PEM水电解池反应特性参数的三维模型数值模拟

郑金松，莫景科

(复旦大学 航空航天系，上海 200082)

氢可以作为清洁能源载体因其有望替代传统化石燃料能源受到各国研究人员的关注。质子交换膜(PEM)水电解池是一种可用于制氢的装置，与碱性水电解池、固体氧化物水电解池等其他制氢装置相比，具有制氢纯度高、效率高、结构紧凑等优点[1]。PEM 水电解池的性能受多种因素影响，包括温度、压力等物理参数、不同的流场、膜电极的性质和形态等。为了更好地理解质子交换膜电解的机理，提高其性能，近年来国内外研究者应用数值建模的方法，可以用更少的时间和成本预测结果，进而优化设计和实验。

在PEM 水电解池的建模研究之初，大多数研究主要集中在电化学与热力学相结合的方法上。Onda 等[2]首先对单层电解池进行了二维模型模拟，预测了电解池堆的性能，详细讨论了水电解反应的传热问题。Choi 等[3]建立了PEM 水电解池的一维稳态模型，发现阴极的还原动力学相对较快，而阳极过电位是电压降的主要原因。Marangio 等[4]利用Simulink研究了传质对浓差极化的影响。在以往的研究中，多数模型是采用CFD 方法来分析流场和多孔介质中的流动现象。Nie等[5]研究了PEM 水电解池平行流场的三维模型，利用FLUENT 计算了氢气/氧气在流场中的生成速率和分布。Olesen 等[6]建立了水电解池交指流场的二维模型，研究了不同化学计量数下流场、气体体积分数、温度与压力的情况。何旭等[7]通过有限体积法，分析了不同工况、不同多孔介质结构对氧气在流道中流动的影响。……