近日，氫能研究領(lǐng)域國(guó)際權(quán)威期刊INTERNATIONAL JOURNAL OF HYDROGEN ENERGY刊發(fā)了穩(wěn)石氫能、華南理工電力學(xué)院與廣東省高效清潔能源利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室聯(lián)合研發(fā)的成果。

陰離子交換膜水電解（AEMWE）作為前景廣闊的氫氣制備技術(shù)，其優(yōu)勢(shì)在于可采用低成本堿土金屬作為電催化劑，并以低濃度堿性電解液甚至純水作為原料，在保持優(yōu)異性能的同時(shí)大幅降低了運(yùn)營(yíng)成本。

但AEM技術(shù)的發(fā)展仍存在挑戰(zhàn)，包括氫氧根離子傳導(dǎo)性較低、在高pH條件下長(zhǎng)期穩(wěn)定性有限，以及膜降解機(jī)制如霍夫曼消除和親核取代。因此目前技術(shù)實(shí)驗(yàn)研究主要集中在膜材料開(kāi)發(fā)和非貴金屬催化劑的優(yōu)化上。

相比之下，關(guān)于AEM電解的數(shù)值模擬研究仍處于起步階段。早期研究主要基于一維或簡(jiǎn)化的穩(wěn)態(tài)假設(shè)。例如，有研究人員開(kāi)發(fā)了一維數(shù)學(xué)模型，用于分析電流密度、膜厚度和飽和度對(duì)過(guò)電勢(shì)的影響，但未考慮三維流體流動(dòng)和物質(zhì)傳輸中的空間異質(zhì)性。雖然使用Aspen Plus軟件構(gòu)建了堿性電解槽的熱力學(xué)模型，但該模型缺乏動(dòng)態(tài)離子電導(dǎo)率變化等AEM特有參數(shù)。另有學(xué)者提出零間隙堿性電解槽的瞬態(tài)三維模型，但其結(jié)論僅適用于傳統(tǒng)堿性系統(tǒng)，未能涵蓋AEM配置。盡管這些研究為機(jī)理分析奠定了基礎(chǔ)，但AEM電解過(guò)程中涉及電化學(xué)反應(yīng)、電荷/物質(zhì)傳遞及溫度分布等復(fù)雜多物理場(chǎng)耦合問(wèn)題，仍存在研究空白。

近年來(lái)，先進(jìn)電化學(xué)（AEM）電解領(lǐng)域的研究重點(diǎn)已轉(zhuǎn)向三維建模與多物理場(chǎng)耦合技術(shù)。通過(guò)對(duì)比流場(chǎng)設(shè)計(jì)方案發(fā)現(xiàn)，具有高產(chǎn)氫率和均勻溫度分布的雙蛇形通道結(jié)構(gòu)是AEM系統(tǒng)的較優(yōu)選擇。針對(duì)多孔介質(zhì)中的傳質(zhì)過(guò)程，研究者深入開(kāi)展了相關(guān)探索，并提出改進(jìn)型達(dá)西-福克海默方程組，用以描述氣體擴(kuò)散層中的兩相流行為。納夫奇團(tuán)隊(duì)研究開(kāi)創(chuàng)性地建立了雙蛇形流場(chǎng)的三維非等溫穩(wěn)態(tài)模型，系統(tǒng)評(píng)估了溫度與陰極壓力對(duì)AEM電解槽的影響。該模型通過(guò)整合巴特勒-沃 爾默動(dòng)力學(xué)、達(dá)西定律和菲克擴(kuò)散理論，成功表征多孔介質(zhì)中的傳質(zhì)特性。

研究表明：溫度升高可降低歐姆電勢(shì)和活化過(guò)電位，使電流密度提升21.5 %；而陰極壓力增至20巴時(shí)，由于開(kāi)路電壓升高和反應(yīng)動(dòng)力學(xué)減緩，導(dǎo)致性能下降13.6 %。這項(xiàng)研究填補(bǔ)了AEM電解三維建模領(lǐng)域的空白，為流場(chǎng)設(shè)計(jì)和運(yùn)行優(yōu)化提供了關(guān)鍵理論支撐。

本文重點(diǎn)研究了流道結(jié)構(gòu)與關(guān)鍵參數(shù)對(duì)AEM電解槽性能的影響。本研究創(chuàng)新采用螺旋流道設(shè)計(jì)，規(guī)避了傳統(tǒng)AEM電解槽的轉(zhuǎn)角結(jié)構(gòu)，并運(yùn)用COMSOL Multiphysics軟件分析輸入電壓、溫度及陰極壓力對(duì)性能的影響。通過(guò)極化曲線、溫度壓力云圖及氫濃度分布圖的分析表明：在特定工況下，當(dāng)溫度從40℃升至80℃時(shí)，電流密度提升19.1 %；而陰極壓力從1個(gè)大氣壓增至9個(gè)大氣壓時(shí)，電流密度則下降13.9 %。

研究證實(shí)螺旋流道通過(guò)降低壓差有效提升了反應(yīng)效率，從而顯著緩解了高壓對(duì)系統(tǒng)性能的負(fù)面影響。與此同時(shí)，在研究范圍內(nèi)的陰極壓力和溫度升高時(shí)，可以觀察到反應(yīng)均勻性得到提高。

審核編輯 黃宇