通过仿真提高电解槽的制氢效率和寿命

碱性水电解槽可以通过电解水来制取零碳排放的氢气。虽然这一工艺可以通过制取清洁氢能来帮助降低全球碳含量，但氢能的成本仍远高于化石燃料。为了最大限度地降低制氢的成本，尽可能地提高电解槽的运行效率和寿命至关重要。限制电解槽堆运行效率和寿命的一个因素是寄生分流。本文我们将探讨如何通过模拟碱性电解槽堆，更好地了解其运行过程中可能产生的寄生分流。

将水电解槽与可再生能源电力配合使用能够实现零碳排放，制取出“绿色”氢能。碱性水电解槽在全球水电解槽装机总量中占比较大，它通常由许多重复的阳极电池、隔膜和阴极电池组成，这些组件共同构成一个电解槽堆。在碱性水电解槽堆中，所有电池共用同一个电解质。

由于所有电池都处于离子接触状态，电池之间的寄生分流通过入口和出口侧的歧管和电解质通道流动。这些寄生分电流会降低能效并导致腐蚀。可以通过仿真将典型碱性水电解槽堆中的分流可视化，揭示电解槽设计的优势和局限性。

碱性水电解槽堆中的分流模型是使用 COMSOL Multiphysics® 软件平台的附加产品燃料电池和电解槽模块建立的。为了与实际常用的材料相匹配，该示例模型采用了钢制端板和双极板，以及 6M 氢氧化钾 (KOH) 电解质。模型使用 Butler-Volmer 动力学表达式模拟电极表面，考虑了电极和电解质中的欧姆损耗，并忽略了气相质量传输限制。模型为等温模型，将电解槽堆工作温度设置为 85°C，在 1.3V 至 1.8V 范围内扫描电池平均电压，使用辅助扫描求解模型方程。电解水的过程包括两个独立的半电池反应：阴极的析氢反应和阳极的析氧反应。

虽然燃料电池和电解槽的许多特性可以通过单个电池来了解，但在某些情况下，采用完整的电解槽堆模型是全面了解其性能的唯一方法，文中的示例就是其中一种情况，因为电解槽堆中的各个电池的分流分布各不相同。此例中的电解槽堆模型由 20 个电池单元组成，可用于深入研究分流对整体设计的潜在影响。

仿真结果显示，由于气体含量相对较高，出口（上部）通道的有效电解质电导率较低，因此出口通道的分流低于进口通道。还可以看到，分流在电解槽末端更为明显，并且电解槽电压越高，分流越大。

定义碱性水电解槽能效的方法有很多。在示例模型中，我们根据所产生氢气的吉布斯自由能衡量能效，并将能效定义为：在相同条件下运行的燃料电池可能产生的最大能量（单位时间）除以电解槽堆中产生氢气所需的电能。仿真模型显示，由于库仑效率不断提高，能效先在 1400A 左右达到最大值，1400A 后，由于电解槽电压在更大电流下不断升高，能量效率又有所下降。