穆 瑞，馬曉鋒，翁武斌，何 勇，王智化

螺旋流場(chǎng)設(shè)計(jì)對(duì)PEM電解槽性能影響的模擬研究*

穆 瑞1,2，馬曉鋒2，翁武斌2，何 勇1,2，王智化1,2,?

（1. 浙江大學(xué) 浙江省清潔能源與碳中和重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，杭州 310027；2. 浙江大學(xué) 能源高效清潔利用全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，杭州 310027）

為提高質(zhì)子交換膜（PEM）電解槽的性能，在一定的假設(shè)條件下，通過Comsol Multiphysics軟件設(shè)計(jì)并模擬一種基于避免轉(zhuǎn)角設(shè)計(jì)考慮的PEM電解槽陽極螺旋流場(chǎng)，對(duì)比不同形式的流場(chǎng)（平行流場(chǎng)、蛇形流場(chǎng)）對(duì)達(dá)到穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)的電解槽電解電壓、膜電極組件的平均溫度和多孔傳輸層（PTL）的平均氧氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響，并對(duì)新型流場(chǎng)設(shè)計(jì)的尺寸進(jìn)行優(yōu)化。仿真結(jié)果表明，新型螺旋流場(chǎng)設(shè)計(jì)性能最佳。和平行流場(chǎng)相比，電解槽的電解電壓降低約0.05 V，膜電極平均溫度降低約5.6 K，PTL內(nèi)的平均氧氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低約13.9%，下降幅度達(dá)到60%。同時(shí)探究該螺旋流場(chǎng)的流道寬度和高度對(duì)PEM電解槽性能的影響。新型螺旋流場(chǎng)設(shè)計(jì)降低了電解電壓和氧氣氣泡堵塞擴(kuò)散層空隙的可能性，提高了電解槽運(yùn)行的穩(wěn)定性。

流場(chǎng)；PEM電解槽；電解電壓；膜電極溫度；氧氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)

0 引 言

氫能作為一種清潔無污染的能源，在面臨雙碳目標(biāo)的歷史機(jī)遇下，又迎來新一輪發(fā)展熱潮，引起了各國研究人員的關(guān)注。質(zhì)子交換膜（proton exchange membrane, PEM）電解水制氫技術(shù)相比于堿性電解水制氫、陰離子交換膜制氫和高溫固體氧化物制氫具有產(chǎn)氫純度高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快、負(fù)荷范圍廣、輸出氫氣壓力高以及結(jié)構(gòu)緊湊等眾多優(yōu)點(diǎn)。

如何降低PEM電解水制氫系統(tǒng)的設(shè)備成本和運(yùn)行成本，并延長(zhǎng)其運(yùn)行壽命是PEM電解水技術(shù)目前研究的重點(diǎn)之一。國內(nèi)外學(xué)者針對(duì)PEM電解槽的優(yōu)化設(shè)計(jì)做了大量研究，其中降低催化劑Pt負(fù)載量投入的研究較多，而雙極板研究領(lǐng)域投入較少。在電解槽中雙極板所占體積最大，質(zhì)量最重，而且雙極板通常采用鈦材來抵抗酸性的環(huán)境，價(jià)格較高，其成本約占堆?？偝杀镜?8%[1]。

雙極板是PEM電解水制氫系統(tǒng)中的重要部分，因其是電解過程中反應(yīng)物分配的第一階段。雙極板執(zhí)行許多基本功能，例如向催化劑層提供反應(yīng)物、為膜電極組件（membrane electrode assembly, MEA）提供機(jī)械支撐、為排水提供通道和保持反應(yīng)物分離等。雙極板上的流道的特定功能之一是產(chǎn)生均勻分布在催化層上的流場(chǎng)，流場(chǎng)分布不均勻可能會(huì)導(dǎo)致珍貴的催化劑材料使用不平衡，且裝置的整體產(chǎn)氫效率低于預(yù)期。因此流道形狀必須進(jìn)行正確的設(shè)計(jì)，以將反應(yīng)物均勻分布在催化劑表面。

