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阳极流道沟槽结构对PEM电解槽性能影响研究

范磊 夏鹏 刁永发

范磊, 夏鹏, 刁永发. 阳极流道沟槽结构对PEM电解槽性能影响研究[J]. 上海工程技术大学学报, 2025, 39(2): 194-200, 208. doi: 10.12299/jsues.24-0049
引用本文: 范磊, 夏鹏, 刁永发. 阳极流道沟槽结构对PEM电解槽性能影响研究[J]. 上海工程技术大学学报, 2025, 39(2): 194-200, 208. doi: 10.12299/jsues.24-0049
FAN Lei, XIA Peng, DIAO Yongfa. Study on influence of anodic channel groove structure on performance of PEM electrolyzer[J]. Journal of Shanghai University of Engineering Science, 2025, 39(2): 194-200, 208. doi: 10.12299/jsues.24-0049
Citation: FAN Lei, XIA Peng, DIAO Yongfa. Study on influence of anodic channel groove structure on performance of PEM electrolyzer[J]. Journal of Shanghai University of Engineering Science, 2025, 39(2): 194-200, 208. doi: 10.12299/jsues.24-0049

阳极流道沟槽结构对PEM电解槽性能影响研究

doi: 10.12299/jsues.24-0049
基金项目: 国家重点研发计划项目(2021YFA1500904)
详细信息
    作者简介:

    范磊:范 磊(1996− ),男,硕士生,研究方向为质子交换膜电解槽仿真。E-mail:fanlei9376@163.com

    通讯作者:

    夏 鹏(1979− ),男,副教授,博士,研究方向为制冷与低温工程。E-mail:pxiazju@sues.edu.cn

  • 中图分类号: TQ116.2 + 1

Study on influence of anodic channel groove structure on performance of PEM electrolyzer

  • 摘要: 建立质子交换膜(proton exchange membrane, PEM)单电解槽传热传质两相流稳态模型,研究阳极流道中不同沟槽结构(三角形、齿形和雁形)对PEM电解槽性能的影响,探究沟槽深度、数量及间距等参数的影响。结果表明,在阳极流道中引入沟槽可改善电化学性能,增强传热传质,提高电解槽效率,且雁形沟槽优化效果最佳。在0.4 ~1.6 mm深度范围,0.8 mm对应的电解槽性能最佳。相较于常规流道结构,优化后电解槽达到相同电流密度所需的电势更低,阳极区域内水饱和度(体积分数)和氧气含量(体积分数)更佳,质子交换膜温度更低,电解槽性能得到提升。
  • 图  1  PEM电解槽基本结构示意图

    Figure  1.  Schematic diagram of basic structure of PEM electrolyzer

    图  2  单通道PEM电解槽结构示意图

    Figure  2.  Structure diagram of single-channel PEM electrolyzer

    图  3  网格无关性分析和仿真结果与试验对比

    Figure  3.  Grid independence analysis and comparison of simulation results and experimental data

    图  4  不同结构三维模型

    Figure  4.  Three dimensional models of different structures

    图  5  各结构性能随电压变化情况

    Figure  5.  Performance of each structure changes with voltage

    图  6  不同沟槽设计方案 x-y方向截面图

    Figure  6.  Cross sections of different trench design schemes along x-y direction

    表  1  物理参数表

    Table  1.   Physical parameters

    参数 符号 单位 数值
    工作温度 T K 353.15
    接触角 θ (°) 80
    双极板电导率 σBP S/m 20000[8]
    催化层电导率 σCL S/m 5000[8]
    扩散层渗透率 KGDL m2 10−12[8]
    催化层渗透率 KCL m2 10−13[8]
    阳极电荷传输系数 αa 0.5[8]
    阴极电荷传输系数 αc 0.5[8]
    法拉第常数 F C/mol 96485[10]
    通用气体常数 R J/(mol·K) 8.314[10]
    扩散层孔隙率 εGDL 0.5[12]
    催化层孔隙率 εCL 0.25[12]
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    表  2  PEM模型几何结构参数

    Table  2.   Geometric structure parameters of PEM model

    几何结构数值/mm
    电解槽长度50
    电解槽宽度4
    流道宽度2
    流道高度2
    双极板高度2.5
    催化层厚度0.05
    扩散层厚度0.3
    质子交换膜厚度0.178
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    表  3  沟槽深度对PEM电解槽性能的影响

    Table  3.   Effect of groove depth on performance of PEM electrolyzer

    沟槽深度/
    mm
    电势/V 阳极扩散
    层水饱和
    度/%
    阳极扩散
    层氧气含
    量/%
    质子交换
    膜最高温
    度/K
    阳极流道
    平均速度/
    (m·s−1)
    0.4 2.0919 57.13 54.22 354.97 0.1508
    0.6 2.0908 57.35 53.99 354.94 0.1559
    0.8 2.0895 57.49 53.86 354.89 0.1600
    1.0 2.0911 57.50 54.10 354.87 0.1623
    1.2 2.0917 54.74 56.74 354.93 0.1381
    1.4 2.0910 54.03 57.50 355.00 0.1357
    1.6 2.0921 53.78 57.79 355.04 0.1403
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    表  4  沟槽布置方案

    Table  4.   Groove layout programme

    沟槽布置
    方案
    沟槽深度/
    mm
    沟槽宽度/
    mm
    沟槽距入口
    宽度/mm
    沟槽间距/
    mm
    沟槽
    数量
    方案1 0.8 2 2 3 7
    方案2 0.8 2 3 4 6
    方案3 0.8 2 3.5 6 5
    方案4 0.8 2 3.5 9 4
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    表  5  沟槽间距和数量对PEM电解槽性能的影响

    Table  5.   Effect of groove spacing and number on performance of PEM electrolyzer

    沟槽布置方案 电势/V 阳极扩散层水饱和度/% 阳极扩散层氧气含量/% 质子交换膜最高温度/K 阳极流道
    平均速度
    /(m·s−1)
    方案1 2.0910 56.27 55.09 354.89 0.1636
    方案2 2.0891 56.47 54.89 354.92 0.1589
    方案3 2.0854 58.41 55.07 353.44 0.1547
    方案4 2.0873 56.28 52.97 354.95 0.1507
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出版历程
  • 收稿日期:  2024-03-04
  • 网络出版日期:  2025-09-30
  • 刊出日期:  2025-06-30

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