张泽新|孙国琴|杨帅|康伟|余天添|王晓雪|谭慧|邓战峰
北京工业大学机械与能源工程学院，北京，中国
摘要
在电解槽中，具有流道结构的流场板可能导致扩散层与膜电极之间的接触不足。通过改变外部载荷、流场板的流道比例以及流道数量，利用ABAQUS软件分析了这些因素对扩散层与膜电极之间间隙的影响。建立了一个包含力、热、质量、电多物理场的电解槽反应区模型，该模型考虑了气体扩散层的压缩变形以及扩散层与涂有催化剂的膜之间的间隙。通过多物理场仿真分析进一步验证了合理增加流场板的流道比例和流道数量可以提升电化学性能。
引言
质子交换膜（PEM）电解槽是一种将电能高效转化为绿色氢能的装置。PEM作为水电解中的关键材料，既能传导质子，又起到电子绝缘体和反应物屏障的作用。在PEM的中等导电效应下，水通过电解产生氢气和氧气[1]。PEM电解槽具有高能量效率、氢气纯度高、响应速度快且易于调节等优点，并且可以利用风能和太阳能进行驱动，使其成为从可再生能源生产氢气的理想选择[[2], [3], [4]]。PEM电解槽的核心组件包括端板、气体扩散层（GDL）、涂有催化剂的膜（CCM）和流场板。在电解过程中，水分子在阳极失去电子形成氧气和质子[5]。质子通过PEM迁移到阴极并与电子结合生成氢气[6]。
气体扩散层是PEM电解槽中的关键组件之一，其主要功能是进行质量传递和热量传递，同时还具有结构支撑作用，以抵抗电解槽组装过程中施加的载荷[7]。阴极区域常用的气体扩散层材料是碳纸和碳布，因为金属更容易发生氢脆[8]。而阳极区域则需要耐氧化和耐腐蚀的材料，通常使用钛毡[9,10]。在压缩作用下，GDL会发生变形，这会影响其气体传输性能和导电性。Chang等人[11]对常用的GDL碳纸材料进行了压缩实验，发现渗透率随压力增加而降低，接触电阻也随之增加。Nitta等人[12]将GDL与流场板一起压缩，发现流道下的GDL几乎保持初始厚度，而无流道下的GDL孔隙率随压缩厚度减小而减小。许多学者使用数值仿真来计算GDL参数。Zhang等人[13]采用有限元方法计算了不同压缩比下不同GDL材料的电导率和孔隙率等结构参数。Randrianarizafy等人[14]提出了一种修正方法来计算GDL的孔隙率和导电性，即随着GDL厚度的减小，孔隙率降低，导电性通过未受压和受压值之间的插值来确定。Liu等人[15]基于蒙特卡洛仿真方法和有限元分析方法，研究了流场板的尺寸误差以及流场板与GDL之间的接触结构对两者接触性能的影响。
一些研究探讨了流场板与GDL之间接触结构的优化。Liu等人[16]采用解析方法优化了流道几何形状，以减少氢气GDL的变形和应力集中。Pan等人[17]通过串联多个电阻的方法阐明了传输-反应相互作用，指出通过调整质量传递面积和系数可以提升传输能力，并据此确定了最佳流道宽度。Taymaz等人[18]考虑了组装应力对GDL变形的影响，并结合有限元分析和计算流体动力学方法分析了组装应力对PEM燃料电池性能的影响。
