碱性电解槽中新型电极设计开发与模拟：提升氢能生产效率的几何优化研究

本研究针对碱性电解槽(AWE)中气体析出效率低的问题，通过开发多形貌凹槽电极表面（圆形/三角形/矩形）及其三种排布方式（内凹/外凸/交替），采用COMSOL多物理场耦合模拟揭示了电极几何形状诱导湍流强化气泡分离的机制。结果表明矩形内凹凹槽可使氢气体积分数提升9.7%，为绿色氢能技术提供了无额外能耗的效率提升方案。

　　

在全球能源转型背景下，氢能作为零碳能源载体面临生产成本高、效率低的瓶颈。传统碱性水电解技术(AWE)虽成熟可靠，却受制于电极表面气泡积聚导致的活性面积损失和过电位升高。尤其当氢氧气泡粘附电极时，会形成电化学"死区"，使实际能耗比理论值高出30-40%。现有研究多聚焦材料改性或膜技术优化，而对电极表面流体动力学特性的研究存在显著空白。

研究人员创新性地将航空领域经典的凹槽减阻理论引入电解槽设计，系统探究了三种几何凹槽（矩形/三角形/圆形）及其排布方向对电解性能的影响。通过COMSOL Multiphysics构建包含"电解水模块"和"欧拉-欧拉湍流模型"的耦合仿真体系，采用RANS方法分析不同凹槽结构诱导的局部湍流特性。模型验证阶段通过网格独立性分析（最终采用12.5万单元，平均质量系数0.83）和实验数据对比，确认了模拟可靠性。

在"系统分析与建模"部分，研究建立了包含9项假设的基准模型：设定电解液入口速度0.5 m/s、6M KOH浓度、300K等温条件，采用k-ε模型捕捉两相流行为。关键创新在于将凹槽参数化为高度(h)和宽度(w)，通过控制Re_P在1-280的过渡流区，平衡气泡分离需求与反应界面维持。

"结果与讨论"揭示多项突破性发现：

1. 压力分析显示全流程压降<2kPa，验证了等压假设的合理性

2. 矩形内凹凹槽使电解液流速提升40%（0.5→0.7 m/s），显著优于其他构型

3. 氢体积分数时空演化显示，12分钟时反应区浓度达6%，且阴极侧效率始终高于阳极

4. 参数化研究表明w/h比而非绝对高度决定性能，最优比例为0.5

5. 凹槽数量存在阈值效应，8个以上时增强率出现边际递减

研究最终证实电极几何优化可通过纯物理方式提升AWE效率：矩形内凹凹槽通过尖锐边缘产生剪切涡流，相比传统平板电极提升9.7%产氢量。这种无需额外能耗的解决方案，为衔接可再生能源间歇性与工业连续用氢需求提供了新思路。

方法学上，该研究建立了可靠的数值模拟框架：通过Euler-Euler两相流模型处理气液相互作用，耦合Nernst-Planck方程描述离子传输，并创新性地将粒子雷诺数(Re_P)作为网格独立性判据。值得注意的是，研究也指出RANS模型在捕捉微尺度涡流方面的局限，建议后续采用LES方法提升精度。

这项发表于《Sustainable Energy Technologies and Assessments》的工作，为氢能装备"几何工程"提供了理论基石。其价值不仅在于具体参数优化，更开创了通过流体力学设计突破电化学系统瓶颈的新范式。随着全球绿氢需求激增，这种兼顾效率提升与制造成本控制的技术路径，有望加速电解槽从兆瓦级向吉瓦级的产业化跨越。