此外，當(dāng)PEM電解槽在高電流密度下運(yùn)行時(shí)，水在陽極側(cè)快速反應(yīng)生成大量的氧氣，長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行會(huì)導(dǎo)致PEM電解槽的陽極擴(kuò)散層和流道內(nèi)聚集大量的氧氣，若不能將氧氣盡快排出，氧氣氣泡將會(huì)堵塞作為多孔介質(zhì)的陽極擴(kuò)散層的空隙，阻礙流道內(nèi)的水穿過陽極擴(kuò)散層進(jìn)入催化劑層發(fā)生析氧反應(yīng)，從而降低整個(gè)電解槽的效率。同時(shí)，電流做功會(huì)產(chǎn)生大量的熱，大量氧氣的聚集增加了電解槽內(nèi)的傳質(zhì)阻力，會(huì)使局部產(chǎn)生過熱現(xiàn)象，而MEA的溫度升高會(huì)影響其性能和使用壽命，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)?dǎo)致膜電極破裂，陽極和陰極氣體出現(xiàn)交叉，存在嚴(yán)重的安全隱患。因此，進(jìn)行雙極板陽極側(cè)流道結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)是十分必要的。

關(guān)于流道結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)已有學(xué)者開展了一些工作，但是大部分都集中在常見流場(chǎng)的對(duì)比。MAJASAN等[2]研究了單通道PEM電解池的陽極流道深度對(duì)電解槽電解性能的影響。NIE等[3]對(duì)簡(jiǎn)化的PEM電解槽雙極板內(nèi)的速度和溫度分布進(jìn)行三維水流和換熱的數(shù)值模擬。他們的研究結(jié)果表明，通道內(nèi)的最高溫度出現(xiàn)在雙極板的中心，最高溫度隨著水流速的增大而降低，且流場(chǎng)的入口和出口壓降相對(duì)較大。RUIZ等[4]對(duì)高溫PEM電解槽進(jìn)行三維數(shù)值分析，并檢驗(yàn)了平行、多路徑蛇形和單路徑蛇形流場(chǎng)下電解槽的性能，提出多蛇形通道設(shè)計(jì)在制氫、溫度均勻性和壓降方面具有更好的性能。TIJANI等[5]評(píng)估了三種流場(chǎng)設(shè)計(jì)中的壓降和速度，包括平行、單路徑和雙路徑蛇形，結(jié)果表明，在平行流場(chǎng)中，壓降較小，湍流最小。TOGHYANI等[6]采用三維模型對(duì)陽極側(cè)和陰極側(cè)平行流場(chǎng)和單、雙、三和四路徑蛇形流場(chǎng)進(jìn)行分析，從速度分布、壓力分布（壓降）、溫度分布、氫氣摩爾質(zhì)量分布、電流密度分布等五個(gè)角度來比較五種不同的流場(chǎng)模式，得出了雙路徑蛇形流場(chǎng)在這五個(gè)角度具有相對(duì)最佳的結(jié)論。OLESEN等[7]對(duì)高壓PEM電解槽陽極雙極板上的兩相流進(jìn)行了數(shù)值研究，結(jié)果表明，在兩相流中，由于流場(chǎng)中流動(dòng)分布不當(dāng)，不適合使用平行通道。他們提出了一種圓形平面交指型流場(chǎng)，以便更有效地分配反應(yīng)物。

TOGHYANI等[6]提出在蛇形流場(chǎng)中總是不可避免會(huì)出現(xiàn)轉(zhuǎn)折點(diǎn)，且蛇形與平行流場(chǎng)是目前使用最為廣泛的流場(chǎng)形狀。而在蛇形流場(chǎng)的通道轉(zhuǎn)折點(diǎn)處，由于相鄰?fù)ǖ乐g的壓差比其他區(qū)域大，因此流速沿著通道減小。同時(shí)速度減小導(dǎo)致流體和壁面之間的對(duì)流換熱能力下降，使通道轉(zhuǎn)彎處溫度升高，造成溫度分布不均勻。此外，在蛇形流道的轉(zhuǎn)彎處，再循環(huán)流產(chǎn)生的剪切應(yīng)力導(dǎo)致更多的水到達(dá)反應(yīng)表面且在轉(zhuǎn)彎部分的歐姆損耗較低，導(dǎo)致局部電流密度增加，造成了電流密度分布不均勻。

