螺旋流场设计对PEM电解槽性能影响的模拟研究

《螺旋流场设计对PEM电解槽性能影响的模拟研究》是一篇探讨新型流场结构在质子交换膜（PEM）电解槽中应用效果的学术论文。该研究聚焦于螺旋流场设计，旨在通过计算流体力学（CFD）方法对PEM电解槽内的气液两相流动、传质过程以及电化学反应进行系统分析，以评估其对电解效率和整体性能的影响。

PEM电解槽因其高效率、快速响应和低污染等优点，在绿色氢能生产中具有重要地位。然而，传统平面流场设计在实际应用中存在气体产物分布不均、水淹现象严重以及电流密度分布不均匀等问题，限制了其性能的进一步提升。因此，研究人员尝试引入新型流场结构，如螺旋流场，以优化内部流动状态，提高电解效率。

本文采用三维数值模拟方法，构建了包含电极、催化剂层和气体扩散层的PEM电解槽模型，并基于Navier-Stokes方程和Fick扩散定律对流体流动和物质传输进行了详细模拟。同时，结合电化学动力学模型，计算了电流密度、电压降以及氢气产率等关键参数，从而全面评估螺旋流场对电解槽性能的影响。

研究结果表明，螺旋流场能够有效改善气体产物的分布均匀性，减少局部水淹现象，提高气体产物的排出效率。此外，螺旋结构还能增强反应物（如水分子）向催化剂层的传输速率，从而提升整体的电解效率。与传统平面流场相比，螺旋流场设计在相同操作条件下表现出更高的电流密度和更低的过电位，显示出良好的应用前景。

在模拟过程中，研究者还分析了不同螺旋结构参数（如螺距、旋向和截面形状）对电解槽性能的影响。结果表明，适当的螺旋参数可以显著优化流场特性，进而提升电解槽的整体性能。例如，较密的螺旋结构有助于提高气体产物的排出效率，但可能增加流动阻力；而较疏的螺旋结构则可能降低流动阻力，但不利于气体产物的均匀分布。

此外，论文还探讨了螺旋流场设计对PEM电解槽耐久性和稳定性的影响。由于螺旋结构能够改善气液两相的混合状态，减少局部热点的产生，从而延长了电解槽的使用寿命。这一发现为未来PEM电解槽的设计提供了新的思路，也为实现高效、稳定的绿氢生产奠定了理论基础。

综上所述，《螺旋流场设计对PEM电解槽性能影响的模拟研究》通过系统的数值模拟方法，深入分析了螺旋流场结构对PEM电解槽性能的影响，揭示了其在优化气液两相流动、提升电解效率方面的潜力。该研究不仅为PEM电解槽的设计提供了科学依据，也为推动氢能技术的发展提供了重要的参考价值。