(xiàn)象，另外在流場通道轉(zhuǎn)彎處的溫度低于垂直通道中的溫度。

為了更準(zhǔn)確地量化不同流場中溫度分布的均勻性，定義溫度均勻性指數(shù)如下：

UT=∫A|T-Tavg|dA∫A|Tavg|dA，（15）

式中：T為表面溫度；Tavg為交界面平均溫度；A為指定界面面積。溫度均勻性指標(biāo)可以更加準(zhǔn)確地反映界面溫度分布的均勻程度。當(dāng)

UT=0時，表明表面溫度分布完全均勻，即表面溫度相等。由圖6可以看出平行流場溫度最不均勻，其UT最大為0.017 0；雙蛇形流場的溫度分布最均勻，溫度均勻性指數(shù)UT為0.003 8；單蛇形流場次之，UT為0.004 9。這是因?yàn)樵陔p蛇形流場中電化學(xué)反應(yīng)的表面積更大，從表面向周圍傳遞的熱量更多，整體溫度分布較為均勻，并且根據(jù)圖3的結(jié)果可知，雙蛇形流場具有最高的流速，而高流速具有較好的均溫效果，又由于水的換熱能力優(yōu)于氣體，增大流速同時能對電解槽實(shí)現(xiàn)有效冷卻，因此雙蛇形流場內(nèi)溫度分布更加均勻，更有利于提升電解槽的性能。

3.3" 電化學(xué)特性

圖7為不同流場中的氫氣濃度分布。根據(jù)法拉第定律，電解槽中電流密度越大氫氣產(chǎn)生速率就越快，為此本文通過評估電解槽內(nèi)部氫氣濃度分布來確定氫氣產(chǎn)生速率。從圖7可以看出，雙蛇形流場內(nèi)的氫氣濃度最高，這是因?yàn)槠潆娏髅芏容^高，電化學(xué)反應(yīng)速率快，因此具有最高的產(chǎn)氫速率；平行流場產(chǎn)氫速率最低，這歸因于平行流場電流密度較低、水分解速率較慢。通過仿真數(shù)據(jù)后處理計(jì)算得到，平行流場平均氫氣濃度為0.390 02 mol/m3，單蛇形流場為0.837 31 mol/m3，雙蛇形流場為1.031 80 mol/m3，即雙蛇形流場中氫氣的平均濃度約為平行流場中氫氣濃度的2.5倍。平行流場在入口以及流場的下半部分氫氣濃度較低，氫氣主要集中在流場中上區(qū)域；單蛇形流場和雙蛇形流場的氫氣濃度分布大致相同，沿著通道從入口到出口，氫氣的濃度逐漸升高，這是因?yàn)殡S著反應(yīng)的進(jìn)行以及液態(tài)水的流動，氫氣逐漸向出口處堆積。

圖8所示為不同流場結(jié)構(gòu)下AEMWE的極化曲線。在電解槽電壓為1.3～1.6 V時，3種流場未體現(xiàn)出性能差異；當(dāng)電壓大于1.6 V時，3種流場的極化性能差異開始顯現(xiàn)。結(jié)果表明，雙蛇形流場具有最好的極化性能，平行流場的性能最差。因此，在電解槽的流場設(shè)計(jì)中，增加通道的長度、通道數(shù)目以及拐角數(shù)，會使更多的水被轉(zhuǎn)移到活性表面參與分解，從而產(chǎn)生更多的氫氣，電解槽的性能更佳。

4" 結(jié)" 語

建立了一個穩(wěn)態(tài)、三維、非等溫的數(shù)值模型以研究不同流場結(jié)構(gòu)對AEMWE性能的影響，探究了3種不同流場的流速分布、壓降、溫度分布、氫氣濃度分布以及AEMWE的極化曲線，從不同角度分析其性能差異。主要結(jié)論如下：

1）在雙極板的3種不同流場中，單蛇形流場的壓降最高為4 310 Pa，雙蛇形流場次之，為2 400 Pa，平行流場的壓降最低為130 Pa。這是因?yàn)槠叫辛鲌鲋械牧魉僮畹?，流場路徑較短，導(dǎo)致反應(yīng)物在氣體擴(kuò)散層的擴(kuò)散速率較低，不利于反應(yīng)物進(jìn)一步向催化劑層擴(kuò)散并參與反應(yīng)，電解槽傳質(zhì)阻抗增加，產(chǎn)氫速率降低，因此具有平行流場的AEMWE性能最差。適當(dāng)增加壓降有利于增加AEMWE的傳質(zhì)性能，促進(jìn)反應(yīng)物向催化劑層擴(kuò)散，但是過高的壓力降會增加流場內(nèi)進(jìn)水阻力，增加AEMWE能耗。

2）在雙極板的3種不同流場中，平行流場的流速最低并且流速分布最不均勻，AEMWE的傳質(zhì)性能最差；單蛇形流場和雙蛇形流場的流速分布大致相同，在流場拐角處流速稍微降低；雙蛇形流場溫度分布均勻系數(shù)最小為0.003 8，因此雙蛇形流場內(nèi)溫度分布最均勻，可以避免AEM局部熱點(diǎn)的形成，有利于延長陰離子交換膜的壽命。

3） 雙極板采用雙蛇形流場結(jié)構(gòu)時的氫氣濃度最高，其平均氫氣濃度為1.031 80 mol/m3，高于其他2種流場內(nèi)的平均氫氣濃度，說明此時電解槽具有最好的極化性能，這是因?yàn)殡p蛇形流場通道長度較長、通道數(shù)多、電流密度高、水的分解速率快，因此電解槽產(chǎn)氫量較高。雙蛇形流場有相對更高的產(chǎn)氫速率、合適的壓降、更均勻的溫度分布。因此，本文研究的雙極板3種流場結(jié)構(gòu)中雙蛇形流場結(jié)構(gòu)的AEMWE性能最好。

本文僅對傳統(tǒng)流場結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究，未來擬開展仿生形流場等新型流場的仿真及實(shí)驗(yàn)工作，為電解槽的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和性能優(yōu)化提供參考。

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