零间隙碱性水电解中双极板凸起结构的优化设计及其性能增强机制研究

本文系统研究了双极板凸起设计对零间隙碱性水电解（AWE）性能的影响，通过调控凸起数量（1/4/9/16个）和尺寸，揭示了其对电解质流动动力学、气体释放效率（氢气体积分数从0.1091降至0.1055）和温度均匀性的调控作用。研究发现增加凸起数量可使电流密度提升至0.679 A·cm-2，为平衡AWE系统性能与制造成本提供了关键设计依据。

　　

Highlight

碱性水电解（AWE）中，双极板通常与电极组件分离配置，既支撑电解腔室又传导电流。增加双极板与电极的接触面积可有效降低溶液电阻。当镍毡电极与双极板紧密接触时，氢氧析出反应（HER/OER）主要发生在镍毡表面。密集的接触点通过改善电子传导路径显著提升反应动力学。

Overall performance

根据法拉第定律，AWE中氢气产量与输入电流成正比。电解槽工作电压包含三大组分：热力学可逆电位、电极表面活化过电位以及系统欧姆损耗。其中活化过电位是限制AWE性能的关键因素，表现为电流密度受限（典型值0.6-0.7 A·cm^-2）、能耗增加和系统效率降低。

Conclusion

本研究通过系统优化碱性水电解中的凸起阵列几何结构，揭示了电极结构-多相传输-电化学性能的协同机制。结构优化在降低制造成本的同时维持了高电流密度（0.611→0.679 A·cm^-2），为工业电解槽开发提供了可量化的设计准则。