一种完全由非金属材料制成的双极板以及用于系统验证的轻量化碱性电解槽

《Renewable Energy》：A novel all-non-metallic bipolar plate and the lightweight alkaline electrolyzer for system validation

　　摘要：基于可再生能源的氢气生产是将可再生电能转化为可储存氢气的有效途径。然而，重水电解设备仍然是一个关键挑战，限制了某些可再生能源应用的灵活性。本文提出了一种全非金属双极板，通过分离板的机械功能和电化学功能来实现这一目标。采用玻璃纤维增强塑料框架作为机械支撑，而石墨部件则用于电流收集、热传递和流场集成。嵌入三重切比雪夫螺旋流场以增强电解质的重新分布和气泡去除。通过数值模拟和实验验证，将这种非金属电解槽与金属和传统流场配置进行了比较。在2.0 V和0.4 m s-1的条件下，优化的非金属配置实现了0.09的气体体积分数和0.094 A cm-2的电流密度。与金属平行蛇形和金属三重切比雪夫螺旋配置相比，气体体积分数分别降低了67.9%和43.8%，而电流密度分别增加了68.5%和51.1%。优化后的非金属电解槽的比能耗为5.2 kWh Nm-3，仅比金属三重切比雪夫螺旋电解槽高1.96%。单个单元和五个单元的非金属电解槽分别将堆栈质量减少了66.4%和69.1%，使质量指数氢气产量分别增加了194.4%和221%。100小时的测试进一步显示，在测试条件下其运行稳定。这些结果表明，所提出的设计可以在保持可比的电化学性能的同时减少硬件质量，为基于可再生能源的氢气生产系统提供了一种轻量化电解槽策略。