因此，本文考慮避免轉(zhuǎn)角帶來的影響，提出一個(gè)新型的螺旋流場(chǎng)設(shè)計(jì)，通過比較在相同的工作電流密度下的電解電壓、多孔傳輸層（porous transport layer, PTL）內(nèi)的平均氧氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)和MEA平均溫度進(jìn)行評(píng)價(jià)分析，同時(shí)研究該螺旋流場(chǎng)流道寬度和高度對(duì)PEM電解槽的影響，為優(yōu)化電解槽的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

1 模型與參數(shù)

1.1 物理模型

圖1（a）為本文研究的PEM電解槽陽極幾何模型。結(jié)構(gòu)從上到下分別為流道、陽極氣體擴(kuò)散層、陽極氣體催化層、質(zhì)子交換膜、陰極氣體催化層以及陰極氣體擴(kuò)散層。為驗(yàn)證螺旋流場(chǎng)的優(yōu)越性，同時(shí)建立了如圖1（b）所示的平行直流道和圖1（c）所示的蛇形流道作為對(duì)比。用到的幾何和物理參數(shù)見表1和表2[8-9]。

圖1 螺旋流場(chǎng)（a）、平行流場(chǎng)（b）和蛇形流場(chǎng)（c）的三維模型

表1 模型幾何參數(shù)

表2 模型物理參數(shù)

1.2 模型假設(shè)

建立一個(gè)同時(shí)耦合電化學(xué)反應(yīng)、多組分的流體和多孔介質(zhì)的流動(dòng)、固體和流體的傳熱與傳質(zhì)過程的PEM陽極電解槽三維模型。該模型基于Comsol多物理場(chǎng)仿真軟件進(jìn)行建模分析，為簡(jiǎn)化計(jì)算，做如下假設(shè)：①參與反應(yīng)的液態(tài)水和產(chǎn)生的氣體均為不可壓縮流體；②只考慮陽極側(cè)的液態(tài)水和氧氣兩相流體流動(dòng)，且只在陽極側(cè)有循環(huán)水供應(yīng)，陰極側(cè)的氫氣產(chǎn)生后直接排出，不予考慮；③電極的多孔介質(zhì)（通常為鈦粉）為各向同性；④質(zhì)子交換膜只能透過氫離子，陽極側(cè)產(chǎn)生的氧氣與陰極側(cè)產(chǎn)生的氫氣不發(fā)生交叉擴(kuò)散。

1.3 模型驗(yàn)證

1.3.1 實(shí)驗(yàn)對(duì)照

如圖2，為了驗(yàn)證模擬數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，將單通道電解槽模型計(jì)算結(jié)果與MARANGIO[10]實(shí)驗(yàn)測(cè)得的結(jié)果進(jìn)行對(duì)照。平均工作電流密度為2 A/cm2時(shí)的誤差僅為3%，模型建立基本正確。

圖2 單通道模型仿真結(jié)果與文獻(xiàn)[10]實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比

1.3.2 網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證

數(shù)值計(jì)算通常需要進(jìn)行網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證，如表3，設(shè)計(jì)了5種單元數(shù)量在單通道電解槽模型中進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)電壓差別幾乎可以忽略不計(jì)。為兼顧計(jì)算時(shí)間和準(zhǔn)確率，選取模型的單元數(shù)為25 307。

1.4 數(shù)學(xué)模型

1.4.1 電化學(xué)模型

開路電壓在不同的溫度和壓力下有所差別，可以通過能斯特方程計(jì)算：

當(dāng)電子在電解槽之間轉(zhuǎn)移時(shí)，會(huì)有一部分能量損失，即歐姆損失，主要由各個(gè)部分之間的電阻產(chǎn)生。將這幾部分組件假設(shè)為各向同性的材料，只考慮溫度對(duì)質(zhì)子交換膜電阻的影響。質(zhì)子交換膜的電導(dǎo)率計(jì)算公式如下：

