质子交换膜电解池传质性能优化及动态响应特性研究.pdfVIP

（工程硕士）

质子交换膜电解池传质性能优化及动态响应特

性研究

论文答辩日期：2023年5月25日

摘要

氢能作为一种二次能源，不仅具有高热值、低污染、来源广等优势，还可以为可再

生能源消纳提供新的解决方案，对实现碳达峰、碳中和具有重要的推动作用。氢的利用

要从制氢开始，在众多制氢方式中，质子交换膜电解水制氢以响应快、电流密度高等特

点受到了全世界的广泛关注。提高质子交换膜电解制氢效率，保证其运行过程中的安

全稳定性，是推动工业化应用的关键。本课题通过实验和仿真相结合的研究方法，对电

解池内部传质行为和动态响应特性进行分析，为质子交换膜电解池性能优化和制氢系

统设计提供理论基础。

本课题首先搭建了质子交换膜电解水制氢系统，对不同运行条件下电解池极化性

能进行了测试。结果表明，不同运行参数对极化性能是相互影响相互制约的，但温度变

化对极化性能的影响大于流量和供水方式的变化。由于实验测试难以对电解池内部气

液两相分布行为进行观测，因此根据运行过程中的物理化学现象搭建了三维、两相、非

等温电解池模型，分析了不同电压、温度和入口流速下的气液分布和温度分布特征，并

对高压电解条件下的传质特性和极化性能进行了研究。

为了提高电解池内部传质效率，基于已验证的单流道三维数值模型，对扩散层孔

隙率和流道凸台进行了优化。首先设计并分析了四种分段式梯度化和三种连续性梯度

化孔隙率对电解池内部物质传输过程的影响。结果表明：横向分段式孔隙率分布方式

对传质过程的影响大于纵向分布，但横向分段式孔隙率分布时电极表面气液两相分布

均匀性较差，而采用连续性孔隙率分布不仅可以解决横向分段式孔隙率分布造成的不

均匀问题，还可以进一步提高电解池极化性能。然后，对流道矩形凸台进行了优化，虽

然流道内添加凸台可以提高液态水传输效率，但也会增加流道进出口压力，凸台前斜

坡的设计虽然可以减小电解池进出口压力，但会加剧凸台后方的回流，而凸台后斜坡

的增加可以缓解前斜坡引起的回流，进一步提高电解池净功率。

通过光伏电解实验与瞬态仿真相结合，分析了连续性电压波动下电解池动态响应

变化。结果表明，电解池在长时间运行时，工作电流密度与波动电压协同变化；由于沿

流动方向液态水含量的变化，催化层表面不同位置处的液态水质量通量具有一定差异

性；在长时间的波动电压变化下，短时间的电压降低对质子交换膜温度变化影响较小。

关键词：质子交换膜电解池；系统效率；强化传质；动态响应；模拟仿真

I

广东工业大学硕士学位论文

Assecondaryenergysource,hydrogenenergynotonlyhastheadvantagesofhigh

calorificvalue,lowpollutionandwidesource,butalsocanprovidenewsolutionsfor

renewableenergyconsumption,whichplaysanimportantroleinpromotingcarbonpeakand

carbonneutrality.Theutilizationofhydrogenshouldstartfromhydrogenproduction.Among

manyhydrogenproductionmethods,protonexchangemembranewaterelectrolysishas

attractedworldwideattention,becauseofitsfastresponseandhighcurrentdensity.Improving

theefficiencyofprotonexchangemembraneelectrolysishydrogenproductionandensuring

itssafetyandstabilityduringoperationarethekeytopromote