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）在压滤式水电解槽乳突板内流动特性研究方面取得新进展，为水电解制氢技术的优化开辟了新方向。该成果以“压滤式水电解槽乳突板内的流动特性分析与优化”为题，发表于国内期刊《化工学报》。中国科学院过程工程研究所为通讯单位，杨宁、管小平担任通讯作者，博士研究生白谨豪为文章第一作者。该项目得到了国家重点研发计划项目(2023YFE0106600)；国家自然科学基金项目(22421003, 22178354)的支持。
    论文原文链接：https://hgxb.cip.com.cn/CN/10.11949/0438-1157.20240691

1. 研究背景

    在国家“双碳”战略背景下，将太阳能、风能等可再生能源先转化为电能，再进行电解水制氢是一条无碳排放、完全绿色的制氢技术路线，具有极大的发展潜力。压滤式电解槽是一种常用的碱性水电解槽，槽体由多个电解单元按规律叠压而成。电解槽内电解液的均匀分布对于提高电解效率至关重要，因为非均匀流场形成的流动死区会降低电极表面的离子和热量传递速率，从而增加活化过电位和浓差过电位。更严重的是，在流动死区，无法将产生于电极表面的H₂/O₂气泡带走，使得气泡在电极上聚集，导致活化过电位和欧姆过电位显著增加。因此，通过电解槽流道的设计优化来减少流动死区，可以提高热质传递效率，并有助于气泡从电极表面脱离，从而降低过电位，提高电解效率。
    针对这一关键问题，LCP-IC课题组创新性地提出了极板凹凸单元“中心密，两侧疏”的分布优化策略。为全面探究该策略的可行性与实际效果，课题组开展了一系列研究。首先，搭建了电解槽可视化实验装置平台，对传统乳突板内的流动特性进行研究，获取基础数据和现象，为后续优化设计提供参考依据。其次，设计了4组不同疏密结构的中试级乳突极板，CFD模拟了其形成的流道内的流动特性，并采用颗粒追踪方法研究了体系的停留时间分布规律，定量评估了内部流场的死区大小。

2.传统乳突板可视化实验

    为了研究极板流动特性，并验证模拟结果，搭建了一套乳突板可视化实验平台，如图1所示。实验分为三部分，包括控制系统、实验装置和采集系统。

图1. 碱性槽可视化实验装置平台            

    实验中，通过转子流量计控制自来水的流量。当水流进入极板并经过5分钟的稳定后，采用脉冲法瞬时注入20ml红墨水示踪剂或饱和KCl溶液，并使用摄像机和电导率仪记录数据。图2显示了不同时间不同流量下示踪剂云图分布情况，可以看出中心区域流速明显高于两侧近壁区流速，两侧存在明显的流动死区，随着时间推移，中心区域的示踪剂不断被水流带出，导致该区域的示踪剂浓度逐渐降低，形成浓度衰减。

图2. 不同时间不同流量下示踪剂实验云图

3.“中心密，两侧疏”凹凸单元分布策略

    从上面的结果可以看出，电解槽内碱液流动存在明显的非均匀现象，具体表现为中间碱液速度非常快，而两侧速度缓慢，存在明显的流动死区。针对上述问题，提出了极板凹凸单元分布采用“中心密，两侧疏”的优化策略，可以通过增加中心区域的流动阻力来促进流体的横向运动，从而提升两侧区域的流体流速，减小流动死区并改善流体分布的均匀性。图3显示了四种不同疏密分布的乳突板结构俯视图，红色圆点表示凹单元，黑色叉号表示凸单元。凹单元或凸单元间距离满足等差数列规律，即极板每列凹凸单元的距离从中心到边壁服从等差数列。引入距离增量  来表示相邻两列相同单元之间的距离差值。

图3. 四种不同疏密结构的乳突板示意图

    模拟结果表明，随着距离增量η的增大，中心区域速度明显变小，流体在极板上得到了很好的横向分散，尤其是距离增量η为7.5 mm，靠近壁面处速度得到明显提升，流场均匀性得到改善。定量分析也表明，“中心密，两侧疏”的凹凸单元分布可以改善流场均匀性、降低碱液返混、减小流动死区，其中流场均匀性相比均匀分布极板提高了27%，流动死区减少10%。

图4. 四种不同疏密结构的乳突板示意图

4. 总结

    LCP-IC课题组提出了极板凹凸单元分布采用“中心密，两侧疏”的优化策略。首先通过搭建的乳突板可视化实验平台，研究均匀分布凹凸单元乳突板流动特性，并用于数学模型验证。然后，设计了4组不同凹凸单元疏密分布结构的中试级乳突板，采用数值模拟方法研究极板的单相流特性，并耦合颗粒追踪算法定量表征流动死区。结果表明，“中心密，两侧疏”的凹凸单元分布可以改善流场均匀性、降低碱液返混、减小流动死区、并提高系统操作弹性。在距离增量为7.5mm时，流场均匀性较均匀分布极板提升27%，同时能减弱均匀分布极板存在的停留时间拖尾现象，流动死区减小10%，为极板凹凸单元分布优化提供了方向。