流道结构对零间隙二氧化碳电解槽的质量传输性能的影响

《Chinese Journal of Chemical Engineering》：Effect of flow channel structure on mass transport and performance of zero-gap carbon dioxide electrolyzers

通过三维多物理模型比较了蛇形、平行、指状和自由流道结构对零间隙二氧化碳电解槽性能的影响，发现蛇形流道因二次对流效应显著提升传质效率，使电流密度、过电位降低和法拉第效率提高，为优化电解槽流道设计提供了理论依据。

　　

丁辉|牛彦普|陶浩兰|丁旭星|刘洪来|连成

华东理工大学化学工程与低碳技术国家重点实验室及化学工程学院，中国上海200237

摘要

合理设计流道结构是优化电化学二氧化碳还原（ECO₂R）电解槽性能的关键途径之一，然而流道结构与二氧化碳电解过程中电解槽性能之间的相互作用机制尚不明确。因此，本研究使用三维多物理模型对四种典型流道结构（蛇形、平行、交错式和无流道）进行了数值模拟，以进行对比分析。研究结果表明，显著的二次对流效应可以有效提高反应物从流道到催化剂层的扩散效率，使得气体扩散电极内的二氧化碳浓度分布更加均匀。因此，由于蛇形流道的独特弯曲结构，在电流密度、过电位降低和法拉第效率方面表现更为优越。本研究为二氧化碳电解槽流道的设计提供了理论指导。

引言

电化学二氧化碳还原（ECO₂R）是一种将二氧化碳转化为高附加值化学品和燃料的新兴技术，为实现碳中和提供了潜在途径[1]、[2]。膜电极组件（MEAs）的广泛应用大大提高了催化剂的活性和选择性[3]。反应器流体力学已成为决定MEA系统性能的关键因素。双极板中流道的设计对于调节气体扩散电极（GDEs）的电解效率和运行稳定性至关重要[2]、[4]、[5]。与催化剂本身的性质不同，流道通过影响二氧化碳传输效率、电解质更新速率以及局部反应环境（例如pH值、离子浓度）[6]、[7]，在工程尺度上起着关键作用。

作为电化学系统中的重要组成部分，双极板的内部流道设计已广泛应用于燃料电池、流动电池和水电解槽中。在燃料电池中，流道确保了气体反应物（H₂/O₂）的均匀分布，提高了催化剂的利用率，并有助于产水的去除，从而维持活性三相边界[8]、[9]、[10]、[11]。在蛇形、平行和交错式三种常见的流道几何结构中，蛇形结构因其卓越的水管理和气体更新能力而占据主导地位，尽管较高的压力损失会降低能源效率[12]、[13]、[14]。流动电池中流道的优化旨在提高电解质传输效率和多孔电极内活性物种的均匀性。液相操作使得粘度和流速对压力损失和能源效率至关重要[15]、[16]、[17]、[18]。对于水电解槽，流道的设计用于在高电流密度下管理气体产物的去除。如果气体不能有效排出，快速的气体释放会产生局部高电阻区域，加剧不利的极化效应[19]。需要对流道进行几何修改，以促进气泡脱离并减少高电阻区域[20]、[21]。

最近的研究也表明，流道设计在二氧化碳电解槽的性能中起着至关重要的作用[22]、[23]、[24]、[25]、[26]、[27]。与燃料电池、流动电池和水电解槽相比，二氧化碳电解槽的流道设计由于多相传输和界面调控的挑战而更加复杂。ECO₂R系统的典型特点是阳极使用液态电解质，阴极使用气态二氧化碳。因此，阳极需要高效的电解质更新和气体释放，而阴极必须快速去除凝结的水分，以防止其在GDEs中积聚，从而阻碍二氧化碳的传输。因此，ECO₂R过程的流道应动态调节两相流动行为，并实现多尺度质量传输的协调，这突显了架构设计在电化学系统性能中的关键作用。多物理建模是实现二氧化碳电解槽流道合理设计的重要方法。然而，目前的ECO₂R建模主要使用一维或二维框架，重点关注MEA内的离子传输和多孔电极的性质[28]、[29]、[30]、[31]、[32]、[33]。这些模型忽略了三维流道结构在质量传输动力学中的关键影响。目前，大多数二氧化碳电解槽采用的流道设计借鉴了燃料电池、流动电池和水电解槽的经验，而没有系统地研究结构对二氧化碳质量传输的影响，这凸显了在二氧化碳电解槽流道设计方面缺乏基本理解。但最近，王等人[34]建立了一个三维全电池模型，比较了蛇形和平行流道，为优化局部流道结构提供了见解。然而，他们的研究仅限于对一种基本几何形状的修改。更重要的是，不同流道结构如何诱导电极内部对流以调节局部二氧化碳浓度分布的机制尚未得到充分探索。因此，需要系统研究结构如何影响质量传输，以解释流道在二氧化碳电解槽中的关键作用。

在这项工作中，我们在一个三维零间隙二氧化碳电解槽模型中进行了连续介质建模，分析了三种传统流道（蛇形、平行和交错式）以及无流道结构之间的性能差异。研究发现，引入流道后电流密度显著增加，其中蛇形流道的性能提升最为明显。此外，通过比较不同流道下的流体流动状态、压力分布和二氧化碳浓度分布，我们揭示了流道结构如何诱导二次对流从而提高质量传输效率的机制。蛇形流道在内部曲线几何形状上产生了持续的压力损失，从而引发了明显的二次对流。因此，蛇形配置在GDEs内提高了平均二氧化碳浓度和分布均匀性，使得这些流道中的电解槽性能最佳。

模型描述

零间隙二氧化碳电解槽的模型

如图1(a)所示，二氧化碳电解槽模型由双极板（BPs）、流道、气体扩散层（GDLs）、催化剂层（CLs）和阳离子交换膜（CEM）组成。双极板分为流道区域和肋状区域。为了评估不同流道配置下的性能，流道宽度、肋状宽度及流道数量保持不变。具体的几何参数总结在表S1中。

流道结构对速度分布的影响

流道中的高流速有助于反应物在电解槽内的快速分布，提高反应物向电极表面的传输速率，并减少催化剂层内的浓度梯度，从而缓解浓度极化现象。从图3(a)可以看出，四种流道结构之间的速度分布存在显著差异。蛇形结构的平均流速高于其他流道结构。

结论

本研究构建了一个三维多物理模型，用于比较分析蛇形、平行、交错式和无流道配置对二氧化碳电解槽性能的影响。结果表明，蛇形流道具有更优的质量传输性能，提高了催化剂层内的二氧化碳浓度均匀性，并增加了电流密度和法拉第效率。

CRediT作者贡献声明

牛彦普：撰写初稿、可视化、验证、方法论。陶浩兰：监督、软件开发、方法论、研究、数据分析、概念化。丁旭星：资源获取、资金筹措。丁辉：撰写初稿、可视化、验证、监督、软件开发、项目管理、方法论、研究、数据分析、概念化。刘洪来：资源获取、资金筹措、概念化。连成：

利益冲突

作者声明没有利益冲突。

利益声明

? 作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（22441030和22508113）和上海基础研究试点计划（22T01400100-18）的资助。