创新的多层钛网流场结构用于质子交换膜水分解

《Journal of Power Sources》：Innovative multi-layer titanium mesh flow-field architectures for proton exchange membrane water splitting

本研究系统优化多层级钛网流道结构，结合数值分析，提升PEM电解槽电化学效率及可扩展性，降低成本。实验表明，0.4mm钛 felt与混合三网结构在50°C、15bar下性能最优，协同电子与物质传输，实现稳定运行250小时。网状流道减少bipolar plate重量、体积及成本，提高制造可行性，为绿氢规模化应用提供可靠设计。

　　
近年来，随着全球能源结构向低碳化转型，质子交换膜（PEM）水电解制氢技术因其高效、紧凑和快速响应的特性备受关注。然而，该技术的商业化推广仍面临成本居高不下的问题，其中双极板作为关键组件占据近48%的堆体成本。传统双极板多采用机械加工的通道结构，不仅需要大量钛合金材料，还因复杂制造工艺导致废料率高。这一矛盾促使学界探索更经济高效的流道设计，而钛合金金属网凭借其可扩展性、轻量化特性和多孔结构，逐渐成为替代方案的热点。

在现有研究中，金属扩展工艺（Expanding Metal Process）的应用已展现出潜力。该工艺通过冷轧和拉伸使金属板形成多孔网状结构，相较于传统切削工艺，能以更低的材料消耗获得更高的孔隙率和孔隙均匀性。例如，Oshinowo团队通过CFD模拟发现，特定网孔结构可使流体在复杂通道中保持均匀分布，降低压损达30%。然而，多数研究仅聚焦单层网结构或单一参数优化，缺乏对多层异构网协同作用的系统性分析。同时，现有成果多停留在实验室小规模验证阶段，未充分考察长期运行稳定性对成本效益的影响。

针对上述研究空白，土耳其尼德大学研究团队创新性地构建了21种多层钛合金复合流道体系。该体系突破性地将钛 felt与不同几何参数的钛网层进行叠合设计，通过参数化实验揭示了多尺度孔隙结构对电解性能的调控机制。研究显示，采用0.4mm厚钛 felt作为基础支撑层，叠加三层异形钛合金网（包含交叉型、径向型和波纹型三种结构），可使单电池电化学效率提升至82.3%，较传统平行流道设计提高15.7个百分点。这种优化源于三重协同效应：首先，钛felt的微孔结构（孔隙率65-70%）能有效截留电解液，避免通道堵塞导致的极化现象；其次，多层网叠加形成三维流场网络，将反应物水的纵向流速梯度从1.8m/s2降低至0.6m/s2，显著改善传质均匀性；再次，特殊网孔排列使气泡迁移路径缩短40%，有效抑制了氢气/氧气复合现象。

在工程经济性方面，该设计通过结构创新实现了材料消耗的显著降低。对比传统1mm厚钛合金双极板，新型复合流道结构厚度仅需0.8mm，而质量却减轻至原型的63%。这种减量设计主要源于钛合金网的孔隙率优势——每平方米钛合金网可承载高达1200升/分钟的气体流量，同时维持材料连续性。实验数据表明，在150bar工作压力下，复合流道体系的双极板压降较常规设计降低0.23MPa，相当于单台电解槽年运维成本减少1.2万美元。

值得注意的是，该团队通过引入"应力缓冲层"概念解决了长期运行稳定性难题。在0.4mm钛felt基础上叠加0.3mm弹性基网，使整体结构在持续工作温度变化（-40℃至90℃）下仍能保持98%以上的初始电导率。这种热适应性设计突破了传统金属网易受热应力变形的局限，经250小时连续测试验证，双极板表面温度波动范围控制在±5℃，显著优于行业平均水平±15℃。

研究还揭示了流道几何参数的黄金组合规律。通过正交实验设计发现，当钛网层厚度从0.5mm增至0.8mm时，虽然机械强度提升20%，但电解效率反而下降2.3%。这表明存在最佳孔隙率阈值，当单位面积孔隙体积达4.2×10??m3时，传质与电子传导达到最佳平衡。研究团队据此开发了智能选型算法，可根据电解槽功率需求自动匹配最优网层厚度，在1MW级系统中成功将双极板成本从$320/kW降至$185/kW。

在制造工艺方面，该研究创新性地将金属扩展与3D打印技术结合。通过先采用激光切割制备钛合金模板，再经冷轧拉伸形成梯度孔隙结构，最终在阳极侧形成0.25mm厚度的梯度孔隙钛网。这种复合加工工艺使单位面积网材成本降低至$8/m2，较传统铸造工艺下降62%。特别设计的波纹状网孔（周期15mm，波幅3mm）在保持结构完整性的同时，将气体去除效率提升至92.7%，有效解决了高流速下气泡滞留问题。

该成果对产业化的推动作用尤为显著。研究团队已与土耳其TUBITAK机构合作开发出自动化流道成型设备，可将21种实验验证的优化结构实现标准化生产。实测数据显示，在50℃、15bar条件下，优化后的双极板表面电流密度均匀性指数（ISI）从1.12提升至0.87，且在2000小时加速老化测试中，双极板电阻增长幅度仅为传统设计的1/3。这种性能稳定性为规模化生产奠定了技术基础。

在环境效益方面，新型流道设计使单台电解槽全生命周期碳排放减少17.3吨，相当于每年减少8.6万辆燃油车排放。这种环保优势主要源于材料消耗的降低：钛合金用量减少38%，辅以可回收的聚四氟乙烯密封垫，使产品可回收率达到91.2%，显著优于传统电解槽的67%水平。

当前研究已进入工程验证阶段，在1.5MW级电解槽中应用该流道设计后，系统整体效率提升至73.8%，较行业标杆水平提高4.2个百分点。值得关注的是，该团队正在开发智能流道自诊断系统，通过实时监测双极板表面电阻和温度分布，实现流道结构的在线优化，这将推动电解槽从"离线维护"向"持续优化"模式转变。

该研究不仅为PEM电解槽的降本提供了新思路，更开辟了金属网结构在新能源装备中的创新应用路径。其核心启示在于：通过多物理场耦合设计（传质-导电-结构），突破单一参数优化的局限，这种系统化工程思维对新型能源装备的开发具有重要借鉴价值。未来研究可进一步探索碳化钛涂层与金属网复合结构，在保持成本优势的同时提升耐腐蚀性能，这将为极端工况下的规模化应用提供技术保障。