阐明肋状通道效应对质子交换膜电解池两相流演变及性能的影响

《Sustainable Energy Technologies and Assessments》：Elucidating the rib-channel effect on the two-phase flow evolution and performance of proton exchange membrane electrolysis cell

两相流运动受质子交换膜电解池（PEMEC）阳极流场设计影响，本研究结合光学可视化、YOLOv8机器学习气泡检测及电化学诊断，量化气泡覆盖度演变与两相流模式，揭示电流密度、水流率及流道结构对气泡分布及性能的影响规律。当电流密度达2.5A/cm2时，气泡形成环状流覆盖49.70%流场，导致显著质量转移过电位。提高水流率（10→100mL/min）可降低33.66%气泡覆盖度及16mV过电位。优化肋-槽比及流道宽度可缓解气泡阻塞，2.0mm肋-槽结构在3A/cm2时性能最佳。研究为PEMEC高效设计提供定量分析方法和结构优化准则。

　　在当今全球能源需求持续增长的背景下，可再生能源的利用成为缓解环境问题和保障能源供应的重要手段。氢气作为一种二次能源，无论通过燃烧还是在燃料电池中进行电化学反应，最终都只会产生水，对环境无污染。此外，氢气可以根据不同的应用场景和功能需求，采用压缩、液化、吸附或固态等方式进行储存。这种灵活性使得氢气能够有效应对长期、大规模的能量存储需求，例如季节性储能和跨区域能源传输，使其成为一种理想的能源储存介质。

氢气的生产是氢能产业链中的关键环节，其中质子交换膜电解池（PEMEC）被认为是极具前景的技术之一。这是因为PEMEC具有对风能和太阳能输入波动的良好动态响应能力，其负载变化范围广泛，并且能够生产高纯度的氢气。然而，PEMEC的大规模商业化仍面临诸多挑战，如氢气生产效率不足和成本过高。特别是，PEMEC阳极处复杂的两相流现象在一定程度上限制了其电解效率的提升。在阳极，氧气需要从催化剂层通过多孔传输层（PTL）逸出至流道。如果气体不能及时排出，大量氧气会在PTL的孔隙中积累，阻碍水与三相反应界面的接触，从而增加质量传递过电位。此外，为了实现单位体积的高氢气产量，PEMEC通常在较高的电流密度下运行，这进一步加剧了上述问题。因此，准确识别PEMEC内部的两相流模式并优化气泡传输管理显得尤为重要。

在研究PEMEC两相流模式的领域，光学可视化、中子成像技术和X射线扫描是三种主要方法。气泡主要受到表面粘附力、水流剪切力和浮力的共同作用，因此对其力的直接分析较为复杂。然而，由于流道尺寸相对固定，且气泡本身形态较为均匀，可以通过观察气泡形态来研究两相流。Xin等人通过光学可视化分析了PEMEC流道中的两相流演化过程，观察了气泡生成和发展的全过程，并将观察到的两相流模式分为三类：气泡流、液塞流和环状流。他们还建立了不同条件下两相流模式、电化学性能和气泡覆盖率之间的相关性。Li等人则结合高速显微可视化系统，发现高电流密度增加了气泡脱离直径，但减少了脱离时间。相反，高流速不仅缩短了脱离时间，还降低了脱离直径。Wang等人将传统的钛毡PTL替换为薄钛液/气扩散层（TT-LGDLs），通过高速和微尺度可视化展示了TT-LGDLs在减少大液塞、加快水饥饿恢复以及生成更小、更频繁的氧气气泡方面的优势。Panchenko等人利用中子成像技术观察了PEMEC运行过程中PTL的水饱和度，发现PTL内的水传输呈现出间歇性而非连续性特征。催化剂层的局部水短缺导致反应物饥饿，而气体在肋下区域的积累更为严重。Kim等人则通过同步辐射X射线成像研究了具有垂直方向孔隙的PTL中的质量传递，发现液态水无法通过肋下区域的孔隙，从而限制了平面内的质量传递。具有通道和肋下区域孔隙的PTL表现出更高的气体产物含量和质量传递过电位，导致在高电流密度下催化剂层的脱水现象。Li等人研究了在梯度流道中的PEMEC性能和两相流，发现3D打印的特定梯度型流道在降低压降、减少气泡尺寸方面优于传统流道。他们还通过光学可视化验证了入口流速和温度对气泡管理的影响。

在研究PEMEC流道结构时，研究人员对流道设计进行了广泛优化。Majasan等人比较了PEMEC中蛇形流道和并行流道的两相流特性，发现蛇形流道的单长通道设计导致通道后半部分气泡覆盖率显著增加，气泡容易在流道角落发生局部堆积，从而加剧质量传递损失。在相同运行条件下，平行流道表现出更优异的电解性能，且随着电流密度的增加，性能差异进一步扩大。Zhang等人设计了一种与蛇形流道相结合的U型弯结构，显著提升了气泡排出效率，并减少了环状流的形成。Wei等人则将传统的流道替换为钛网，以实现产物和反应物的均匀分布。模拟结果显示，使用钛网流道的PEMEC具有更高的电解电流密度、更低的电解电压以及更好的电流和气体分布均匀性，尤其是在垂直方向上。此外，一些研究还探索了无肋通道流道，如金属泡沫和仿生结构流道。虽然这些流道在特定条件下可以提高电解性能，但其复杂的几何结构将显著增加制造成本。目前，平行流道仍然是实际应用中的主流设计，它可以通过调整肋宽、通道宽以及整体肋与通道的比例，来平衡质量传递效率和电导率。

