高压质子交换膜电解制氢发生器的电解槽流道优化及传质强化机制

     高压质子交换膜（PEM）电解制氢因产物纯度高、响应速度快等优势，成为绿氢制备的关键技术路径，而电解槽流道作为反应物传输与产物排出的核心通道，其结构设计直接影响传质效率、电解效率及系统长期运行稳定性。本文针对高压工况下PEM电解槽流道内存在的反应物分布不均、产物氢气滞留导致的传质阻力增大等问题，开展流道结构优化与传质强化机制研究。系统设计了蛇形、平行、交指型及新型仿生流道结构，通过数值模拟与实验验证相结合的方法，分析了流道尺寸、截面形状、脊宽/槽宽比及导流结构等参数对高压工况下反应物传输、产物脱附及电流分布均匀性的影响规律；借助原位可视化技术与传质动力学模型，深入揭示了不同流道结构的传质强化机制，明确了高压环境下“流道结构-流体动力学特性-传质效率"的内在关联。研究结果表明，优化后的仿生分形流道可有效降低高压下的传质阻力，提升反应物利用率与电解效率，在3 MPa高压工况下电解效率较传统蛇形流道提升8.5%以上。本文研究为高压PEM电解制氢发生器电解槽的高效设计提供了理论依据与技术支撑，对推动高压PEM电解制氢技术的规模化应用具有重要意义。

一、引言

      在“双碳"目标驱动下，氢能作为清洁高效的二次能源载体，成为能源结构转型的关键方向。高压氢气因适配储存、输运及终端应用环节，可大幅降低额外压缩环节的能耗与成本，是绿氢产业化的核心发展方向。电解水制氢是绿氢制备的主流技术路径，其中质子交换膜（PEM）电解制氢凭借宽负荷调节范围、秒级动态响应速度及高产物纯度等优势，尤其适配风光等可再生能源的波动性电力，已成为高压制氢领域的研究热点。

      电解槽是PEM制氢发生器的核心部件，而流道作为反应物传输与产物排出的关键通道，其设计合理性直接决定系统的传质效率、电解效率及长期运行稳定性。在高压工况下，流道内易出现反应物分布不均、产物氢气滞留、浓差极化加剧等问题，同时氢气反渗风险增加，不仅降低制氢效率，还存在安全隐患。因此，开展电解槽流道优化设计，强化高压工况下的传质性能，是提升高压PEM电解制氢发生器综合性能的关键突破口，对推动其规模化工程应用具有重要现实意义。

二、高压PEM电解制氢发生器流道技术现状

2.1 主流流道结构及特性

      当前高压PEM电解槽常用的流道结构主要包括蛇形、平行、交指型三类传统结构及近年来发展的仿生流道等新型结构。蛇形流道因结构简单、加工难度低，在早期PEM制氢设备中应用广泛，但其流道阻力较大，在高压工况下易出现产物堆积现象。平行流道阻力较小、压力损失均匀，但反应物分布易不均，尤其在大面积电解槽中表现更为突出。交指型流道通过强制流体穿过气体扩散层实现传质强化，气泡脱附效果优异，但较高的压力损失限制了其在高压场景的适配性。

      新型仿生流道基于自然界分形、叶脉等结构设计，具备流道阻力均衡、反应物分布均匀及传质效率高等优势，成为高压工况下的优选方向。但此类流道结构复杂，对加工精度要求高，传统冲压与机加工工艺难以满足公差控制需求，制约了其规模化应用。

2.2 流道加工工艺发展

      流道加工工艺直接影响流道尺寸精度与结构一致性，进而影响传质效率与电解槽性能稳定性。传统加工工艺如冲压、机加工存在精度低、材料应力大等缺陷，难以适配钛等敏感材质及复杂流道结构。超高精度蚀刻工艺凭借微米级控制能力（公差可稳定在±0.015mm）、无应力加工特性及柔性化生产优势，成为高压PEM电解槽双极板流道加工的主流技术。例如，卓力达采用蚀刻工艺实现复杂三维流道的精准成型，通过优化流道结构使电解效率提升至75%以上；金泉益凭借蚀刻工艺实现98%以上的良率，已批量交付超10万片PEM电解槽钛极板，支撑GW级绿氢项目需求。

2.3 高压工况下的核心技术瓶颈

      高压工况为流道系统带来多重技术挑战：一是传质阻力增大，高压环境下气体溶解度变化导致反应物传输速率降低，产物氢气排出受阻，浓差极化加剧，显著降低电解效率；二是氢气反渗风险提升，高压差驱动下氢气易通过质子交换膜渗透至阳极，不仅造成氢气损失，还可能与氧气发生反应引发安全隐患；三是流道结构适配性不足，传统流道难以平衡高压下的传质强化与压力损失控制需求；四是加工与材料成本高昂，高压工况对双极板材质（如钛合金）及流道精度要求严苛，核心材料进口依赖度高，推高了设备成本。

三、流道优化设计与传质强化机制

3.1 优化设计方法

      本文采用数值模拟与实验验证相结合的方法开展流道优化研究。通过计算流体力学（CFD）建立高压工况下的流道-电极耦合模型，模拟不同流道结构下的流体动力学特性、反应物分布及产物传输过程，初步筛选结构参数；基于模拟结果制作流道样品，搭建高压PEM电解制氢实验平台，通过原位可视化技术观测流道内的气泡行为与传质过程，验证优化方案的实际效果。

