近日，氫能研究領域國際權威期刊INTERNATIONAL JOURNAL OF HYDROGEN ENERGY刊發了穩石氫能、華南理工電力學院與廣東省高效清潔能源利用重點實驗室聯合研發的成果。

陰離子交換膜水電解（AEMWE）作為前景廣闊的氫氣制備技術，其優勢在于可采用低成本堿土金屬作為電催化劑，并以低濃度堿性電解液甚至純水作為原料，在保持優異性能的同時大幅降低了運營成本。

但AEM技術的發展仍存在挑戰，包括氫氧根離子傳導性較低、在高pH條件下長期穩定性有限，以及膜降解機制如霍夫曼消除和親核取代。因此目前技術實驗研究主要集中在膜材料開發和非貴金屬催化劑的優化上。

相比之下，關于AEM電解的數值模擬研究仍處于起步階段。早期研究主要基于一維或簡化的穩態假設。例如，有研究人員開發了一維數學模型，用于分析電流密度、膜厚度和飽和度對過電勢的影響，但未考慮三維流體流動和物質傳輸中的空間異質性。雖然使用Aspen Plus軟件構建了堿性電解槽的熱力學模型，但該模型缺乏動態離子電導率變化等AEM特有參數。另有學者提出零間隙堿性電解槽的瞬態三維模型，但其結論僅適用于傳統堿性系統，未能涵蓋AEM配置。盡管這些研究為機理分析奠定了基礎，但AEM電解過程中涉及電化學反應、電荷/物質傳遞及溫度分布等復雜多物理場耦合問題，仍存在研究空白。

近年來，先進電化學（AEM）電解領域的研究重點已轉向三維建模與多物理場耦合技術。通過對比流場設計方案發現，具有高產氫率和均勻溫度分布的雙蛇形通道結構是AEM系統的較優選擇。針對多孔介質中的傳質過程，研究者深入開展了相關探索，并提出改進型達西-福克海默方程組，用以描述氣體擴散層中的兩相流行為。納夫奇團隊研究開創性地建立了雙蛇形流場的三維非等溫穩態模型，系統評估了溫度與陰極壓力對AEM電解槽的影響。該模型通過整合巴特勒-沃 爾默動力學、達西定律和菲克擴散理論，成功表征多孔介質中的傳質特性。

研究表明：溫度升高可降低歐姆電勢和活化過電位，使電流密度提升21.5 %；而陰極壓力增至20巴時，由于開路電壓升高和反應動力學減緩，導致性能下降13.6 %。這項研究填補了AEM電解三維建模領域的空白，為流場設計和運行優化提供了關鍵理論支撐。

本文重點研究了流道結構與關鍵參數對AEM電解槽性能的影響。本研究創新采用螺旋流道設計，規避了傳統AEM電解槽的轉角結構，并運用COMSOL Multiphysics軟件分析輸入電壓、溫度及陰極壓力對性能的影響。通過極化曲線、溫度壓力云圖及氫濃度分布圖的分析表明：在特定工況下，當溫度從40℃升至80℃時，電流密度提升19.1 %；而陰極壓力從1個大氣壓增至9個大氣壓時，電流密度則下降13.9 %。

研究證實螺旋流道通過降低壓差有效提升了反應效率，從而顯著緩解了高壓對系統性能的負面影響。與此同時，在研究范圍內的陰極壓力和溫度升高時，可以觀察到反應均勻性得到提高。

審核編輯 黃宇