《Energy》：A nested convection-enhanced serpentine flow field for improving multi-physics distributions in large-scale proton exchange membrane electrolyzers
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质子交换膜电解水器大规模应用中存在多物理场分布不均问题，本研究提出嵌套式对流增强蛇形流场（NCESFF）结构，通过三维两相非等温模型对比分析NCESFF、常规蛇形（MSFF）和并行流场（MPFF）的性能。结果表明NCESFF显著抑制气体积聚，液态饱和均匀性提升5.02%，温度分布均匀性提高17.80%，且在低电压下由液态饱和主导的电流密度分布向高电压下温度主导过渡特性更优。
Tala Borjigin|冯晓|李旭新|王凯晨|廖志荣|徐超
华北电力大学能源动力与机械工程学院新能源储能技术实验室，北京，102206，中国
摘要
流场作为水和气体管理的主要区域，直接影响质子交换膜（PEM）电解器的多物理场分布和电解效率。在这项工作中，提出了一种用于大型PEM电解器的嵌套对流增强型蛇形流场（NCESFF）。采用三维、两相、非等温模型来模拟不同流场配置下的流动特性、多物理场分布和电解性能，从而全面评估NCESFF所带来的性能提升。结果表明，嵌套结构能够实现高效的水供应和快速的气泡去除，而对流增强的蛇形结构诱导了平面内的强制对流，增强了电解器内的质量传输。与传统的多蛇形流场（MSFF）和多平行流场（MPFF）相比，NCESFF有效抑制了肋条下方的气体积聚，减少了平面内的温度波动，并将液体饱和度的均匀性提高了5.02%和10.50%，温度分布的均匀性分别提高了17.80%和19.94%。此外，还揭示了大型PEM电解器中电流密度的演变规律，发现在低电压下电流密度分布主要受液体饱和度分布控制，而在高电压下则逐渐受温度分布控制。在不同电压下，NCESFF始终表现出更优的电流密度均匀性和更高的电解效率。
引言
化石能源的利用极大地促进了人类社会的社会经济发展，但也导致了严重的环境污染和气候变化[1]。在这种背景下，可再生能源被视为实现可持续发展的关键驱动力。然而，可再生能源的间歇性和不稳定性严重阻碍了其大规模和高效的应用[2]。作为一种零碳排放的清洁能源，并在工业过程和储能中具有广泛的应用前景，氢气受到了越来越多的关注[3]、[4]。在各种氢气生产技术中，通过可再生能源驱动的水电解产生的绿色氢气被认为是最有前景的途径[5]。水电解技术主要包括碱性电解、质子交换膜（PEM）电解、阴离子交换膜电解和固体氧化物电解[6]。其中，PEM电解具有响应迅速、操作灵活性高、适应电力波动能力强以及电流密度和效率高等优点，特别适合解决可再生能源发电的间歇性问题[7]。
作为生产高纯度绿色氢气的高效设备，PEM电解器的性能和稳定运行与内部多物理场的分布密切相关[8]。由于这些复杂场之间的强耦合，非均匀的多物理场分布是不可避免的。这种不均匀性不仅降低了运行效率，还显著缩短了关键部件的使用寿命，导致性能不可逆地下降[9]。在PEM电解器的组件中，流场板起着关键作用，它集成了水和气体管理、电流传导和机械支撑的功能[10]。其结构特性强烈影响内部多物理场的分布模式[11]。因此，流场板的结构设计对于协调多物理场分布、缓解局部极端条件以及提高电解器的整体性能和耐久性至关重要[12]。