則總歐姆過電勢(shì)的計(jì)算公式為：

由于擴(kuò)散過電勢(shì)不足電解槽電勢(shì)的千分之一，不予考慮。

1.4.2 質(zhì)量守恒模型

模型定義的流體為不可壓縮流體，可以通過麥克斯韋?斯特凡方程描述電解槽內(nèi)部各組分的對(duì)流和擴(kuò)散，如下所示：

氣體混合物的密度可由下式計(jì)算：

1.4.3 動(dòng)量守恒模型

多孔介質(zhì)區(qū)域的動(dòng)量方程由布林克曼方程描述，其中氣體速度由達(dá)西定律和連續(xù)性方程近似計(jì)算，可表示如下：

式中：為電極孔隙率；為質(zhì)量速度；為黏度；為電極滲透率；為質(zhì)量源項(xiàng)，可用下式計(jì)算

綜上，利用能斯特方程、巴特勒?褔爾默方程、歐姆定律和一些半經(jīng)驗(yàn)公式建立了電化學(xué)模型；利用質(zhì)量守恒方程、麥克斯韋?斯特凡方程和一些基本的熱力學(xué)公式建立了質(zhì)量守恒模型；利用動(dòng)力學(xué)守恒和布林克曼方程建立了動(dòng)量守恒模型。其中，質(zhì)量與動(dòng)量守恒基于Comsol軟件中的“自由和多孔介質(zhì)流動(dòng)”模塊進(jìn)行設(shè)定。熱量傳遞模型基于Comsol軟件中的“固體和流體傳熱”模塊進(jìn)行設(shè)定，將水流入口、出口設(shè)為熱通量，其余部分為熱絕緣。

通過耦合上述三個(gè)模型，建立了PEM水電解槽的完整數(shù)學(xué)模型。

2 結(jié)果與討論

液態(tài)水進(jìn)入陽極流道入口后，在流道的分配下進(jìn)入擴(kuò)散層，電解水產(chǎn)生的氧氣穿過擴(kuò)散層后與未反應(yīng)的水經(jīng)過陽極流道的出口排出電解槽。本文考慮避免轉(zhuǎn)角設(shè)計(jì)的一種新型螺旋流場(chǎng)對(duì)上述PEM電解槽的問題起到一定的改善作用，為了體現(xiàn)優(yōu)化效果，又同時(shí)建立了常見的平行流場(chǎng)和蛇形流場(chǎng)模型進(jìn)行對(duì)比。通過比較達(dá)到設(shè)定的相同電流密度下的電解電壓、PTL內(nèi)的氧氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)以及MEA的溫度進(jìn)行綜合對(duì)比。

在此之后，將繪制三種流場(chǎng)的極化曲線進(jìn)一步驗(yàn)證分析，同時(shí)，將會(huì)對(duì)具有優(yōu)勢(shì)的螺旋流場(chǎng)進(jìn)行流道高度和寬度的討論，探討該流場(chǎng)的流道寬度和高度對(duì)PEM電解槽性能的影響。

2.1 不同形式流場(chǎng)的對(duì)比分析

在入口水流速相同和其他參數(shù)不變的情況下，設(shè)計(jì)不同的流道結(jié)構(gòu)，通過對(duì)比體現(xiàn)螺旋流場(chǎng)設(shè)計(jì)的優(yōu)越性。陽極入水口的初始溫度為353.15 K，進(jìn)水流量為2 × 10?5kg/s。設(shè)置達(dá)到穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)下的電流密度為2 A/cm2。仿真結(jié)果如圖3、圖4所示，與平行流場(chǎng)和蛇形流場(chǎng)相比，采用螺旋設(shè)計(jì)的流場(chǎng)電壓、MEA溫度和PTL氧氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)均有所下降。