尽管已有研究在PEMEC的两相流和流道设计方面取得了一定进展，但由于两相流的动态变化特性，传统的两相流表征方法只能捕捉到孤立的时间点，缺乏对气泡覆盖率演变的定量数据。这阻碍了流道模式与PEMEC性能之间明确关联的建立。此外，大多数基于可视化技术的流道优化研究主要关注通道流，忽视了肋与通道结构不均匀性对整体性能的影响。而实验流道研究仍然需要基于电化学测试的进一步针对性优化。值得注意的是，质子交换膜设备的性能优化，包括质子交换膜燃料电池（PEMFC）和PEMEC，依赖于对内部质量传递和结构-性能相关机制的普遍分析。通过实验和定量表征方法，本研究旨在填补PEMEC两相流演变的定量分析研究空白，并为高性能PEMEC的结构设计提供关键标准。

本研究采用光学可视化与基于机器学习的气泡检测方法，实现了对运行中PEMEC两相流模式和气泡覆盖率演变的定量表征。通过结合电池性能测试和电化学诊断，我们系统地阐明了运行条件和肋-通道特征参数对两相流模式、电池性能和不同过电位的影响，包括电流密度、供水速率、温度、肋-通道宽度以及整体肋-通道比例。本研究为建立两相流特性与电池性能之间的关联提供了有价值的途径，并为高性能PEMEC的流道设计提供了关键标准。

在本研究中，我们采用了一种半透明的PEMEC，其阳极采用透明材料，如图1(b)所示。催化剂涂覆膜（CCM）使用了Nafion 115膜，阳极催化剂为1.0 mg cm?2的IrO?，阴极催化剂为0.4 mg cm?2的Pt/C。活性面积为25.0 cm2（5.0 cm × 5.0 cm）。阳极多孔传输层为厚度为0.4 mm的钛毡（Bekipor），其表面涂有0.5 μm的Pt。阴极气体扩散层为碳纸（Toray）。该设计旨在优化两相流行为，同时确保气泡的高效排出。

在电化学性能和两相流演变方面，我们首先对不同运行条件下PEMEC的电化学性能和两相流模式演变进行了研究，具体细节列于表2。图3(a)–(d)展示了PEMEC在不同电流密度下的电化学性能，对应表2中的测试组1。在电流密度低于0.5 A cm?2时，活化损失占主导地位，大部分输入能量被用于克服电解反应的活化能障碍。随着电流密度的增加，活化损失逐渐减小，而欧姆损失和质量传递过电位开始占据更重要的位置。在2.5 A cm?2的电流密度下，气泡逐渐汇聚成环状流，覆盖了49.70%的流道区域，导致质量传递过电位迅速上升。当供水速率从10 mL min?1增加到100 mL min?1时，气泡覆盖率减少了33.66%，质量传递过电位降低了约16 mV。然而，温度的变化对气泡覆盖率和质量传递过电位的影响较小。这表明，控制供水速率是降低气泡覆盖率和质量传递过电位的有效手段。此外，气泡主要在肋边缘形成，而非通道中部，这会阻碍肋区域的气体排出，进而影响整体性能。

为了减少气泡阻塞，研究人员通过调整肋-通道比例和流道宽度，利用其功能差异来优化气泡管理。较大的肋能够减少欧姆损失，但过大的尺寸会增加质量传递损失。在3 A cm?2的电流密度下，采用2.0 mm：2.0 mm的流道设计表现最佳。在固定1.0的肋-通道比例下，1.0 mm宽度的流道电解电压比3.0 mm宽度低约85 mV，而1.5 mm宽度的流道则表现出最优选择。这表明，流道宽度对电解性能有显著影响，适当调整宽度能够在降低欧姆损失的同时减少质量传递损失，从而提升整体效率。

综上所述，本研究提供了一种定量分析PEMEC两相流演变的方法，并为高性能PEMEC的结构设计提供了关键标准，旨在推动绿色氢气的生产。通过结合光学可视化与机器学习驱动的气泡检测技术，我们能够系统地分析不同运行条件和流道参数对两相流模式、电池性能和不同过电位的影响，从而为优化PEMEC的设计提供科学依据。此外，本研究强调了在优化过程中应综合考虑肋与通道结构的不均匀性，以及气泡在不同位置的形成特性，以实现更全面的性能提升。未来的研究可以进一步探索不同材料和结构对两相流行为的影响，以及在不同应用场景下优化PEMEC的策略，从而推动其在绿色能源领域的广泛应用。