碱性水电解中分段式多孔传输层(PTL)内部流动均匀性与压降特性的数值研究

《Results in Engineering》：Numerical study on internal flow uniformity and pressure characteristics of segmented porous transport layers for alkaline water electrolysis

　　

摘要：在碱性水电解(AWE)中，非均匀电解液流动会导致局部气泡积聚、欧姆电阻升高及热斑形成，从而降低电池效率与寿命。多孔传输层(PTL, Porous Transport Layer)决定了零间隙电池内的水力阻力分布，但传统均一孔隙率PTL面临流动均匀性与进出口压差(differential pressure)之间的固有权衡(trade-off)。本研究提出一种分段式PTL设计方案，即将不同孔径的商用泡沫镍瓦片(Ni foam tiles)按空间位置排布于电极平面内，在不增加额外加工工序的前提下缓解上述权衡关系。研究人员采用单相计算流体动力学(CFD)方法评估了三种构型——平面分段(planar segment)、轴向分段(axial segment)及双分段(dual segment)，并以流速不均匀系数(VNC, Velocity Non-uniformity Coefficient)量化流动均匀性。结果表明，三种分段构型相较单一粗孔PTL均改善了流动均匀性，相较单一细孔PTL均降低了压差；改善后的均匀性抑制了滞流区(stagnant zones)并减小峰值温差，直接缓解了热斑问题。由于该方法仅需瓦片组装而无化学处理或涂层工艺，其成本与时间优势随电池尺寸放大而增大，适于工业电堆级部署。

论文解读：碱性水电解分段式多孔传输层内流场均匀化与压降特性研究的CFD分析

一、研究背景与意义

传统碱性水电解(Alkaline Water Electrolysis, AWE)单体电池中，电解液经单侧进口射入流场后倾向于沿中心区域集中，边缘及近进口两侧形成滞流区(stagnant zones / dead zones)。滞流区内产气(H₂/O₂)气泡无法被及时带走而积聚，阻塞活性位点并提高欧姆电阻；同时滞流区对流换热能力差，反应热与欧姆热积累形成局部高温热斑(thermal hot spots)，损害隔膜与电极。在零间隙(zero-gap)结构中，紧贴电极的多孔传输层(Porous Transport Layer, PTL)引入分布式水力阻力，依据达西定律(Darcy's law)：ΔP/L = (μ/K)·u（式中μ为动力黏度，L为PTL厚度，K为渗透率permeability，u为表观速度superficial velocity），较细孔（低K）PTL可均化流速但显著增大进出口压差ΔP；较粗孔（高K）PTL压降低但无法消除中心射流偏向。全电池均一细孔PTL均匀性好但ΔP过大，对膜电极组件造成机械负荷并有气体渗透(crossover)风险，因此均匀性与ΔP之间存在固有的权衡(trade-off)。以往研究多聚焦于流道几何改型（凹凸双极板、分区点流道等），未从PTL本身平面内水力阻力空间分布入手。本研究由韩国能源研究院(Korea Institute of Energy Research) PEM Water Electrolysis Research Team开展，发表于《Results in Engineering》，提出仅通过组合商用不同孔径镍金属泡沫(Ni metal foam)瓦片进行空间分段排布，针对性在高流速区设高阻力（细孔PTL）、其余区设低阻力（粗孔PTL），以突破均一PTL的权衡极限，为大型AWE堆栈提供低成本、易装配的流动均化方案。

二、主要关键技术方法

研究人员建立三维不可压缩层流单相CFD模型（ANSYS Fluent框架），PTL域设为多孔介质并代入Darcy–Forchheimer动量源项；PTL渗透率K与惯性阻力系数由实验压差—流量数据线性拟合获得（R²>0.95）。定义面积加权流速不均匀系数VNC（Velocity Non-uniformity Coefficient，即面内速度相对均方根%RMS）定量评价均匀性。构建无PTL基准(Basic)、单一粗/中/细孔PTL及三种分段构型：平面分段（下半圆细孔+上半圆粗孔）、轴向分段（中心圆细孔+外围粗孔）、双分段（平面与轴向叠加分为六子区，分别赋予最细/中/最粗孔PTL）。网格独立性通过Grid Convergence Index(GCI)验证选取~4万单元网格。入口流量按热平衡对应电流密度0.2–0.8 A/cm²（5–20 mL/min），壁无滑移，出口静压为零，能量方程耦合求解温度场。参数敏感性分析考察孔径对比度(permeability ratio)及流量变化影响。

