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）在碱性水电解槽多相流动调控研究方面取得新进展，为工业级绿氢制备装置的节能增效提供了新思路。

针对大尺寸碱性电解槽中固有的流动不均问题，本研究提出"中心密、两侧疏"梯度凹凸极板，通过几何单元的非均布排布重塑宏观流场。380 mm 中试电解槽上的实验结果表明，该设计可使整体气含率平均降低 15%、4000 A/m2 下电解效率提升 4.4%，且不更换活性材料、不改动电解槽主体，可由常规冲压直接在现有产线实现。

这一改进对绿氢平价化具有直接意义。电费占电解槽运行总成本 60% 以上，典型工业单耗约 4.5~5.0 kWh/Nm3 H2；在 0.3 元/kWh 的工业电价下，仅电力一项即贡献约 15~17 元/kg 的制氢成本，已接近当前灰氢的市场售价区间。电解效率每提升 1%，制氢成本即可下降约 0.16 元/kg；在千标方级电解槽连续运行（8000 h/年以上）的工业场景下，对应每年数十万元量级的单槽节电收益。本工作 4.4% 的效率提升相当于制氢成本降低约 0.7 元/kg，对规模化电解制氢装置的长期运行成本具有积极意义。

该成果以"A gradient-distributed concave-convex plate for enhanced performance in alkaline water electrolyzers"（梯度分布凹凸极板强化碱性水电解槽性能研究）为题，发表于国际知名期刊《International Journal of Hydrogen Energy》。中国科学院过程工程研究所为通讯单位，博士后白谨豪为文章第一作者，管小平、杨宁担任通讯作者。该项目得到了北京市自然科学基金（F261027）、国家重点研发计划项目（2024YFE0207900）、国家自然科学基金项目（22578457, 22421003, 22408374）的支持。

论文原文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0360319926016599

1导 读

多相流动行为直接决定了碱性水电解槽（AWE）内的传质效率、反应动力学与整体能耗。受圆形大极板和窄口入流几何的限制，工业级AWE电解液天然沿中轴通道优先流动，形成"中心高速、两侧滞止"的大尺度流动不均，而现有电极材料、隔膜及外场强化策略难以从根本上对此进行调控。针对这一痛点，本研究提出一种"中心密、两侧疏"的梯度分布凹凸极板结构，以被动几何设计主动重塑宏观流动分布。

为验证该结构在真实工况下的有效性，团队自主搭建了380 mm大口径透明化碱性电解槽可视化平台，将梯度极板从单相仿真推进到多相实测。借助红墨水脉冲示踪和气含率动态测量原位观测气液流动的空间分布与时间演化，同步记录极化曲线与瞬态电压响应，定量评估结构改进带来的电化学增益。

结果显示，梯度极板将示踪剂横向覆盖率由均布结构的约30%（中心射流）提升至接近100%（全截面平行流动）；整体气含率在低电流下降低26%，平均降低约15%；在4000 A/m2下电解效率相较均布结构提升3.0%（2 L/min）与4.4%（3 L/min）。该方案不改变电化学活性材料，不引入外场或额外能耗，仅依靠被动几何设计即可实现明显的节能增效，为大型工业AWE电解槽的低成本改造提供了一条可行路径。

图 1：均布极板与梯度分布极板结构对比（CAD 图 + 透明极板实物 + 装配体）

2研究背景

水电解制氢是构建未来绿氢能源体系的关键技术之一。在多种电解槽技术中，碱性水电解槽（AWE）凭借安全性好、工艺成熟、易于大规模部署等优势，已成为当前工业级绿氢生产最主要的解决方案。然而，随着工业级装置向大尺寸、高电流密度方向发展，电耗问题日益突出——电费占AWE运行总成本的近62%，已成为进一步降本的核心瓶颈。

多相流动行为对AWE性能具有决定性影响。均匀的电解液流动有助于抑制滞流区、减缓气泡堆积，从而为稳定高效的电化学反应创造条件。现有研究大多聚焦于电极材料、隔膜和操作参数的优化，或借助重力、磁场、超声等外场手段促进气泡脱离，但对极板结构所决定的宏观流动再分布关注较少。尤其是当电解槽向大直径方向放大时，受圆形极板和窄口入流几何的影响，电解液天然倾向于沿中轴通道优先流动，造成中心高速、两侧近乎滞止的严重不均。常规均布式结构改进难以从根本上缓解这种大尺度流动不均衡。

课题组前期基于CFD仿真提出了“中心密、两侧疏”的非均布凹凸极板设计，并在η = 7.5 mm时获得最优流动均匀性（Bai et al., 化工学报, 2025, 76(02): 584-595.）。然而，仿真结果是否能在真实电解条件下经受多相流动与电化学耦合的考验，仍有待回答。本工作正是为填补这一空白而展开。

3性能对比

3.1脉冲示踪：流场再分布的直接证据

通过在入口上游注入2 mL红墨水并用高速摄像机记录扩散过程，可直接观察极板内电解液的面内流动路径。无电解条件下，均布极板呈现出明显的“中心射流”形态：示踪剂仅沿中轴7列凸点扩散，约占30%的横向覆盖率，两侧近壁区完全无示踪剂到达，印证了电解液在低阻中心通道的优先流动。与此形成鲜明对比，梯度极板将示踪剂几乎铺满整个前区横截面，横向覆盖率接近100%，呈现出协调的平行流动形态，与前期单相仿真预测一致。

