洁净煤技术

作者：张志银, 何文俊, 胡慧敏, 周富贵, 刘骞, 祁阳, 温昶

关键词：可再生能源,质子交换膜水电解,操作工况优化,数值模拟,多物理场仿真

传统的基于试验的水电解制氢过程研究方法受成本、安全性和观测手段等因素限制，难以揭示水电解过程多物理场微观特性和相互作用机制。数值模拟技术将实际物理系统转化为虚拟的数学模型，可实现水电解制氢的过程模拟和行为预测，推动电解槽运行工况优化、结构设计等方面的发展。使用了数值模拟和仿真方法对质子交换膜（Proton Exchange Membrane, PEM）水电解槽进行研究。为优化电解槽的操作工况，建立了三维PEM电解槽考虑电化学反应、流体流动、传热及两相流的多物理场仿真模型，对电解槽在不同输入电流密度工况下稳态运行时，工作电压、电解效率、氧气分布及温度分布情况进行了模拟计算，量化了电流密度、入口水温、入口水流速等操作工况对电解槽过电位和运行工作电压的影响，对入口水温、入口水流速工况进行了优化计算以降低工作电压，并结合试验对优化工况进行验证。结果表明：增大电流密度引起工作电压升高，低电流密度下（1.0 A/cm2），极化损失占主导；高电流密度下（2.0 A/cm2），欧姆和浓差损失的贡献提升。升高温度和增大流速都有助于降低工作电压，升高水温引起极化过电位上升和欧姆过电位下降，浓差过电位基本不变，总过电位下降；增大流速引起浓差过电位下降，极化过电位和欧姆过电位基本稳定，总过电位下降。然而，随着水温与流速的升高，带来的收益也会随之降低。同时调整水温和流速，流速≤0.2 m/s时，工作电压最小值对应的最佳水温为60 ℃；水流速>0.2 m/s时，最佳水温为70 ℃。

来源：2025年第8期

《洁净煤技术》期刊编辑部

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