PEM电解器中常用的流场结构包括蛇形、平行和交错结构[13]。在已发表的研究中，大多数结构改进都是基于这些传统设计进行的。例如，许多研究通过调整肋条通道宽度比[14]、[15]、优化通道纵横比[16]和几何形状[17]、[18]、[19]，以及引入挡板[20]、[21]、[22]或辅助通道[23]、[24]等策略，报道了多物理场分布和质量传输的改善。除了对传统流场的结构改进外，许多研究人员还开发了创新的流场设计[25]、[26]。尽管这些改进的流场结构在实验室规模的电解器中显著提高了质量传输、反应物分布和多物理场的均匀性，但它们在解决大型PEM电解器相关问题方面的有效性仍然有限，需要进一步研究。
与小型实验室电解器相比，大型电解器中多物理场分布的均匀性问题变得更加突出[27]、[28]。高效的水供应和快速去除生成的气体对于防止局部缺水、气体堵塞和热点现象至关重要[29]。因此，通过流场结构设计优化两相流的分布对于提高大型电解器的整体性能和运行稳定性尤为重要[30]。目前，大型PEM电解器的流场设计主要基于平行流配置，通过优化分布区和通道几何形状来改善水和气体管理。活性区域内平行通道的结构优化增强了平面内的流动，促进了活性区域内的质量传输，从而改善了反应物浓度分布，提高了整体质量传递性能[31]、[32]。同时，一个设计良好的分布区可以有效平衡横向和纵向流动，确保各个通道之间的水分布均匀，从而减少流场内的多物理场差异[33]、[34]。然而，随着通道长度的增加，平行流配置在水的连续传输过程中不可避免地会在物理场中产生明显的进出口差异。
总之，随着PEM电解器规模的增大，多物理场的不均匀性变得越来越严重，而在小型电解器中验证有效的流场设计在放大到大型电解器时往往无法达到相同的性能。为了解决这些挑战，本研究提出了一种嵌套对流增强型蛇形流场（NCESFF）。新的流场采用了嵌套结构设计，将较大的活性区域划分为十二个流场单元，实现了对每个活性区域的快速水分配，并减轻了大型电解器中的多物理场不均匀性。此外，每个流场单元都采用了徐等人最初提出的对流增强型蛇形流场结构[35]，以改善肋条下的质量传输，从而促进了各种物理参数的更均匀分布。为了评估NCESFF的性能，使用三维、两相、非等温模型获得了PEM电解器内的多物理场分布。将NCESFF与传统的多蛇形流场（MSFF）、多平行流场（MPFF）和嵌套蛇形流场（NSFF）进行了比较，四种流场配置的几何形状如图1所示。通过分析流动特性、液体饱和度分布、温度分布和电流密度分布，全面评估了NCESFF在电解器中的性能提升。
章节片段
几何设计
本研究中提出的嵌套对流增强型蛇形流场的详细结构如图2所示。该流场配置将PEM电解器200平方厘米的活性区域划分为十二个流场单元，采用嵌套排列。两个流场单元构成一个流场对，三个这样的流场对形成一个流场簇（每个簇包含六个单元）。然后通过组装两个簇来构建完整的嵌套流场。
结果与讨论
在本节中，分析和比较了四种流场配置（NCESFF、NSFF、MSFF和MPFF）的数值模拟结果。主要关注了1.9伏电压下活性流场（AFF）内的速度和压力分布，以及阳极氯气/PEM（ACL/PEM）界面处的温度、液态水饱和度和电流密度分布。此外，为了量化和比较不同流场的均匀性，引入了一个均匀性指数Uφ，其中较小的值表示更
结论
总之，流场设计优化了水和气体管理，是调节电解器内多物理场分布的关键方法。本研究提出了一种用于大型PEM电解器的嵌套对流增强型蛇形流场。采用三维、两相、非等温模型来模拟四种不同流场配置下的多物理场分布。
作者贡献声明
徐超：撰写 – 审稿与编辑、监督、项目管理、方法论、资金获取。廖志荣：监督、方法论。王凯晨：撰写 – 审稿与编辑、项目管理、资金获取。李旭新：撰写 – 审稿与编辑、研究。冯晓：撰写 – 审稿与编辑、研究。Tala Borjigin：撰写 – 原稿撰写、研究、数据分析、概念化
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财务利益或个人关系。
致谢
本工作得到了国家自然科学基金（U25B20169）和CPSF博士后奖学金计划（项目编号GZC20250421）的支持。