引言：可再生能源是一种重要的绿色能源形式。将其与水电解结合可以将多余的电能转化为可储存的氢气，从而提高可再生能源的利用率[1]。在水电解技术中，碱性水电解（AWE）由于其相对较低的材料成本和高技术成熟度，已成为最成熟且经济可行的氢气生产途径之一[2]。这使得电解槽的发展与可再生能源的转换和存储密切相关。此外，可再生能源的广泛可用性推动了可再生氢气生产应用的快速发展，包括移动式、陆地式和海上应用[3]。然而，一些应用场景对氢气生产设备的质量有类似的限制。例如，在海上风电平台应用中，设备部署和系统集成受到甲板载荷、系统体积和系统质量的限制[4]。在移动式可再生氢气生产中，设备质量在运输、装载和卸载过程中也必须保持在一定范围内[3]。设备质量带来的额外负担可能会进一步增加能耗和安全风险。因此，在保持氢气生产效率的同时减少电解槽的结构质量是大规模部署这种受质量限制的可再生氢气生产系统的先决条件[4]。传统的碱性电解槽通常依赖于金属部件，如不锈钢、镀镍钢或镍基材料，因为这些材料具有较高的机械强度、导电性和成熟的制造工艺[1]。然而，使用金属双极板和端板也使得电解槽堆栈成为系统质量的主要来源。电解槽的结构和部件如图1所示。如图1(a)-(b)所示，在简化的水电解氢气生产系统中，电解槽占总质量的94.9%，其中双极板和端板共同贡献了90.9%的电解槽组件质量。如图1(c)-(e)所示，双极板被製造成集成式金属结构，螺栓预载主要由外部框架承担，从而增加了传统工业碱性电解槽的结构质量。同时，中央凹陷区域主要用于电化学反应，其核心功能部件与预载功能基本分离，对总结构质量的贡献较小。除了质量负担外，金属双极板还必须在浓缩的碱性电解液中平衡耐腐蚀性和电化学稳定性。Todoroki和Wadayama研究表明，不锈钢析氧电极在电位循环过程中会发生表面氧化和成分元素的溶解，表明不锈钢在碱性析氧条件下并不完全稳定[5]。Gago等人研究了不锈钢双极板上的保护涂层，发现表面保护可以改善耐腐蚀性，但也增加了材料加工复杂性和制造成本[6]。因此，传统碱性电解槽设计的关键挑战是双极板必须同时提供机械支撑、电流收集、热传递、电解质分布和耐腐蚀性。使用单一金属部件来满足这些耦合功能会增加堆栈质量，并对腐蚀防护提出额外要求。为了减少组件质量和制造复杂性，人们探索了基于聚合物或非金属的部件作为传统金属流板或双极板的替代品。Chisholm等人製作了带有银基导电涂层的3D打印聚丙烯流板，并额外添加了一层金以防止银氧化[7]。然而，他们的涂层聚合物方法受到银氧化、涂层/粘合剂降解以及聚合物基底与金属涂层之间热膨胀不匹配的影响[7]。Yang等人后来将液体/气体扩散层、双极板、垫圈和电流分配器集成到一个多功能增材制造的电解槽板中，证明了增材制造可以减少组件数量、体积和组装复杂性[8]。在后续研究中，Yang等人提出了一种3D打印的非导电PLA双极板，其中PLA板提供水/气体分布和机械支撑，而Ti薄膜液体/气体扩散层提供电子传输[9]。这些研究表明了基于聚合物的组件在减轻质量和结构集成方面的潜力。然而，它们也表明，非金属或基于聚合物的设计仍然面临与导电层稳定性、热不匹配、机械强度和高温及压缩组装条件下的耐热性相关的挑战。引入非金属组件还需要相应地重新设计流场和电流收集结构。在传统碱性电解槽中，电解质分布通常由凸起型双极板或金属多孔/网状部件控制，但非均匀的液体分布和局部滞留区仍然是重要问题。Wang等人通过数值研究了凹凸双极板，并报告称，在商业碱性电解槽中，当板几何形状不能提供足够的侧向重新分布时，可能会出现非均匀的液体流动[10]。在后续研究中，Wang等人提出了使用楔形和菱形单元的板结构设计指南，表明局部几何特征可以改善商业AWE板中的侧向液体重新分布[11]。最近，Yu等人系统研究了零间隙AWE中双极板突起的数量和大小，并展示了它们对电解质流动、气体释放、温度分布和电解性能的影响[12]。Gu等人还在传统凹凸流场中引入了局部入口阵列结构以改善气液分布均匀性[13]。Liang等人引入了一种先进的分隔点流通道，并证明分隔出口和侧向流路径可以改善电解质分布和增强质量与热传递[14]。Xiong等人优化了一种膨胀金属网状双极板，表明三维金属网络可以在保持电接触的同时引导电解质流动[15]。尽管这些结构可以改善侧向电解质重新分布和流动均匀性，但它们的性能往往取决于特定的局部几何形状和制造工艺。这限制了它们在非金属导电组件中的直接应用。与凸起型和网状结构相比，沟槽型流场主要通过通道宽度、肋宽、通道深度和流道排列来定义，为将流分布集成到板型导电组件中提供了更可控的途径。Dang和Zhou分析了蛇形通道电解槽流场中的气泡行为，并表明通道引导布局可以调节气泡传输和气液分布[16]。Chen等人提出了交错喷射孔流场，并证明重新设计的通道结构可以通过加强局部传输来改善电流密度和温度分布[17]。这些研究表明，通道拓扑是调节两相传输和热行为的有效手段。然而，传统的沟槽型布局可能仍然存在侧向电解质重新分布不足的问题，尤其是在流场必须直接集成到非金属电流收集组件中的情况下。上述研究表明，电解槽设计中已经探索了非金属材料和流场优化的使用。然而，这两个方面通常是出于不同的设计视角考虑的。对于轻量化的全非金属双极板，材料选择必须同时满足机械承载、电导率、热传递和两相传输的要求。尚未充分探索将承载结构与电学、热学和流体功能区域分离的全非金属双极板设计，同时保持其结构集成。本工作的动机是在不损害电化学和传输性能的情况下减少电解槽硬件质量。关键贡献是一种电机械解耦的全非金属双极板架构，它将承载结构和电化学功能分离，同时保持结构集成。这种分离使得可以根据各自的功能选择材料。具体来说，GFRP框架承担机械预载，而石墨部件则集成电流收集、热传递和流场功能。进一步将三重切比雪夫螺旋流场集成到石墨部件中，以增强侧向电解质重新分布和气泡去除。这种功能分离允许独立解决承载要求，同时保持氢气生产所需的功能。本文的其余部分组织如下：第2节介绍电机械解耦的双极板设计，第3节描述耦合的两相流动和电化学模型，第4节介绍电化学性能、轻量化特性和稳定性的数值和实验评估，第5节是结论。

作者贡献声明：
Bo Zhao：可视化、数据管理。
Jiasheng Wang：调查、数据管理。
Pengcheng Zhao：监督、资金获取。
Haiting Xia：撰写——原始草稿、方法论、形式分析、概念化。
Haiguo Yu：验证、资源。
Jun Yang：资源。
Wei He：撰写——审阅与编辑、验证、概念化。
Jingang Wang：监督、调查、资金获取。

利益冲突声明：
作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。