基于水电解制氢的梯度多孔传输层中气液流动可视化实验研究

作     者：刘志鹏 赵长颖 吴睿 张智昊 LIU Zhipeng;ZHAO Changying;WU Rui;ZHANG Zhihao

作者机构：上海交通大学机械与动力工程学院上海200240 

出 版 物：《化工学报》 (CIESC Journal)

年 卷 期：2024年第75卷第2期

页      面：520-530页

核心收录：

学科分类：081702[工学-化学工艺] 0817[工学-化学工程与技术] 0806[工学-冶金工程] 08[工学] 0807[工学-动力工程及工程热物理] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 0703[理学-化学] 

主　　题：水电解 多孔传输层 梯度结构 制氢 气液两相流 

摘      要：在电解水制氢的过程中,多孔电极内的孔隙会发生气泡阻塞现象,这会妨碍气体扩散以及电解液在多孔电极内的流动,从而导致电极传质电阻的增加,进而影响电解水制氢的速率和能耗。采用3D金属打印技术制备了LSL-PTL、MMM-PTL和SLS-PTL三种规则的镍铁合金电极扩散层,进行了可视化的水电解实验,定量地记录了不同电流密度下梯度多孔传输层中气液两相流动的变化,包括气泡形态、孔隙含气率和气泡脱离速率等参数,研究扩散层梯度对气液传质过程的影响,并分析了不同电极梯度结构对电解过程中阻抗和过电位的影响。实验结果显示,与SLS-PTL和MMM-PTL相比,LSL-PTL的梯度结构从催化层即逐渐增大孔隙尺寸,始终保持较低的容积含气率,可以加速气泡在扩散层中的迁移,使气液交换更加频繁,有效减小气液传质阻力,并获得更低的传质阻抗和电解过电位,三种梯度电极在相同电流密度下的电解电势关系为ELSLE_(MMM)E_(SLS)。因此,在水电解中采用LSL-PTL梯度的扩散层可以提高制氢效率,减少能耗损失。这项研究为水电解制氢中气液传质过程的主动控制和电解池多孔传输层的结构设计提供了直观依据,对电解水制氢技术的进一步发展具有积极推动作用。