其中，達(dá)到2 A/cm2電流密度下穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)的電解電壓從平行流場(chǎng)的2.269 8 V降低至2.218 3 V，降低了約0.05 V；膜電極組件溫度從平行流場(chǎng)的341.7 K降低至336.06 K，下降了5.64 K；PTL內(nèi)的氧氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)從平行流場(chǎng)的0.228 31降低至0.089 525，約降低了0.139。這可能是由于螺旋流場(chǎng)拉長(zhǎng)了反應(yīng)物反應(yīng)的距離，避免氧氣氣泡聚集成大氣泡后難以排出。

圖3 三種流場(chǎng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)下的電壓對(duì)比圖

圖4 流場(chǎng)形狀對(duì)PEM電解槽的MEA平均溫度和PTL氧氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響

綜上所述，螺旋流場(chǎng)相較于常見的平行流場(chǎng)和蛇形流場(chǎng)具有更好的性能。螺旋流場(chǎng)的使用有效降低了電解水過程中的電量消耗、膜電極組件的溫度，降低了氧氣氣泡阻塞陽極氣體擴(kuò)散層的可能性，提高了電解槽系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的時(shí)間。

2.2 不同形式流場(chǎng)極化曲線的對(duì)比

在恒定的操作溫度和壓力下繪制的極化曲線（電壓與電流密度曲線）通常被認(rèn)為是研究流場(chǎng)設(shè)計(jì)性能的重要方法。電流密度反映了產(chǎn)氫量，電流密度越大產(chǎn)氫量越大；電壓顯示了電解槽的能量使用情況，達(dá)到相同電流密度所需的電勢(shì)越低，電解槽產(chǎn)生相同數(shù)量氫氣消耗的電量就越少，也就越具有經(jīng)濟(jì)性。

圖5顯示了螺旋流場(chǎng)、平行流場(chǎng)和蛇形流場(chǎng)的極化曲線對(duì)比情況。圖中可見，相較于平行流場(chǎng)和蛇形流場(chǎng)，螺旋流場(chǎng)達(dá)到相同電流密度時(shí)所需的電壓更低，消耗的電量更少，這一點(diǎn)在高電流密度區(qū)尤為明顯?？梢娐菪鲌?chǎng)具有更佳的性能。

圖5 不同形式流場(chǎng)的極化曲線對(duì)比圖

2.3 螺旋流場(chǎng)通道寬度對(duì)PEM電解槽性能的影響

螺旋流場(chǎng)被設(shè)計(jì)為流道寬度1 mm、流道高度1 mm。而流道的寬度和高度對(duì)流場(chǎng)造成的影響是未知的。因此，分別從寬度和高度角度進(jìn)行研究，探究該螺旋流場(chǎng)寬度和高度的變化對(duì)PEM電解槽性能的影響。

在控制入口水流速相同和其他參數(shù)不變的情況下，設(shè)計(jì)不同寬度的流道，研究流道寬度對(duì)電解槽性能的影響。設(shè)計(jì)五種流道寬度分別為1 mm、1.25 mm、1.5 mm、1.75 mm、2 mm，陽極入水口的初始溫度為353.15 K，電解槽的工作電流密度設(shè)置為2 A/cm2。仿真結(jié)果如圖6和圖7所示。

圖7 流道寬度對(duì)PEM電解槽PTL中氧氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響

理論上，當(dāng)入口水的流速不變時(shí)，流道的寬度越大，進(jìn)入流場(chǎng)的水流量越大，電解產(chǎn)生的氧氣和電流做功產(chǎn)生的熱量應(yīng)該更快地被帶走。如圖6所示，隨著流道寬度的增加，穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)達(dá)到2 A/cm2工作電流密度時(shí)的電解電壓和膜電極的平均溫度逐漸降低。當(dāng)流道寬度為2 mm時(shí)，穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)達(dá)到2 A/cm2的工作電流密度所需的電解電壓最低，膜電極的平均溫度升高最小。所需電解電壓從2.218 3 V降低至1.956 9 V，降低了0.261 4 V，降低幅度接近12%。膜電極平均溫度從336.06 K降低至320.12 K，降低了約16 K。

