近日，中国科学院过程工程研究所低碳工业过程与智能计算课题组（LCP-IC）在高电流密度质子交换膜（PEM）电解水的多相流特性方面取得了新的研究进展。该成果以Proton exchange membrane water electrolysis at high current densities: Response time and gas-water distribution为题，在线发表于国际期刊《AICHE Journal》。中国科学院过程工程研究所为通讯单位，杨宁老师、管小平老师为通讯作者，博士研究生白谨豪、李子丰分别为文章的第一、第二作者，博后张璟昌老师为第三作者。该项目得到了中国科学院“洁净能源关键技术与示范”战略先导研究计划（XDA21000000）以及国家自然科学基金（21925805、22178354）的支持。
原文链接：https://doi.org/10.1002/aic.18223
研究背景
电解水制氢是实现可再生能源储能、双碳目标的一项重要技术。相比于碱性电解（ALK）、固体氧化物电解（SOEC）、阴离子交换膜水电解（AEM）等技术，PEM电解水具有宽负荷适应性、响应速度快，可在高压和大电流密度下运行等优点，因此对可再生能源波动性具有较强的适应性。但因为纯水电解过程中的强酸性条件，质子交换膜电解槽多由贵金属材质组成，成本较高，且目前商业化程度不够。为降低成本，高电流密度操作被认为是一种有效的方法，但这导致氧气气泡大量生成，堵塞多孔介质层（PTL），阻碍反应物水到达催化剂表面，同时覆盖催化剂活性位点，阻碍热量传递，从而降低电解效率。
图1. PEM电解槽阳极侧示意图
基于以上科学问题，LCP-IC课题组开发了一个耦合电化学、两相流动力学以及离子传输的多物理模型来研究高电流密度下PEM电解槽内的多相流及响应时间特性，并从多相流动的角度分析和解释高电流密度下性能恶化的原因，为电解槽设计和优化指明方向。
高电流密度气泡移除机制转变
研究结果表明，当系统的气含率较低时，减小PTL接触角，可有效移除气体，气含率降幅最高达15%。然而，当体系气含率较高，改变接触角，气体的移除特性基本保持不变。这表明在高气含率下（对应高电流密度），气体移除机制发生了变化。机理研究显示，在高电流密度下，靠近通道出口的地方气含率形成了一个逆梯度分布的抛物线形状，这意味着流道内的气含率高于PTL，阻碍了氧气的移除，导致气含率高度不均匀分布，并恶化电解性能。这是首次报道关于高电流密度下性能下降机制的研究。研究结果提示，调节流道内的流场（如加入挡板、涡流发生器等），特别是靠近流道出口的区域，是提高高电流密度电解性能的重要方面之一。
图2. PTL气含率在不同电流密度和接触角下随水流方向高度（Y轴高度）的变化
图3.不同高度和电流密度条件下气含率沿垂直水流方向（X方向）分布
系统响应时间随电流密度非单调变化
由于可再生能源本身的间歇性特点，电解槽的快速响应是系统的优化目标。针对响应时间的研究结果表明，系统响应时间随电流密度增大先减小后增大，呈现非单调变化规律，与多孔层内毛细力梯度负相关。这是因为毛细力梯度是气体扩散移除的主要驱动力，响应时间对毛细力的变化非常敏感。不同操作参数研究结果表明，不论是高电流密度还是低电流密度下，PTL润湿性对响应时间影响不大，而提高液速能使电解槽达到快速响应，这说明电解槽的动态响应过程由流道内流场结构主导。
图4. 操作参数对响应时间的影响
总结
LCP-IC课题组为PEM电解槽开发了一个多物理场模型，将Euler–Euler多相流与电势方程及电化学反应耦合，研究高电流密度下气泡移除机制及系统响应时间特性。结果表明，流道下游含率的逆梯度抛物线分布使得气泡无法有效脱除，恶化电解性能。除此之外，响应时间随电流密度的增加呈现非单调变化，意味着高电流密度下系统需要更长的响应。这一发现为电解槽流道优化及过程强化指明了方向。
