基于响应面方法论的碱性电解槽凸出结构优化设计

《Journal of Cleaner Production》：Optimized design of the bulge structure for alkaline electrolyzers based on response surface methodology

　　•结构参数优化可降低电流密度和过电位。•通过实验对比验证优化后结构的优势。•得出了电极表面凸起结构的设计准则。

引言
在全球能源转型的背景下，氢能已成为清洁能源体系的重要组成部分。根据国际能源署2024年全球氢能报告，绿色氢气生产技术在推动低碳产业发展及可再生能源整合方面发挥着关键作用（国际能源署，2024年）。在燃料电池应用中，氢气不会产生污染物，燃烧时也不会释放温室气体（Flamm等人，2021年）。它还具有高能量密度和丰富的资源储备（Pivovar等人，2018年；Rasul等人，2022年），因此被视为重要的可持续燃料（Zhang等人，2020年；Veeramani等人，2023年）。氢能的应用领域涵盖交通、化学加工、冶金、炼油、氨合成、甲醇生产、能量存储以及钢铁制造等诸多工业领域。在各种氢气生产技术中，碱性水电解因其技术成熟度和成本优势，已成为大规模生产氢气的主要方法之一。

为提升碱性水电解槽的性能，众多研究人员从多个维度展开了系统研究，包括流道结构、电极表面形态以及流体调控等方面。近年来，越来越多的研究开始运用机器学习方法进行设计和优化（Abdelghani-Idrissi等人，2021年；Lohmann-Richters等人，2021年；Jensen等人，2023年）。在碱性水电解槽的结构设计方面，Gu等人（2026年）基于经典的凸凹流道结构建立了三维两相流模型，并引入了进口阵列结构，以改善电解槽内气液分布的均匀性。研究结果表明，合理的流道和进口结构能够提升传质效率，减少局部极化损耗，为碱性电解槽的结构优化提供了有效途径。Wang等人（2024年）通过对比阴极板上不同凸起结构的效果发现，与传统的CCBP电解槽相比，新的楔形和菱形电解槽的流动均匀性显著提升，电池电压分别降低了5%和8%。Bo等人（Hui等人，2024年）研究了电解槽的进口角度，发现15°至30°的进口角度能带来更优的性能，而过大的进口角度则容易引发流体分离和能量损失。Wei等人（2023年）采用了蜂窝状多孔电极，大幅提升了系统的临界电流密度和氢气产率。Rodrigo等人（Lira Garcia Barros等人，2025年）比较了不同孔径的镍穿孔板电极的性能，发现孔径为0.5毫米的电极具有最佳的气泡去除能力。Jiang等人（2024年）设计了具有分支效应的多通道多孔电极，有效促进了气泡释放和电解质传输。Yang等人（Liang等人，2024年）创新性地提出了旁通点流道结构（PPFC-4），并证明该结构能有效减少碱性电解槽中的传质延迟和欧姆损耗。Mohamed等人（Ismail等人，2025年）研究了阴极表面不同形状的凹陷和凸起对性能的影响，发现向内的矩形凹陷可使氢气体积分数提高多达9.7%。在碱性水电解槽的结构优化方面，Zhao等人（2024年）通过实验研究了电极结构参数对碱性电解槽性能的影响，发现当电极网格数为60、线宽为0.23毫米、孔径为0.193毫米、开口面积比为20.85%时，电解槽性能最佳。Muhsen等人（2024年）研究了碱性电解槽中电极与膜之间的间隙，发现当间隙相对于其平均值减小时，电池电流密度会呈敏感且非线性的上升趋势，间隙减小75%时，电流密度可提升超过100%。Xu等人（Duan等人，2024a年）提出了具有变直径结构的电解槽，并采用响应面法和遗传算法进行优化设计，使电解质速度分布的均匀度提升了8.40%。Zhao等人（2025年）利用遗传算法优化了分流流道的湍流结构，使流道内的流动均匀度提升了13.80%。Ruomei等人（Qi等人，2023年）优化了碱性电解槽堆的流道几何结构，使系统效率提升了5.3%。Wang等人（2025年）提出了指纹流道结构，通过系统优化结构参数K，发现当K=1.7时，阴极表面的气体体积分数达到最小值，这种结构在气泡去除方面表现出显著效果。Li等人（Shangguan等人，2024年）基于实验数据建立了热平衡机器学习模型，通过优化运行参数提升了系统能源效率，降低了氢气生产成本。Chen等人（2025年）优化了光伏-电解槽系统的各项参数，使系统效率达到了82.67%，并将动态响应时间缩短到了10毫秒以内。

