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质子交换膜水电解槽（PEMWE）多通道流道设计与三维非等温两相流模型结合，系统分析反应面积、GDL接触角梯度及操作参数对极化行为和反应物分布均匀性的影响，揭示大规模PEMWE性能优化机制。
张超群|杜晓航|刘桂花|张少峰|李静德
河北工业大学化学工程学院，绿色化学技术与高效节能重点实验室，天津化学过程安全重点实验室，中国天津300130
摘要
质子交换膜水电解器（PEMWE）是一种高效的氢气生产方法。本研究采用三维计算流体动力学模型，研究了多平行流道PEMWE的性能，考虑了热传递、质量传输和电化学反应。模型探讨了反应面积（流道数量）、气体扩散层（GDL）接触角和梯度以及操作参数（入口速度和温度）的影响。通过变异系数来量化关键参数的均匀性。结果表明，不同的反应面积对PEMWE的性能有显著影响：在2.0伏电压下，11平方厘米的反应面积产生的电流密度比23平方厘米高约7.0%，比50平方厘米高约21.3%。入口流速对PEMWE的性能也有显著影响，将入口流速从0.15米/秒增加到0.55米/秒，电流密度提高了约13.8%，反应物分布均匀性提高了10.7%。优化GDL接触角可使大规模PEMWE的极化性能提高约2.2%。该研究阐明了反应面积、GDL性质、操作条件与PEMWE性能之间的相互作用，为优化大规模PEMWE及其堆栈的操作条件和GDL设计提供了重要见解。
引言
质子交换膜水电解器（PEMWE）由于其高效率和快速响应间歇性可再生能源的能力，在可持续氢气生产中至关重要[1]、[2]、[3]、[4]。随着全球对高效储能解决方案需求的增长，优化PEMWE的性能变得越来越重要。然而，阳极氧析出反应的动力学缓慢是实现高效率的显著挑战[5]、[6]、[7]。确保反应部位有足够的液态水供应对于提高性能至关重要。阳极气体扩散层（GDL）在促进反应物从流道（CH）传输到催化剂层（CL）方面起着关键作用，其设计是电解器效率的关键决定因素[8]、[9]、[10]、[11]、[12]、[13]、[14]、[15]。此外，操作参数（如入口流速和温度）显著影响PEMWE的极化行为和长期耐久性[16]、[17]。数值研究已成为一种成本效益高且实用的研究工具，解决了物理测试的高成本和实验局限性问题，并在PEMWE领域取得了显著进展。许多关于PEMWE的数值研究集中在优化流场和膜电极组件（MEA）上，特别是研究了关键参数，包括CL和GDL的孔隙率、催化剂和离子聚合物的负载量、润湿性，并分析了它们对电流密度分布、液相饱和度和温度剖面的影响[6]、[8]、[9]、[18]、[19]、[20]、[21]、[22]、[23]、[24]。此外，孔隙网络建模被用来重建多孔介质并研究GDL和CL内的多相传输[15]、[25]、[26]、[27]、[28]。双极板几何形状的改进是另一种关键的优化策略，重点关注其对温度梯度、压力差和反应物饱和度剖面的影响[29]、[30]、[31]、[32]、[33]、[34]、[35]、[36]、[37]。也有研究报道了流道动力学对PEMWE性能的影响，其中使用体积法和相场方法来模拟多相流动相互作用[38]。此外，在PEMWE中，随着流道数量的增加，内部流动动力学变得更加复杂，显著影响温度和液相饱和度等关键参数的均匀性。然而，以往关于流道的研究通常限于不超过15个流道的相对稀疏排列配置，远少于商业PEMWE系统中大约30个密集排列的平行流道。为了确保最佳的PEMWE性能，良好的流道设计至关重要，但适当优化操作参数和GDL性质也可以提高饱和度、温度分布和极化性能。尽管如此，关于GDL梯度性质的研究往往集中在流道数量有限的PEMWE系统上，未能充分反映商业平行流道配置的反应物分布特性。
本研究开发了一个具有多个平行流道的三维、两相流动、非等温多物理场模型。该模型全面评估了反应面积（流道数量）、入口速度、操作温度、GDL接触角及其梯度分布对大规模多平行流道PEMWE性能的影响。为了量化温度、饱和度和电流密度均匀性的变化，引入了变异系数作为度量标准[39]。仿真结果表明，流道数量、操作条件和GDL接触角设计对PEMWE性能的两个关键方面——极化行为和反应物分布均匀性——有明显的、依赖于具体情境的影响。这些发现为大规模PEMWE系统的设计和运行提供了重要的见解和优化策略。
数值模型
图1（a）展示了多平行流道PEMWE的层次结构，包括阳极双极板（ABP）、阴极双极板（CBP）、阳极气体扩散层（AGDL）、阴极气体扩散层（CGDL）、阳极催化剂层（ACL）以及分隔阳极和阴极室的质子交换膜（PEM）等核心组件。在商业PEMWE应用中，平行流道设计是最常见的流场形式
结果与讨论
本研究调查了由流道数量、GDL接触角和操作条件决定的反应面积对PEMWE性能的影响。为了有效量化内部变化，我们引入了变异系数（Cs、CT、Ci）来分别测量饱和度、温度和电流密度的均匀性。变异系数是无量纲的相对分散度量，直观地比较了不同条件下的均匀性
结论
本研究开发了一个三维、非等温、两相流动模型，用于研究具有多平行流道设计的PEMWE的性能。该模型全面评估了反应面积（流道数量）、GDL接触角（均匀分布和梯度分布）以及操作参数对多平行流道PEMWE的关键性能指标（如极化性能和参数均匀性）的影响。结果表明，较大的反应面积
作者贡献声明
张超群：撰写——初稿、软件开发、实验研究、数据分析。杜晓航：实验研究、数据分析、方法论研究、资金筹集、概念构思。刘桂花：撰写——审稿与编辑、监督、方法论研究、资金筹集、概念构思。张少峰：撰写——审稿与编辑、方法论研究。李静德：撰写——审稿与编辑、监督、资金筹集、概念构思。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的竞争性财务利益或个人关系。
致谢
本研究得到了国家自然科学基金（编号22278109）的支持。