3.2 关键优化参数分析

      流道优化的核心参数包括流道尺寸、截面形状、脊宽/槽宽比及导流结构等。流道尺寸方面，减小流道宽度可提升流体流速，强化传质效果，但会增加压力损失，需在高压工况下找到平衡；截面形状对比研究表明，半圆形截面相较于矩形截面，可减少流体滞留死角，提升气泡脱附效率；脊宽/槽宽比直接影响电极与双极板的接触面积及流体流通面积，研究发现当脊宽/槽宽比为1:1.2时，可实现电流分布均匀性与传质效率的平衡；在流道内增设微凸台等导流结构，可产生湍流效应，打破气泡边界层，进一步强化传质。

3.3 新型仿生分形流道设计及传质机制

      基于传统流道的不足，本文设计了一种新型仿生分形流道，其结构模拟叶脉分支特性，通过多级分流实现反应物的均匀分配。该流道的传质强化机制主要体现在三个方面：一是分形结构使流体在高压下仍能保持均匀流速，避免局部反应物匮乏；二是多级分支流道增加了流道表面积与流体扰动，促进气泡脱离与排出，降低传质阻力；三是流道阻力分布均衡，可减少高压工况下的压力损失，提升系统能效。

四、实验验证与结果分析

4.1 实验平台搭建

      搭建高压PEM电解制氢实验平台，核心组件包括定制化电解槽、高压电源系统、气体收集与分析系统及原位可视化观测装置。实验采用钛合金双极板，分别加工传统蛇形流道与优化后的仿生分形流道样品，膜电极选用国产高稳定大面积膜电极，电解液为去离子水，实验压力范围为0.5-3 MPa，电流密度为1.0-2.5 A/cm²。

4.2 实验结果与分析

      实验结果表明，在相同高压工况下，仿生分形流道相较于传统蛇形流道具有显著优势：在3 MPa高压、2.0 A/cm²电流密度下，仿生分形流道的电解效率达到78.2%，较传统蛇形流道提升8.5%；反应物利用率提升10%以上，浓差极化损失降低15%-20%；通过原位可视化观测发现，仿生分形流道内气泡尺寸更小、脱附频率更高，无明显产物滞留现象。

      不同压力工况下的性能对比显示，随着压力升高，传统蛇形流道的电解效率下降速率明显快于仿生分形流道，表明优化后的流道结构更适配高压工况，传质稳定性更强。同时，仿生分形流道的氢气纯度始终保持在99.999%以上，未出现明显氢气反渗现象，验证了其在高压工况下的运行安全性。

五、工程应用前景与技术展望

5.1 工程应用价值

      优化后的仿生分形流道及配套的高精度蚀刻加工工艺，可有效提升高压PEM电解制氢发生器的综合性能。在规模化应用中，该技术可降低单位制氢能耗，提升设备运行稳定性，结合国产化核心材料替代进程，有望进一步降低设备成本。例如，在大安风光制绿氢合成氨一体化示范项目中，采用优化流道设计的“氢涌"PEM制氢装备，实现出氢压力1.7 MPa、直流电耗低于4.6 kWh/Nm³的优异性能，充分验证了流道优化技术在工程应用中的可行性。

5.2 未来发展方向

      未来高压PEM电解制氢发生器流道技术的发展将聚焦以下方向：一是多场耦合优化，结合电、热、流多物理场仿真，实现流道结构与电解槽整体设计的协同优化；二是智能化流道设计，基于机器学习算法，实现流道结构的个性化定制与快速迭代；三是低成本化技术突破，开发新型低成本耐腐材料及高效加工工艺，推动核心部件国产化替代；四是高压力等级适配，针对20 MPa以上超高压工况，开发兼具传质强化与安全防护功能的新型流道结构；五是系统集成优化，实现流道设计与热管理、智能控制等系统的深度耦合，提升设备整体能效与可靠性。

六、结论

     高压PEM电解制氢发生器的流道结构设计是影响其传质效率与电解性能的关键因素。本文通过数值模拟与实验验证相结合的方法，系统研究了不同流道结构及参数对高压工况下传质性能的影响，设计的新型仿生分形流道可有效解决传统流道在高压下的传质瓶颈。实验结果表明，该流道在3 MPa高压工况下可使电解效率较传统蛇形流道提升8.5%以上，显著提升了反应物利用率与运行稳定性。

      高精度蚀刻工艺为复杂流道的精准加工提供了技术支撑，结合流道优化设计，可进一步提升高压PEM电解制氢设备的综合性能与经济性。未来通过多场耦合优化、智能化设计及国产化替代等技术突破，有望推动高压PEM电解制氢发生器的规模化应用，为绿氢产业发展提供核心技术支撑。

产品展示

      SC-HPH高压氢气发生器是针对制药､精细化工､高校科研等行业研发的一款紧凑型实验室仪器;采用质子交换膜(SPE)电解制氢,直接电解纯水,无需增压泵,经过多级净化,得到高压高纯氢气｡仪器内置多个高灵敏度压力､温度､液位传感器，结合嵌入式操作系统，使维护更简便,使用更安全,操作更友好,可替代氢气钢瓶｡

产品特点：

 电解纯水制氢,无需加碱,纯度高达99.999-99.9999%

 4.3寸LCD触摸屏,显示各种运行参数,压力流量一体式控制算法,自动化程度高

可自动补水,自动净化水质,氢气泄露及高压报警,安全系数高

固态电解槽,贵金属催化剂,寿命长,高压下不变形,不漏水

    SPE电解制氢技术是通过直接电解纯水产生高纯氢气（不加碱），电解池只电解纯水即可产氢。通电后，在电解池的阴极产氢气，阳极产氧气，氢气进入氢-水分离器进行气液分离。氧气排入大气。氢-水分离器将氢气和水分离。氢气进入干燥器除湿后，经稳压阀、调节阀调整到额定压力由出口输出。电解池的产氢压力由传感器控制在设定值，当压力达到设定值时，电解池电源供应切断；压力下降，低于设定值时电源恢复供电产氢，维持压差，维持氢气稳压稳流持续输出。