《International Journal of Hydrogen Energy》：Thermodynamic simulations for high-capacity hydrogen refueling stations for marine vessels
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碱性电解水槽流场设计对性能影响研究。通过3D两相非等温数值模型对比单-四通道蛇形流道，发现四通道设计可降低压力降约5.5kPa，提升氢气体积分数至0.147，优化温度分布均匀性，在333K和1atm条件下实现2.47A/cm2电流密度。研究为可扩展碱性电解槽堆设计提供新准则。
乌古尔·埃尔金（Ugur Ergin）|哈桑·杰利克（Hasan Celik）|阿布·贝克尔·A·易卜拉欣（Abou Baker A. Ibrahim）|塞尔根·图姆塞（Sergen Tumse）|戈克图尔克·梅姆杜赫·奥兹坎（Gokturk Memduh Ozkan）|古尔费扎·卡达斯（Gulfeza Kardas）|胡塞因·阿基利（Huseyin Akilli）
土耳其阿达纳市库库罗瓦大学（Cukurova University）工程学院机械工程系，邮编01330
摘要
阴离子交换膜（AEM）水电解器是一种具有成本效益的氢气生产技术。本研究利用三维、两相、非等温数值模型，探讨了不同流场设计对AEM水电解器性能的影响。这些设计包括单路径、双路径、三路径和四路径的蛇形流道，通过压降、H2体积分数、温度分布和电流密度进行了评估。模拟条件为：温度333 K，压力1 atm，KOH浓度1 M，流速100 mL/min，电池电位1.5–2.1 V。结果表明，单路径蛇形流道产生的压降约为12 × 104 Pa，流速为2.8 m/s，电流密度为2.47 A/cm2；四路径蛇形流道降低了压降（约5.5 kPa），提高了H2体积分数，并使热量分布更加均匀。本研究的结果有望为可扩展的AEM电解器堆栈提供新的设计指南，进一步改进传统的单路径蛇形或平行流场布局，并为下一代低成本、高效氢气生成技术的优化做出贡献。
引言
由于氢气具有高化学能量含量和零碳排放的特点，人们对将其作为新一代能源系统的兴趣正在迅速增长。因此，氢气的储存和运输被认为是许多国家（如欧盟的2030年净零碳目标）战略计划中平衡可再生能源间歇性生产的关键因素。水电解器是一种将电能转化为H2的重要技术。其中，碱性水和质子交换膜（PEM）水电解器最为成熟。尽管碱性水电解器是最早出现的创新技术，但PEM水电解器能提供更高的H2纯度，可在更高的气体压力下运行，并且所需安装空间更小。然而，PEM水电解器中使用的催化剂和材料价格昂贵。为了实现氢气的广泛应用，目前需要创新、低成本、高效且高性能的电解器技术。阴离子交换膜（AEM）水电解器结合了碱性水电解器和PEM水电解器的优点，为解决现有电解器存在的问题提供了有效方案。大多数关于AEM水电解器的研究采用实验和数值模拟方法进行。数值研究探讨了电化学反应、两相相互作用以及不同操作条件对性能的影响。因此，这种数值建模有助于深入理解系统的物理化学过程，为系统分析、控制和优化奠定基础。同时，结合流体流动的模拟还使研究人员能够分析和优化关键操作参数，如电解质浓度、操作温度和压力、电极间隙以及电流密度。验证数值和实验研究的结果对于确保模拟结果的准确性和可靠性至关重要。Vidales等人研究了温度、压力、膜厚度和KOH浓度对AEM水电解器性能的影响[1]，他们发现最佳操作温度为75°C，压力为1.8 MPa；较薄的膜和较高的KOH浓度可降低欧姆电阻并提升AEM水电解器的性能。Nafchi等人的研究通过数值和实验方法评估了电池温度和阴极压力对AEM水电解器效率的影响[2]，结果表明升高的电池温度可降低电池电压并提高性能，而较高的阴极压力则会损害性能。2024年，Lawand等人使用COMSOL软件进行了全面的3D数值模拟，评估了Raney? Ni ||X37-50RT || NiFe2O4配置、膜厚度、KOH浓度以及GDL内的两相流动对AEM水电解器性能的影响[3]，发现KOH浓度是最关键的因素，可使面积特定电阻（ASR）降低97%。通过研究气体析出和气泡形成，他们还发现气体分布显著影响AEM水电解器的性能。Tardy等人在2024年的研究中发现，当电流密度超过1 A/cm2时，10-100 mL/min的KOH流速显著提升了性能[4]，但在该条件下系统存在氢气产生不均匀的问题。这项研究强调了在AEM水电解器建模中考虑两相流动效应的重要性，尤其是在高电流条件下，气体析出会限制性能。
