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水电解是使用可再生电力生产氢气的最可持续方法之一，目前的商用技术包括碱性水电解（AWE）和质子交换膜电解（PEM）。AWE系统的设备成本较低，但氢气生产速率较低，而PEM电解效率较高，但需要使用昂贵和稀有的电催化材料。本研究开发了一种创新的三维流动工程电极（flow-engineered 3-D electrodes），将其集成到零间隙双层结构的电解池中，显著提高了碱性水电解的性能，使其接近PEM电解的水平。
成果简介
研究通过实验与计算流体动力学（CFD）相结合的方法，优化了三维流动工程电极的结构参数，提升了气泡排出效率，最终在碱性水电解中实现了低于2V电池电压下2 A·cm²的高电流密度性能。该创新系统展示了使用廉价和丰富的电极材料，在碱性水电解中取得与PEM电解相当的性能，为下一代高效电解槽的开发提供了新思路。
研究亮点
三维流动工程电极设计：研究首次在零间隙双层结构中集成三维流动工程电极，显著提高了电解效率。
气泡排出效率提升：优化后的电极结构参数有效提高了电极表面的气泡排出效率，降低了欧姆损失。
高电流密度性能：该系统在低电压下实现了高达2 A·cm²的电流密度，使碱性水电解性能接近PEM电解。
低成本高效氢气生产：使用镍基材料制成的三维电极显著降低了氢气生产成本，使其成为最具经济效益的电解技术之一。
配图精析
图1: 流动工程三维电极结构和零间隙电解池配置
图1展示了流动工程三维电极的结构和在零间隙电解池中的配置，包括细孔泡沫与粗孔泡沫的双层配置，以及电解液流动方向和气泡排出路径。图中的三维泡沫电极与Zirfon隔膜相邻布置，提升了气泡排出效率。
图2: 极化曲线与不同电解液流速下的性能比较
图2展示了纯镍双层泡沫电极和镍镀层的Raney镍电极在不同电解液流速下的极化曲线。通过与文献数据的比较，显示了研究中电极在较高流速下的优越性能，表明流动工程的设计显著提高了电解性能。
图3: Tafel斜率和欧姆阻抗的累积正态分布图
图3展示了Tafel斜率和去除Zirfon阻抗后的欧姆阻抗的累积正态分布图。研究发现，应用Raney镍镀层显著降低了Tafel斜率，而改进的双层结构则有效降低了未排出气泡引起的欧姆阻抗。
图4: 单相与两相流动下的横向速度分布
图4展示了单相和两相流动条件下电解液的横向速度分布。研究发现，两相流动条件下的横向速度显著增加，有助于增强气泡的排出，并且模拟结果显示双层结构在气泡排出方面的优势。
图5: 单相与两相流动下的速度矢量图
图5展示了单相和两相流动下的速度矢量图，对比了在不同流动条件下电解液的流动行为。研究表明，两相流动下的电解液流动方向更有利于气泡的排出，进一步验证了双层泡沫结构的设计优势。
展望
该研究通过优化三维流动工程电极的设计，显著提升了碱性水电解的性能，使其在低成本和高效氢气生产中具有广泛的应用潜力。这一成果为未来开发经济高效的氢气生产技术提供了重要的参考，也表明了采用PEM类似设计的碱性水电解系统的可行性。
文献信息
标题: Proton exchange membrane-like alkaline water electrolysis using flow-engineered three-dimensional electrodes
期刊: Nature Communications
DOI: 10.1038/s41467-024-51704-z
原文链接: https://doi.org/10.1038/s41467-024-51704-z
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