由圖7可發(fā)現(xiàn)，PEM電解槽PTL氧氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)并不符合上述規(guī)律，隨著流道寬度的增加呈現(xiàn)先上升后下降再上升的趨勢(shì)。這可能是流道寬度較小時(shí)，氧氣氣泡不容易在流道內(nèi)形成大氣泡聚集在一起，有利于氧氣排出；當(dāng)流道寬度增加時(shí)，流道變得扁平化，容易使得氧氣團(tuán)聚成大氣泡，不易排出；而隨著進(jìn)入流道的水越來越多，電解產(chǎn)生的氧氣又被更快地帶走。該現(xiàn)象可能是以上原因共同作用的結(jié)果。

綜上所述，控制電解槽陽極流場(chǎng)的流道寬度會(huì)影響電解槽內(nèi)部的氧氣和水的物質(zhì)傳遞過程以及傳熱過程，從而影響電解槽運(yùn)行時(shí)所需的電解電壓。隨著流道寬度的增加，氧氣有難以排出的趨勢(shì)，可知電解電壓并不會(huì)隨著寬度的增加無限地下降。因此，該螺旋流場(chǎng)的寬度并不是越寬越好，寬度的增加雖然降低了電解電壓和MEA的平均溫度，但并不能無限地下降，同時(shí)會(huì)使得氧氣難以排出。在實(shí)際操作中，應(yīng)適當(dāng)選取合適的寬度。

2.4 螺旋流場(chǎng)通道高度對(duì)PEM電解槽性能的影響

保持入口水流速相同和其他參數(shù)不變，設(shè)計(jì)不同高度的流道，研究流道高度對(duì)電解槽性能的影響。設(shè)計(jì)五種流道高度分別為1、1.5、2、2.5、3 mm，陽極入水口的初始溫度為353.15 K，電解槽的工作電流密度為2 A/cm2。仿真結(jié)果見圖8和圖9。

圖8 流道高度對(duì)PEM電解槽電壓和MEA平均溫度的影響

圖9 流道高度對(duì)PEM電解槽PTL氧氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響

觀察圖8發(fā)現(xiàn)，隨著流道高度的增加，穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)達(dá)到2 A/cm2工作電流密度時(shí)的電解電壓和膜電極的平均溫度逐漸降低。但流道高度對(duì)電解槽性能影響較小。流道高度從1 mm增加到3 mm，穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)下的電解電壓只下降了0.004 1 V，MEA的平均溫度下降約5 K。而Nafion膜通常在80?℃以上的溫度才有降解的可能[11]，此時(shí)設(shè)計(jì)的MEA平均溫度本身較低，因此溫度的影響較弱。觀察圖9發(fā)現(xiàn)，隨著流道高度的增加，PTL氧氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢(shì)。流道高度為1.5 mm時(shí)，PTL氧氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)最低。這可能是通道高度過低時(shí)，水流量較小，能夠帶走的氧氣有限，使得氧氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高；當(dāng)通道高度過高時(shí)，排氣性變差，也會(huì)影響氧氣排出。鑒于雙極板為鈦材，價(jià)格較為昂貴，而流道高度越高，消耗的鈦材越多，使得電解槽的成本提高。因此，實(shí)際操作中需要考慮流道高度對(duì)排氣性的影響。

3 結(jié) 論

提出一種避免轉(zhuǎn)角設(shè)計(jì)的螺旋PEM電解槽陽極側(cè)流場(chǎng)新設(shè)計(jì)，耦合了電化學(xué)反應(yīng)、多組分的流體和多孔介質(zhì)的流動(dòng)以及固體和流體的傳熱與傳質(zhì)多個(gè)物理場(chǎng)，建立PEM電解槽的三維模型進(jìn)行仿真分析，并與平行流場(chǎng)和蛇形流場(chǎng)進(jìn)行對(duì)比分析。此外，還研究了螺旋流場(chǎng)的寬度和高度對(duì)PEM電解槽的性能影響。結(jié)論如下：

