基于三维建模和实验分析的PEM电解槽通道湍流增强设计

《Fuel》：Turbulence-enhanced design for PEM electrolyzers channel based on 3D modeling and experimental analysis

本研究通过数值模拟和实验验证，系统探究了质子交换膜电解槽流道中凸起结构对质量传递效率的提升机理与效果。对比矩形、梯形和半椭圆形三种凸起构型，发现矩形凸起通过均匀流场扰动显著提高峰值电流密度达15,895 A/m2，局部峰值流速超1 m/s，并形成下游显著浓度梯度。优化后的三凸起布局实现传质系数1.25×10?? m/s与压降206.76 Pa的平衡。实验表明该结构可将质量传递阻力降低69.5%，活化过电位减少14.4%，有效提升气泡剥离能力。研究结果为质子交换膜电解槽中高至中电流密度工况下的流场优化提供了理论支撑和工程路径。

　　本文聚焦于质子交换膜（PEM）电解槽中流道结构优化对质量传递效率和整体性能的影响。随着全球能源需求的不断增长以及对可再生能源的重视，氢气作为一种清洁、高效的二次能源载体，其生产效率和经济性成为研究的重点。然而，目前的PEM电解槽在运行过程中面临诸多挑战，包括反应物分布不均、质量传递效率低下等问题，这些问题严重制约了其寿命、运行效率以及成本效益。因此，优化流道设计成为提升PEM电解槽性能的关键途径。

本文的研究采用了数值模拟与实验验证相结合的方法，深入探讨了不同流道结构对质量传递效率的提升作用及其机制。通过对三种突出结构——矩形、梯形和半椭圆形——的对比分析，研究了其对流道内流体动力学特性、电流密度分布、温度场演变以及气液两相界面质量传递效率的影响。研究结果表明，矩形突出结构由于其均匀的流体扰动，能够显著提升电流密度峰值，从直线流道中的15,870 A/m2提升至15,895 A/m2，同时提高局部峰值流速，从0.6 m/s提升至超过1 m/s，并在流道下游形成显著的浓度梯度，从而有效增强反应物的传输能力。此外，三突出结构在质量传递系数和压降之间实现了最佳平衡，质量传递系数达到1.25 × 10?? m/s，压降为206.76 Pa。

实验验证部分则进一步展示了突出结构在提升质量传递方面的实际效果。通过构建包含突出结构的物理电解槽，并结合极化曲线和电化学阻抗谱（EIS）等实验方法，验证了矩形突出结构在提升质量传递和电解性能方面的显著成效。这些实验不仅确认了模拟结果的准确性，也为实际工程应用提供了理论依据。

本文的研究成果对于优化PEM电解槽在中高电流密度下的流道结构具有重要的理论支持和工程意义。通过系统分析不同流道结构对质量传递的影响，研究揭示了突出结构在改善反应物传输、减少气泡滞留、提升电解效率方面的关键作用。同时，研究还强调了流道设计在影响电解槽整体性能中的重要性，包括热交换、电流分布以及反应物传输等关键过程。优化的流道设计能够显著提升运行效率，减少能量损耗，并确保反应的均匀分布，这对于提高氢气产量和降低运行成本至关重要。

当前的研究主要集中在数值模拟方法上，许多学者通过计算流体动力学（CFD）等手段，对不同流道设计进行评估，以分析其对电解槽性能的影响。然而，尽管数值模拟技术在研究中发挥着重要作用，但现有的研究多依赖于模拟，缺乏直接的实验验证。这一局限性阻碍了理论模型与实际运行条件之间耦合机制的深入理解，也限制了对流道内热和质量传递机制的全面认识。此外，实验研究在新型流道结构上的应用仍较为有限，其发展受到复杂制造工艺、实验数据处理难度、组装变形、高成本以及对扩散层和膜电极可能造成损伤等因素的制约。这些实际挑战是难以通过单纯的数值模拟完全捕捉的，因此对电解槽的实际应用具有重要意义。

为了解决这些问题，本文提出了一种基于湍流增强的流道结构设计。通过将模拟建模与实验验证相结合，研究突破了单纯依赖数值模拟的局限，揭示了流道优化如何提升电解槽性能的内在机制。所提出的流道结构在流道中引入了特定几何形状的湍流诱导突出物，这些突出物能够打破稳态层流，将水平流动转化为垂直运动，从而显著增强从流道到扩散层的对流质量传递。这种流态的改变能够有效去除扩散层反应三相界面的气泡和气膜，提高质量传递效率，建立一个质量传递增强的电解环境，并显著提升电解槽的整体性能。

研究还特别关注了不同突出形状对质量传递效率的影响。通过严格控制突出高度为0.5 mm（占流道高度的50%）和突出体积为2.1 mm3，研究将形状作为唯一变量，分析其对质量传递动态和电解槽性能的影响。结果表明，不同形状的突出结构在流道内产生了不同的流体扰动模式，从而影响了质量传递效率。其中，矩形突出结构由于其均匀的流体扰动，表现出较为理想的质量传递性能。

在实验验证部分，研究设计并制造了包含湍流诱导突出结构的物理电解槽，并通过实验方法验证了突出结构对电解槽性能的实际影响。实验结果表明，矩形突出结构在提升质量传递和电解性能方面具有显著效果，这进一步验证了模拟模型的准确性与可靠性。同时，实验还揭示了突出结构在改善反应物传输、减少气泡滞留以及优化反应界面质量传递条件方面的关键作用。

本文的研究成果不仅为PEM电解槽的流道优化提供了理论支持，也为实际工程应用提供了可行的路径。通过系统分析不同流道结构对质量传递效率的影响，研究揭示了突出结构在提升电解槽性能中的重要作用。同时，研究还强调了流道设计在影响电解槽整体性能中的关键作用，包括热交换、电流分布以及反应物传输等关键过程。优化的流道设计能够显著提升运行效率，减少能量损耗，并确保反应的均匀分布，这对于提高氢气产量和降低运行成本至关重要。

未来的研究方向包括以下几个方面：首先，进一步研究多物理场耦合机制（热、电、流体）在多通道和全堆级层面的影响，以更全面地理解质量传递的机制。其次，探索不同突出结构在不同电流密度下的适用性，以优化流道设计，使其在高电流密度下保持良好的性能。此外，研究还计划进一步分析突出结构对电解槽运行稳定性的影响，以确保其在实际应用中的可靠性。最后，研究还将关注如何通过优化流道结构来降低制造成本，提高电解槽的经济性。

在实验验证过程中，研究采用了多种实验方法，包括极化曲线和电化学阻抗谱（EIS），以评估突出结构对电解槽性能的影响。实验结果表明，矩形突出结构在提升质量传递和电解性能方面具有显著效果，这进一步验证了模拟模型的准确性与可靠性。同时，实验还揭示了突出结构在改善反应物传输、减少气泡滞留以及优化反应界面质量传递条件方面的关键作用。

综上所述，本文通过系统研究不同流道结构对质量传递效率和整体性能的影响，提出了基于湍流增强的流道设计方法。该方法通过引入特定几何形状的突出结构，有效改善了流道内的流体动力学特性，提高了质量传递效率，并在实际实验中得到了验证。研究不仅为PEM电解槽的流道优化提供了理论支持，也为实际工程应用提供了可行的路径。未来的研究将进一步探索多物理场耦合机制、不同突出结构在不同电流密度下的适用性以及如何通过优化流道设计来降低制造成本，提高电解槽的经济性。