国际权威学术刊物刊发稳石氢能与华南理工研究成果，创新螺旋流道设计提升AEM电解槽性能。

近日，氢能研究领域国际权威期刊INTERNATIONAL JOURNAL OF HYDROGEN ENERGY刊发了稳石氢能、华南理工电力学院与广东省高效清洁能源利用重点实验室联合研发的成果。

阴离子交换膜水电解（AEMWE）作为前景广阔的氢气制备技术，其优势在于可采用低成本碱土金属作为电催化剂，并以低浓度碱性电解液甚至纯水作为原料，在保持优异性能的同时大幅降低了运营成本。

但AEM技术的发展仍存在挑战，包括氢氧根离子传导性较低、在高pH条件下长期稳定性有限，以及膜降解机制如霍夫曼消除和亲核取代。因此目前技术实验研究主要集中在膜材料开发和非贵金属催化剂的优化上。

相比之下，关于AEM电解的数值模拟研究仍处于起步阶段。早期研究主要基于一维或简化的稳态假设。例如，有研究人员开发了一维数学模型，用于分析电流密度、膜厚度和饱和度对过电势的影响，但未考虑三维流体流动和物质传输中的空间异质性。虽然使用Aspen Plus软件构建了碱性电解槽的热力学模型，但该模型缺乏动态离子电导率变化等AEM特有参数。另有学者提出零间隙碱性电解槽的瞬态三维模型，但其结论仅适用于传统碱性系统，未能涵盖AEM配置。尽管这些研究为机理分析奠定了基础，但AEM电解过程中涉及电化学反应、电荷/物质传递及温度分布等复杂多物理场耦合问题，仍存在研究空白。

近年来，先进电化学（AEM）电解领域的研究重点已转向三维建模与多物理场耦合技术。通过对比流场设计方案发现，具有高产氢率和均匀温度分布的双蛇形通道结构是AEM系统的较优选择。针对多孔介质中的传质过程，研究者深入开展了相关探索，并提出改进型达西-福克海默方程组，用以描述气体扩散层中的两相流行为。纳夫奇团队研究开创性地建立了双蛇形流场的三维非等温稳态模型，系统评估了温度与阴极压力对AEM电解槽的影响。该模型通过整合巴特勒-沃 尔默动力学、达西定律和菲克扩散理论，成功表征多孔介质中的传质特性。

研究表明：温度升高可降低欧姆电势和活化过电位，使电流密度提升21.5 %；而阴极压力增至20巴时，由于开路电压升高和反应动力学减缓，导致性能下降13.6 %。这项研究填补了AEM电解三维建模领域的空白，为流场设计和运行优化提供了关键理论支撑。

本文重点研究了流道结构与关键参数对AEM电解槽性能的影响。本研究创新采用螺旋流道设计，规避了传统AEM电解槽的转角结构，并运用COMSOL Multiphysics软件分析输入电压、温度及阴极压力对性能的影响。通过极化曲线、温度压力云图及氢浓度分布图的分析表明：在特定工况下，当温度从40℃升至80℃时，电流密度提升19.1 %；而阴极压力从1个大气压增至9个大气压时，电流密度则下降13.9 %。

研究证实螺旋流道通过降低压差有效提升了反应效率，从而显著缓解了高压对系统性能的负面影响。与此同时，在研究范围内的阴极压力和温度升高时，可以观察到反应均匀性得到提高。

审核编辑 黄宇