关于电解器流场配置的研究非常丰富，尤其是针对PEM水电解器[[5], [6], [7]]。文献中报道的常见流道配置包括平行流道、蛇形流道和交错流道。这些流道配置在电解质在活性区域的分布、两相相互作用和压降方面表现出不同的特性。然而，流道几何结构的复杂性要求制造精度较高，从而导致双极板（BP）成本显著增加。此外，在高电流密度下，传统的肋状流道可能出现气体积聚和质量传输限制，从而影响电池性能。将物理化学过程与流体流动相结合，使研究人员能够模拟和分析关键操作参数，如电解质浓度、操作温度和压力、电极性质以及催化剂层中的交换电流密度。因此，流场设计的优化研究应考虑制造的便捷性、压力平衡和气体去除效率。Toghyani等人通过数值方法研究了平行流道和单路径至四路径蛇形流道对PEM水电解器中温度分布、电流密度和压降的影响[8]，结果表明蛇形流道通过更均匀地分布气液混合物来改善质量传输；但路径数量增加会导致更大的压力损失。Wong等人通过数值和实验方法研究了流道几何形状对AEM水电解器性能的影响，比较了单路径蛇形流道、平行流道、针状流道以及一种结合了平行和蛇形流道优点的新型流道[9]。他们的新型流道设计在3D中进行CFD建模，证明了该设计能均匀化电解质流动分布，提高气泡去除率并降低压降。尽管这项研究有助于了解流场设计对AEM水电解器性能的影响，但仍需进一步研究其他流道配置（如双路径、三路径和四路径蛇形流道）以扩展现有数据。此外，在AEM水电解器系统中，膜的离子交换能力（IEC）和非铂族金属电极的交换电流密度与PEM水电解器中的不同，因此它们直接影响电化学反应速率和系统效率。因此，详细研究平行和蛇形流道几何形状对AEM水电解器中离子传输和气体去除的影响至关重要，这对于AEM水电解器的商业化和技术推广具有重要意义。
为填补上述空白，迫切需要进一步研究AEM水电解器的流场设计，以建立可靠的统一结论，为最佳设计选择提供依据。本研究通过探讨四种流道配置对三维非等温AEM水电解器电池中两相流动行为的影响，为AEM水电解器领域做出了贡献。通过建模，旨在了解流道设计的不同变化如何影响实际操作条件下的气泡行为、质量传输和整体电池性能。此外，这项研究将为优化流道配置提供宝贵见解，从而提高AEM水电解器的效率和效果。通过整合这些发现，可以开发出高效且低成本的AEM水电解器，推动氢气作为清洁能源载体的实际应用。
本研究的创新之处在于首次系统性地进行了三维、两相、非等温的数值研究，特别是针对AEM电解器的多路径蛇形流场设计（单路径、双路径、三路径和四路径）。与质子交换膜系统不同，阴离子交换膜电解器中电解质流动、OH?离子传输、气体析出和热特性之间存在严重耦合。通过明确解决这些相互作用，本研究展示了增加蛇形流道数量如何显著降低水力损失，改善气体分布的均匀性，并提高热管理效率，同时保持竞争力强的电流密度。研究结果为可扩展的AEM电解器堆栈提供了新的设计指南，进一步改进了传统的单路径蛇形或平行流场布局，并为下一代低成本、高效氢气生成技术的优化做出了贡献。
模型描述
AEM水电解器电池由阴离子交换膜（AEM）、催化剂层（CL）、气体扩散层（GDL）、带有流道的双极板（BP）和密封垫组成。这些组件构成两个半电池：阳极和阴极。在阳极侧，OH?离子从阴极通过聚合物AEM传输过来后被氧化生成水和氧气，并释放电子（公式（1））。这一反应称为氧析出反应（OER）。
压力分布
流场中的压降代表了水力阻力，是影响AEM水电解器性能的最重要流体动力学参数之一。流道入口处的相对较高压力有助于在流道内形成足够的压力梯度，从而促进电解质向电极表面的对流传输[31]，而压力则逐渐向出口方向减小。结论
本研究全面探讨了不同蛇形流道配置对AEM水电解器电化学性能、压力和温度分布的影响。在COMSOL Multiphysics环境中开发的三维、两相、非等温模型，并通过文献中的实验数据进行了验证，证明了其可靠性。根据研究结果：
作者贡献声明
乌古尔·埃尔金（Ugur Ergin）：撰写 – 审稿与编辑、撰写初稿、验证、软件使用、方法论研究、数据分析、数据整理。哈桑·杰利克（Hasan Celik）：撰写 – 审稿与编辑、撰写初稿、方法论研究、数据分析。阿布·贝克尔·A·易卜拉欣（Abou Baker A.Ibrahim）：撰写 – 审稿与编辑、撰写初稿、软件使用、数据分析。塞尔根·图姆塞（Sergen Tumse）：撰写 – 审稿与编辑、指导、概念设计。戈克图尔克·梅姆杜赫·奥兹坎（Gokturk Memduh Ozkan）：撰写 – 审稿与编辑、指导。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。致谢
本研究得到了土耳其库库罗瓦大学科学研究项目办公室的支持，项目编号为：FBA202517320。