有趣的是，气泡对两种结构的作用方向截然相反。在均布极板中，中心区气泡生成带来额外流动阻力，示踪剂轴向推进反而变慢；而梯度极板中心凸点密集，气泡的出现进一步压缩空隙、形成局部射流效应，反而加速了轴向液体传输。

图 2：不同结构、不同电流下的红墨水示踪剂分布演化（1 L/min）

3.2气含率：结构对多相流的系统级调控

气含率的空间分布与时间演化直接决定传质、电极覆盖以及电化学效率。实验观察表明，阴极（氢侧）和阳极（氧侧）的气含率均随电流单调增加，并沿流动方向呈累积趋势。结构对氧侧的影响尤为显著：梯度极板能明显降低阳极侧气含率，使气液流型从均布结构中的“上部乳白色集中带”（分层模式）转变为“沿程逐步递增的渐变模式”，表明梯度结构有效加速了氧气输运路径、减缓了气泡滞留。

图 3：不同极板结构与电流条件下阴/阳极气液流动快照（1 L/min）

基于气液界面是否清晰可辨，本研究进一步总结出电解槽内存在两种典型的气体积聚形态：分层模式（下层透明、上层均匀乳白，存在明显气液界面）与渐变模式（沿流动方向气含率连续增加、无明显界面）。在中等电流下，均布极板更容易形成分层模式并伴随上部气体堆积，而梯度极板则倾向于呈现更有利于气泡输运的渐变模式。

图 4：两种气体积聚形态示意图（分层模式 vs 渐变模式）

定量数据显示：对比梯度与均布结构：在5~40 A范围内，梯度极板整体气含率始终低于均布极板，5 A处降幅达26%，平均降幅约15%；气含率增长速率亦比常规结构低约5.5%。

图 5：(a)(b) 不同流量与结构下的整体气含率；(c)(d) 坍塌过程液面的动态变化（DGD 法）

3.3电解性能与动态响应

极化曲线测量结果显示，梯度极板在相同电流密度下具有更低的电压，且优势随流量和电流的增大而扩大。在2.0 V下，梯度极板较均布极板输出电流密度提升约37%。以1.48 V热中性电压为基准计算的电解效率显示：在4000 A/m2下，梯度结构在2 L/min流量下使效率提升3.0%，在3 L/min下提升至4.4%。

图 6：不同流量下极化曲线及电解效率对比 (a)(c) 2 L/min, (b)(d) 3 L/min

4总结

本研究以380 mm大口径可视化碱性电解槽为平台，系统验证了“中心密、两侧疏”梯度分布凹凸极板在真实电解工况下的性能优势。核心结论如下：

（1）梯度结构显著改善单相与多相工况下的面内流动均匀性，将“中心射流”重塑为“全截面平行流动”；

（2）DGD测量显示整体气含率在低电流下降低26%，平均降幅约15%；

（3）宏观流动改善直接转化为电化学增益，4000 A/m2下2 L/min流量效率提升3.0%，3 L/min下提升至4.4%；

（4）该性能提升完全基于被动几何设计，不改变电极材料、不引入额外能耗，适合工业级AWE的低成本改造与新建部署。

5课题组前期电解水相关工作

本研究是课题组在电解水制氢多相流调控方向系列工作的最新进展。围绕AWE与PEM两类主流电解槽，课题组已从综述、基础机理、数值模拟、结构优化到实验验证持续推进。在PEM方面，先后完成了电解槽内多相流特性研究综述（Guan et al., Curr. Opin. Chem. Eng., 2024, 43: 100988），多孔传输层气液流动模拟研究（Zhang et al., Chem. Eng. Sci., 2024, 295: 120140），并针对高电流密度下的气泡移除机制与系统响应时间进行讨论（Bai et al., AIChE J. 2023, 69: 18223.），建立了PEM电解槽多尺度多相流的研究框架。

在AWE方面，课题组率先建立了380 mm压滤式乳突板电解槽的三维Euler-Euler多相流与电化学耦合CFD模型，系统揭示了多物理场耦合下的气含率分布、流型转变以及过电位组分随电压和流量的演化规律（Bai et al., Chem. Eng. J., 2025, 515: 163908.）。在此基础上，通过CFD仿真进一步提出"中心密、两侧疏"的非均布凹凸极板优化策略（Bai et al., 化工学报, 2025, 76(02): 584-595.）。

本次IJHE工作将该策略从“数值预测”推进至“大口径透明电解槽的多相实测”，不仅验证了前期仿真对流场均匀性预测的可靠性，也首次量化揭示了结构对气含率、电解效率和动态响应的系统级调控，构成了课题组仿真机理、结构设计、实验验证研究闭环的关键一环。课题组前期相关推送汇总如下，供感兴趣的读者扩展阅读：

① PEM电解槽内多相流特性研究进展综述  （综述类） 【https://www.mesolab.ac.cn/ktz/lcpic/xwzx/202312/t20231210_452651.html】

② PEM电解槽多孔传输层中气液流动模拟研究进展  （数值模拟）【https://www.mesolab.ac.cn/ktz/lcpic/xwzx/202405/t20240516_452678.html】

③ 高电流密度PEM电解水制氢气泡移除机制及系统响应时间研究新进展  （机理与动态响应）【https://mp.weixin.qq.com/s/uhqvJL3Sjk1lZacGd-hsvQ】

④ 化工学报｜“中心密两侧疏”策略赋能压滤式水电解槽，提升极板流动特性  （本文前期单相仿真工作）【https://mp.weixin.qq.com/s/SXvvJONpqVCLF4mVNjU7tg】