三、研究结果

4.1 与基本（无PTL）模型及单一PTL模型的比较

无PTL时VNC达46.18%，中心射流明显且边缘滞流；单一PTL随孔径减小（K减小）ΔP升高、VNC下降（粗孔VNC=22.27%/ΔP=28.90 Pa，细孔VNC=21.39%/ΔP=36.85 Pa），证实均一PTL存在均匀性—压降权衡。分段PTL可在二者间取得更优平衡。

4.2 平面分段(Planar segment)的效果

平面分段在进口侧（下半圆）布置细孔PTL耗散来流动量，上半圆粗孔降低整体阻力，VNC=21.79%，ΔP=32.56 Pa，低于单一中孔PTL之ΔP，仍具一定中心偏向但压降收益明显，适合压降受限工况。

4.3 轴向分段(Axial segment)的效果

轴向分段中心置细孔PTL抑制中心高速流并迫使流体径向扩展至外围，获最低VNC=14.69%；ΔP=35.20 Pa，高于平面分段但低于单一细孔PTL，是均匀性最优构型。

4.4 双分段(Dual segment)的效果

双分段将平面与轴向边界叠加，下中心区配最细孔、上左右配最粗孔、其余配中孔，VNC=16.05%，ΔP=34.32 Pa，均匀性优于平面分段、压降低于轴向分段，为折中优选。因平面边界引入沿流向不对称阻力梯度，轻微干扰轴向对称再分配致VNC略高于纯轴向构型。

4.5 分段模型对比及参数分析

三种分段均比单一PTL在同ΔP增量下获更大VNC降幅。孔径对比度存在最优值：固定粗孔K≈10^?8m²，调细/中孔K使粗:细K比=2.25时VNC最小(约13.72%)；过大会致中心过度抑制、流线外翻反而升VNC与ΔP。流量增大使VNC微降但ΔP近似线性升高（符合Darcy律），单从均匀性—能耗权衡看过量供液不利。温度场显示最大温差ΔT随VNC降低单调减小（Basic ΔT=16.37 K→轴向分段ΔT=11.26 K），证实消除滞流区强化对流换热可缓解热斑。

四、讨论与结论翻译

研究人员指出分段PTL概念仅需标准泡沫瓦片空间拼装，无需梯度孔隙率PTL之烧结/电镀/涂层工艺，成本与时间优势随电极面积放大而增强，适合大尺寸AWE工程应用。需注意本工作为单相假设，实际两运行下进气侧细孔区存气泡滞留可能削弱均匀性收益，后续将开展两相流—电化学耦合模拟与实验验证。

结论翻译：本研究通过单相CFD数值考察了碱性水电解池中空间分段多孔传输层(PTL)对电解液流动均匀性、压差及温度分布的影响。无PTL基准中电解液沿中心轴线集中，VNC最高；引入均一单层PTL可降低VNC但按达西定律以升压差为代价。三种分段构型——平面、轴向及双分段——均比任一均一PTL更有效地协调该权衡：轴向分段获最大均匀性改善但ΔP增幅最大，平面分段优先降压差，双分段居中。参数分析确认存在最佳孔径对比度，超出此值流动校正效应反转并同时升高VNC与ΔP。流量增大仅微降VNC却显著升ΔP，单相假设下过量供液均化收益递减。流动均匀性提升直接缓解热斑：随各构型VNC降低，最大温差单调递减，轴向分段因最低VNC具最小峰值温差，证实结构流动校正是防护电极与隔膜热退化之有效策略。工程上分段PTL方案以低成本、快装配且具规模放大优势，适宜大型AWE部署。