質(zhì)子交換膜水電解流道結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究

摘 要：研究了質(zhì)子交換膜電解電池（PEMEC）內(nèi)流場(chǎng)結(jié)構(gòu)對(duì)于水電解反應(yīng)物質(zhì)的傳輸與轉(zhuǎn)移的影響。通過仿真軟件COMSOL 建模，改變PEMEC流道寬度與流道脊寬度之比（ 流道脊寬比， γ）與流道數(shù)目（λ），研究在流道寬度固定為1 mm 的情況下，γ 與λ 變化對(duì)PEMEC 性能的影響。結(jié)果表明：當(dāng)γ = 1時(shí)的電解質(zhì)電流密度最高，比γ = 2 時(shí)的電池電流密度高6.9%，比γ = 3 時(shí)的電流密度高13.8% ；當(dāng)λ增加時(shí)，PEMEC 性能會(huì)發(fā)生較大變化。當(dāng)固定γ = 1 時(shí)，流道數(shù)目λ 的增加會(huì)增大PEMEC 流道壓降，有利于電流密度與氧氣的均勻分布，從而提升PEMEC 性能，增大電流密度；但增加流道數(shù)目，也會(huì)增大流阻，影響氧氣排出。

關(guān)鍵詞： 質(zhì)子交換膜電解電池（PEMEC）；軟件COMSOL 建模；流道脊寬比；流道數(shù)目；壓降

中圖分類號(hào)： TM 911.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A DOI： 10.3969/j.issn.1674-8484.2024.06.006

可再生能源與清潔能源的發(fā)展被各國(guó)視為重中之重。在新能源中氫能源具有清潔無污染、可再生、熱值高、可儲(chǔ)存的優(yōu)點(diǎn)，被公認(rèn)為同時(shí)滿足資源、環(huán)境、可持續(xù)發(fā)展要求的新能源[1]。水電解制氫操作簡(jiǎn)單、無污染、維護(hù)方便、制氫純度高。質(zhì)子交換膜電解電池（proton exchange membrane electrolysis cell，PEMEC） 在水電解制氫中具有啟動(dòng)快、波動(dòng)響應(yīng)快、能量轉(zhuǎn)化率高、產(chǎn)氫效率高等優(yōu)點(diǎn)。流場(chǎng)是PEMEC 的重要組成部分之一，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)PEMEC 導(dǎo)電性、傳熱、傳質(zhì)性能有重要影響。

T. Lickert 等[2] 通過實(shí)驗(yàn)對(duì)比PEMEC 有流道結(jié)構(gòu)和無流道結(jié)構(gòu)，結(jié)果表明有流道結(jié)構(gòu)電流密度、溫度、壓力等參數(shù)更為穩(wěn)定，而無流道結(jié)構(gòu)PEMEC 性能極易受到操作條件影響。因此流道結(jié)構(gòu)對(duì)PEMEC 的穩(wěn)定性極其重要。PEMEC 可以通過改進(jìn)流場(chǎng)的結(jié)構(gòu)與形狀等，提高電解效率、優(yōu)化物質(zhì)傳遞、提高壓降、優(yōu)化電池溫度分布等。目前對(duì)于PEMEC 的流場(chǎng)優(yōu)化包括結(jié)構(gòu)優(yōu)化、流道填充等。結(jié)構(gòu)優(yōu)化包括流場(chǎng)形狀設(shè)計(jì)如平行流場(chǎng)、蛇形流場(chǎng)、級(jí)聯(lián)等結(jié)構(gòu)。流道填充包括泡沫鈦、金屬骨架等流道填充[3]。目前也有相關(guān)研究證明對(duì)雙極板流場(chǎng)進(jìn)行貴金屬涂層也能顯著改善PEMEC性能。