尽管以往的研究已大量运用二维数值模拟方法探讨了碱性水电解过程中气泡演化及气液两相流特性，并为相关机制和结构分析奠定了坚实基础，但这并不意味着在三维领域缺乏研究。实际上，已有部分研究从空间分布特征和多物理场耦合的角度开始深入探索这一课题。不过从整体研究进展来看，针对三维模型的系统性研究仍然相对较少（Lu等人，2026年）。在此背景下，Duan等人（2024b年）通过建立多物理场耦合模型，发现增加进出口数量可以提高流动均匀性，进而提升氢气产率。Zhang等人（2023年）利用COMSOL软件模拟研究了球形凸凹流场对碱性电解槽内三维两相流分布的影响，结果表明该结构可通过提升流动均匀性、降低电极表面的氢气浓度来提高电解效率。Lee等人（2021年）基于COMSOL平台开发了一种适用于可再生能源驱动的碱性水电解系统的计算流体动力学方法，将电解槽视为等温系统进行模拟。此外，Dreoni等人（2025年）还建立了高精度的碱性电解槽三维多物理场CFD模型，将该系统的气液两相流、电化学反应、热效应以及阳极和阴极半电池之间的耦合关系统一纳入一个框架之中。

目前关于碱性水电解槽结构的研究主要聚焦于三种技术路径：优化流道结构和进口条件；设计多孔、穿孔或网状电极结构；控制电极表面的形貌。优化流道和进口条件可以通过提升电解质分布的宏观均匀性来调节整体压降；而多孔、穿孔或网状电极结构的设计则旨在提高渗透性、比表面积或气泡释放能力，但这些几何结构的变化往往伴随着孔隙率和材料本身特性的变化。相比之下，控制电极表面形貌则可直接影响近壁区域的流动结构和气泡行为。与前两种策略相比，局部凸起结构无需对整个流道进行大规模重构，也不涉及孔隙率与材料结构之间的复杂耦合，它们可以直接影响近壁流动、电极-电解质界面处的局部剪应力和压力梯度，从而更便于阐明界面尺度上气泡附着、脱离与电化学损耗之间的内在关系。目前关于凹陷或凸起结构的研究大多仅限于在特定几何形状或单一操作条件下的性能对比，对于凸起结构几何参数的可制造性以及决定其多因素耦合规律的系统性认识仍较为欠缺。

虽然以往的研究已经从流道结构、进口条件、多孔或穿孔电极以及局部成形表面等方面对碱性电解槽的结构优化进行了广泛探讨，但大部分研究都集中在不同配置之间的性能对比上，针对规则凸起阴极作为连续参数化界面结构单元的系统性研究仍显不足。基于此，本文将阴极表面的凸起结构视为可进行参数化设计的界面控制单元，选取凸起高度、宽度以及间距梯度作为关键变量，系统研究它们对气泡覆盖度、电流密度分布及整体过电位的影响。此外，本文还采用响应面方法实现多目标优化，旨在建立局部几何特征与电解槽能耗之间的定量关系。

理论部分：电极反应与电势分布理论
碱性水电解槽在实际运行时的工作电压需要综合考虑可逆电压以及各类不可逆损耗（Lv等人，2023年），其表达式如下式所示：
Ecell=Erev+ηohm+ηan+ηcat
其中，可逆电压Erev与系统吉布斯自由能的变化相关（Huang等人，2022年），可通过下式计算：
Erev=ΔGzF
在标准条件下，吉布斯自由能变化ΔG为237千焦/摩尔。

结果与讨论
为更准确地描述气泡屏蔽效应的相对变化对电极效率的影响，本研究采用ag和mg分别表征电极附近的气体积聚情况以及平均气体分布状况。结合阳极和阴极通道内的氢气浓度和速度等值线图，我们对不同条件下一碱性水电解槽电化学性能的演变进行了全面分析。

方差分析与回归模型构建
表7和表8展示了针对iθ和ηcell的二次响应面回归分析结果。两个模型的显著性都很高，模型各项的P值均小于0.0001，且不存在不拟合项达到显著水平。具体而言，iθ模型和ηcell模型的不拟合检验结果分别为F=3.11，P=0.1268；F=4.75，P=0.0632。此外，两个模型的调整后的R平方值与预测R平方值之差均小于0.2，说明模型拟合效果良好。

实验验证
为进一步确认凸起结构带来的优化效果，本研究通过实验测试，系统比较了优化后的凸起结构、平面电极以及一组具有特定参数（h=1.3毫米，w=2.6毫米，d=2毫米）的分布式电极的性能。通过测量它们的极化曲线来评估性能差异。如图18所示，在相同的电流密度条件下，优化后的凸起结构表现出的性能最优。

结论
本研究采用了单因素实验与响应面优化相结合的系统分析方法，旨在降低碱性电解槽系统的能耗。首先，选取阴极表面凸起结构的核心参数作为实验变量，基于碱性电解槽的阴极平均电流密度和整体过电位构建了数值模型。随后，又建立了多因素的数学模型……

CRediT作者贡献声明
林建清：概念构思、原始稿撰写、审稿与编辑。马晓阳：概念构思、原始稿撰写、审稿与编辑。李佳怡：原始稿撰写。李宏伟：资金获取。姜铁流：项目指导。王凯晨：效果验证。廖志荣：效果验证。徐超：效果验证。王刚：资金获取。

利益冲突声明
所有作者均无相关利益关联。

致谢
作者们感谢中国国家自然科学基金（项目编号U25B20169）以及哈密高新区科学研究与技术开发计划（HGX2023KJXM005）的支持。

林建清|马晓阳|李佳怡|李宏伟|姜铁流|王凯晨|廖志荣|徐超|王刚