此外，变形还可能影响GDL与CCM之间的接触状态，从而在两者之间产生间隙，进而影响电解槽的电子传输和氢气生产性能。Ramani等人[19]使用多物理场有限元模型研究了PEM与气体扩散层之间的空隙。Liu等人[20]和Chen等人[21]通过电子显微镜扫描同样发现了GDL与CCM之间的分层现象。上述研究主要研究了GDL的参数变化或发现了分层现象[22]。Zhang等人[23]利用COMSOL软件建立了二维两相PEMFC模型，耦合了固体力学、热传递、传输和电化学，得到了不同压缩比下GDL的几何变形以及应力和应变分布，然后将这些与GDL相关的传输性能表达为材料变形函数，用于后续的电化学仿真。Cao等人[24]利用耦合的GDL变形和PEMFC多场模型模拟了不同压力下GDL孔隙率对PEMFC性能的影响。Xu等人[25]开发了二维质子交换膜水电解槽（PEMWE）模型，研究了不同物理和操作参数下电解槽的性能。Zhang等人[26]提出了二维三维PEMWE模型，研究了电解温度和流动方向对电解性能的影响。
在PEM电解槽中，膜是传导质子和分离电极的关键组件[27]。实际使用中，膜会受到多种外部和内部载荷的影响，包括电解槽夹紧、吸湿膨胀、热膨胀和加压操作[28,29]。这些载荷会导致膜产生机械应力，可能导致膜裂纹、针孔[29,30]、变薄和屈曲[31]等损伤。特别是在流场板反应区的流道下方，由于膜未紧密夹紧，膜容易明显膨胀，导致该区域的膜电极无法正常工作。Kink等人[32]研究了膜边缘与GDL之间的间隙对膜变形、应力和应变能密度的影响，考虑了膜夹紧、膜膨胀和塑性变形等因素。Kundu等人[33]在干燥和湿润条件下对Nafion膜进行了动态力学扫描，发现水合作用降低了膜的机械性能和杨氏模量、屈服强度。Huang等人[34]通过扫描电子显微镜（SEM）观察了200小时电解测试后阴极催化剂层的表面形态，发现催化剂层表面有许多凹陷。
本研究旨在探讨流道比例和流道数量对PEM电解槽中CCM与气体扩散层之间间隙的影响。通过改变这些结构组件的尺寸，探讨了它们在间隙形成中的作用。在多物理场仿真中，考虑了气体扩散层（GDL）的压缩变形效应，以更真实地模拟接触面积变化对电化学性能的影响。
部分内容摘录
膜电极的微观形态分析
气体扩散层和CCM在电解槽中都起着至关重要的作用，它们的质量和性能将直接影响整个系统的运行效率和寿命。然而，在电解槽组装完成后，CCM和气体扩散层会局部受到外部力的作用。由于膜膨胀和蠕变等因素，CCM在对应于流场板流道区域及其周围边缘处会出现凸起或皱纹。
电化学性能
上述结果分析了组装载荷、流道数量以及流道与陆地比例对间隙的影响，并确定了小间隙和大接触比例的最佳方案。为了验证这些方案，评估了不同组装载荷、流道数量和流道比例对电解槽电化学性能的影响。
讨论
仅通过机械分析仿真和电化学仿真来确定最佳的陆地和流道尺寸范围并不一定可行。例如，在流道比例的仿真中，陆地比例越大，接触面积越大，膜的受力条件改善越明显。电化学仿真无法替代电化学实验，需要结合多种分析方法。
结论
为了解决PEM水电解槽中CCM与GDL接触不足的问题，本研究构建了电解槽反应区的静态模型和压缩变形后的电化学模型，分析了外部载荷、流场板的流道比例和流道数量对反应区结构组件的机械性能以及电解槽电化学性能的影响。
作者贡献声明
张泽新：撰写——原始草稿、可视化、验证、方法论、正式分析。
孙国琴：撰写——审阅与编辑、监督、方法论、研究、正式分析。
杨帅：可视化、数据整理。
康伟：资源获取、项目管理、研究。
余天添：可视化、研究。
王晓雪：验证、研究。
谭慧：验证、资源协调。
邓战峰：监督、资金获取、概念构思。
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
本研究得到了SGCC科学技术基金会（“百千瓦级PEM电解制氢转换器关键技术研究”，项目编号5419-202317651A-3-2-ZN）的财政支持。