（1）平行流場(chǎng)和蛇形流場(chǎng)中存在轉(zhuǎn)折點(diǎn)，在轉(zhuǎn)折點(diǎn)處會(huì)產(chǎn)生速度、溫度和電流密度的突變，使其分布不均勻。相比于平行流場(chǎng)與蛇形流場(chǎng)，螺旋流場(chǎng)避免了轉(zhuǎn)角設(shè)計(jì)，且達(dá)到穩(wěn)定電流密度下所需的電解電壓下降了約0.05 V，膜電極平均溫度下降約5.6 K，多孔擴(kuò)散層內(nèi)的氧氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)下降13.9%，下降幅度到達(dá)60%。提高了電解槽運(yùn)行的穩(wěn)定性，具有更好的性能。

（2）流道寬度并不是越寬越好，流道寬度的增加有利于達(dá)到穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)的電解電壓和MEA平均溫度的下降，提高電解槽的穩(wěn)定性，但并不會(huì)無限制地降低。同時(shí)流道寬度增加會(huì)導(dǎo)致PTL氧氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)的升高。

（3）流道高度的增加對(duì)到達(dá)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)的電解電壓與MEA平均溫度影響較小，但流道高度的增加會(huì)使得PTL的氧氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)明顯升高，影響電解槽的排氣性。

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Simulation Study on the Effect of Spiral Flow Field Design on the Performance of PEM Electrolytic Cells

MU Rui1,2, MA Xiaofeng2, WENG Wubin2, HE Yong1,2, WANG Zhihua1,2,?

(1. Key Laboratory of Clean Energy and Carbon Neutrality of Zhejiang Province, Zhejiang University, Hangzhou 310027, China;2. State Key Laboratory of Clean Energy Utilization, Zhejiang University, Hangzhou 310027, China)

In order to improve the performance of proton exchange membrane (PEM) electrolysis cell, a PEM anode spiral flow field based on avoiding corner design considerations was designed and simulated by Comsol Multiphysics software under certain assumptions. The effects of different configurations of flow fields (parallel flow field and serpentine flow field) on the electrolysis voltage, average temperature of membrane electrode, and average oxygen mass fraction of porous transport layer (PTL) when achieving stable operation were compared. The sizes of the new flow field were also optimized. The results indicated that the new spiral flow field has the best performance. Compared with the parallel flow field, the electrolysis voltage of the electrolytic cell decreased by about 0.05 V, the average temperature of the membrane electrode assembly decreased by about 5.6 K, and the average oxygen mass fraction in the PTL decreased by about 13.9%, with a decrease of up to 60%. At the same time, the influence of the width and height of the flow channel in the spiral flow field on the effects of PEM electrolysis cell was explored. The new spiral flow field reduces the contents of oxygen bubbles blocking the gaps in the diffusion layer and electrolytic voltage, and improves the stability of the electrolytic cell operation.

flow field; PEM electrolysis cells; electrolytic voltage; membrane electrode temperature; oxygen mass fraction

2095-560X（2023）04-0295-08

TK91

A

10.3969/j.issn.2095-560X.2023.04.001

2023-05-22

2023-06-11

中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)項(xiàng)目（2022ZFJH004）

王智化，E-mail：wangzh@zju.edu.cn

穆瑞, 馬曉鋒, 翁武斌, 等. 螺旋流場(chǎng)設(shè)計(jì)對(duì)PEM電解槽性能影響的模擬研究[J]. 新能源進(jìn)展, 2023, 11(4): 295-302.

： MU Rui, MA Xiaofeng, WENG Wubin, et al. Simulation study on the effect of spiral flow field design on the performance of PEM electrolytic cells[J]. Advances in new and renewable energy, 2023, 11(4): 295-302.

穆 瑞（1999-），男，碩士研究生，主要從事質(zhì)子交換膜電解水制氫技術(shù)流場(chǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)研究。

王智化（1977-），男，博士，教授，主要從事污染物治理、激光燃燒診斷、新能源制氫方面的研究。