S. S. Lafmejania 等[4] 利用膨脹金屬網(wǎng)作為流場(chǎng)板，發(fā)現(xiàn)膨脹金屬網(wǎng)結(jié)構(gòu)會(huì)出現(xiàn)強(qiáng)擾流作用，能促進(jìn)氧氣泡的分裂，并促使水迅速向氣體擴(kuò)散層流動(dòng)，加快反應(yīng)速度。K. Ito 等[5] 測(cè)試了3 種不同類型的流場(chǎng)，蛇形、平行和級(jí)聯(lián)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明陰極流場(chǎng)構(gòu)型不同只影響電池歐姆過電位，而陽(yáng)極流場(chǎng)構(gòu)型不同將影響水氣流動(dòng)，對(duì)傳質(zhì)過電位造成較大影響。在3 種流場(chǎng)形式中，蛇形流場(chǎng)性能最佳。C. Minnaar 等[6] 設(shè)計(jì)了一種方針形流場(chǎng)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明方針形流場(chǎng)有利于提高流道進(jìn)出口壓降，提高氧氣排出速度。另外，方針形流場(chǎng)也有利于溫度的均勻分布，并且提高電池電流密度。A. C.Olesen 等[7-8] 研究了3 種不同的圓形流場(chǎng)，發(fā)現(xiàn)圓形流道電流密度與溫度分布更加均勻，進(jìn)出口處速度更大，但在流道彎曲處容易導(dǎo)致氣體聚集，阻礙水?dāng)U散，因此需要減小流道的彎曲度。J. O. Majasan 等[9] 通過高速攝像機(jī)研究了單蛇形和平行流場(chǎng)中的氣液兩相流，發(fā)現(xiàn)在高電密下，單蛇形流場(chǎng)出現(xiàn)了氧氣段塞流，并進(jìn)一步發(fā)展呈環(huán)狀流。氧氣團(tuán)阻礙了水向催化劑層的擴(kuò)散，因此造成了電池性能惡化。

除流道構(gòu)型改變外，目前PEMEC 流道內(nèi)填充也有較多研究。流道內(nèi)部填充可顯著分裂氣泡，提高氣泡的排出能力，提高電流密度。JIAO Kui 等[10] 在流道內(nèi)填充網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)提高PEMEC 的氧氣排出能力，仿真結(jié)果發(fā)現(xiàn)該網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)能顯著促進(jìn)氧氣泡的分裂，防止形成較大的柱塞流，從而大幅提高流道內(nèi)氧氣的排出能力。另外，通過對(duì)骨架進(jìn)行親疏水性的改變也能提高電池電解性能。E. Baniasadi 等[11] 在流道內(nèi)填充金屬泡沫作為電流分配器并與無填充的平行流場(chǎng)和雙蛇形流場(chǎng)進(jìn)行了比較，結(jié)果表明，金屬泡沫填充流場(chǎng)具有更高的導(dǎo)電性，其內(nèi)部電流密度與溫度分布更均勻。另外，改變金屬泡沫的滲透率也將顯著影響流道內(nèi)部的壓降。

目前相關(guān)一些流道研究圍繞流道形狀與流道內(nèi)結(jié)構(gòu)改變等內(nèi)容，尚未針對(duì)流道的大小與數(shù)量進(jìn)行研究。當(dāng)流道尺寸參數(shù)改變時(shí)，其內(nèi)部壓降、氧氣流動(dòng)阻力將發(fā)生變化，因此研究流道尺寸參數(shù)對(duì)PEMEC 流道設(shè)計(jì)具有重要意義。

本文通過COMSOL 軟件， 建立了PEMEC 流道的三維模型，在保證極板總寬度不變的情況下，改變流道脊寬比（ 流道寬度與流道脊寬度之比，γ），研究了PEMEC 的3 種不同流道脊寬比下的電池性能，確定脊寬比對(duì)電池性能的影響規(guī)律。

1 PEMEC 模型搭建

1.1 幾何模型

本文采用Solidworks 進(jìn)行建模，包括端板、流道、氣體擴(kuò)散層、催化劑層。如圖1 所示為所搭建電池單流道幾何結(jié)構(gòu)。流道高度為1.5 mm，為與實(shí)際流場(chǎng)接近且便于計(jì)算，流道長(zhǎng)度選擇20 mm，寬度為1 mm。由于PEMEC 膜電極組件較為復(fù)雜，本研究進(jìn)行簡(jiǎn)化。氣體擴(kuò)散層厚度為1 mm，催化劑層厚度0.02 mm，質(zhì)子交換膜厚度為0.15 mm。

PEMEC 中，陽(yáng)極流道通水，水經(jīng)過氣體擴(kuò)散層進(jìn)入催化劑層參與反應(yīng)。水在陽(yáng)極催化劑層處分解生成氧氣，隨后經(jīng)過氣體擴(kuò)散層進(jìn)入流道，與流道內(nèi)的水一同從陽(yáng)極出口排出。PEMEC 陽(yáng)極分解產(chǎn)生的質(zhì)子經(jīng)過質(zhì)子交換膜進(jìn)入陰極，得到電子生成氫氣。因此在整個(gè)PEMEC 反應(yīng)中，流動(dòng)物質(zhì)共有氧氣、氫氣、水，每種物質(zhì)各項(xiàng)物理參數(shù)與PEMEC 結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1 所示。