本文提出一种新型质子交换膜电解槽设计。与以往设计不同，其流场板为圆形且水平放置，进水口位于中心孔，去离子水通过径向交叉指型流道均匀向外扩散至阳极流场。阴极流场由螺旋流道构成，出口孔位于双极板外侧。这种设计使阳极与阴极流道垂直排布，以避免剪切应力。新型密封方案仅需使用O型圈——其压紧电解质膜并通过覆盖流道的圆形垫片防止膜穿透流道，相比传统定制化垫片方案更经济。氢气通过电解槽顶部偏心布置的垂直外排管离开。电解堆封装于圆柱体内以捕获氧气和水蒸气，随后将其导入位于电解槽隔板下方的热交换器段。

热交换器的作用是预热进入的淡水和冷凝逸出的水蒸气，从而提高效率。它还可作为内部相分离器——液位传感器控制水位并触发冷凝液再循环泵，而氧气出口位于水位上方，可连接真空泵以实现电解槽在低于环境压力下运行，从而进一步提升效率和/或降低铱载量。

本研究基于IRD Primolyzer设计经验，致力于实现对称水流以避免局部热点。与本田设计类似，本研究电解堆支持压差运行（阳极侧可在常压或负压下工作，阴极侧加压以利用电化学压缩）。如下所述，阴极侧可在负压下运行以提升性能并降低铱载量。

一、新型结构Entrolyzer设计

1、双极板

前期研究表明，确保各流道（理想情况下各单电解池）水流均匀分布至关重要，其原因是进水和产物气体之间存在三个数量级的巨大密度差异。

IRD的Primolyzer设计部分工况下水化学计量数超过300，但CFD模拟仍显示气相体积占比极高。由于设计不对称，气体聚集导致局部温度较标称工况高10°C以上的热点。因此，均匀布水被视为必要需求。

基于此，阳极侧选择从中心进水孔径向向外延伸的流道设计，形成圆形板结构。流道截面积保持恒定以简化钛双极板加工并降低接触电阻。最终阳极侧流场如图1（左）所示：出水通道以15度间隔分布，共24条。

图1：阳极（左）和阴极（右）流场。

然而，需预留30度区域作为氢气出口通道，故最终出水通道数为22条。出水通道宽度决定中心进水孔尺寸。钛板加工最小刀具为0.75mm，推测通道宽度约1mm，因此中心孔最小周长为24mm（直径7.64mm）。为保留通道间距，实际进水孔直径设为10mm。所有通道初始深度为0.5mm。

类似IRD的Primolyzer设计，阳极流场采用交叉指型结构以增强水传输至催化剂层。PEM燃料电池CFD研究表明，交叉指型流场可实现极低化学计量数。上图1原始设计的出水通道起始于近中心处，但经初步建模分析发现，若出水通道作为端口且起始于入水通道末端直径处（仅偏移7.5度），可能更有利于避免水流短路。出水段间隔仍为15度。上图1右侧为氢气出口孔，外围设有密封环槽。

当前概念验证（PoC：proof-of-concept）设计的活性区直径为100mm（由多孔传输层碳纤维纸尺寸决定）。膜密封宽度为8mm，双极板外径116mm，膜外径（膜密封边框）120mm。

阳极侧采用径向交叉指型流道后，阴极侧氢气需从双极板内部收集以防与氧气混合，因此逻辑上选择螺旋流场。因析氢反应（HER）更易进行，氢气分布均匀性要求低于水分布。螺旋流场可选择氢气出口孔靠近单电解池中心或外缘。本田设计主张从中心管收集氢气，但Entrolyzer最终选择氢气出口孔靠近板边缘（此处金属螺栓压紧电解堆）。螺旋流场采用间距5mm的双点阿基米德螺旋设计，最终阴极流场如上图1（右）所示：外缘设外密封环槽，内径处另设槽以密封氢气与进水通道。

除水分布完全对称外，该流道设计的另一优势是阴阳极流道垂直交叉，导致未支撑膜区域极小（<1 mm²）。电解堆压紧产高压氢时亦可避免剪切应力。与本田PEM堆栈类似，该设计支持阴/阳极侧高压差运行。

2、密封方案

前文指出，每块双极板通过三个O型圈密封：阳极侧氢气出口周围一个，阴极侧进水口及外缘各一个。但需确保密封环对侧膜不被挤压入流道。观察下图2中阴极密封环对侧的径向阳极流道区域即可明确此需求。

为此，在流道上覆盖金属垫片以抵消密封环压力，且需采用钛材质（不锈钢片会导致严重腐蚀）。仅能获取0.3毫米（mm）厚的2级钛板，而5级钛需至少0.5毫米（mm）厚度。后者成本增幅低于10%，未来将采用更厚的5级钛板（除非能获得更薄板材）。

需确保金属垫片最终高度与多孔传输层相同（压缩量约20%）。下图2外缘可见的垫片区域被加工降低150微米（μm），留出350微米（μm）流道深度。PoC设计中采用190微米（μm）厚防水碳纤维纸（Toray 060），允许40微米（μm）压缩量。含密封垫片、密封环及多孔传输层的双极板如下图2所示。

图2：带有密封垫圈（红色）、多孔传输层（黑色）和密封环（蓝色）的阳极（左）和阴极（右）双极板。

多孔传输层需用裁纸刀切割成型，活性膜区域形状与阳极侧多孔传输层一致。活性膜起始内径20mm（留5mm密封区），外径100mm，切口区30度，单电解池活性面积约69.1 cm²。此设计与IRD Primolyzer几乎相同，便于性能对比。30度切口区为未利用膜区域，若放大外径需缩减该区域以增加径向水流道数量并扩大进水孔。每块双极板的两个定位孔确保精准对中，组装时通过两根适配直径的金属销可实现完美对齐（定位作用）。

PoC设计采用500×500mm、厚5mm的5级钛板，可加工16块板材（含14块双极板和2块单极端板），由此可构建15节单电解池堆栈，总活性面积约1036 cm²。但基于模块化设计，同一壳体内最多可容纳20个MEA，总活性面积达1382 cm²。类似尺寸的IRD电解槽（7节单电解池）在1.0 A/cm²时电压2伏，4 A/cm²时2.5伏。后者工况下功率约10KW。得益于模块化设计，该电解堆易扩展。假设4 A/cm²运行，堆栈总电流4144A，据法拉第定律（忽略内损）产氢速率为0.0215摩尔/秒，对应体积流量1.86 Nm³/h（质量3.71 kg/d）。下图3展示了含15节单电池的电解堆，透明板体可清晰观察流道结构。

图3：具有15个单电解池的电解堆。

3、电解堆设计

需收集径向向外流动的阳极产物氧气。此外，含过剩水、水蒸气及氧气的阳极排气流是电解槽输出的最大热质载体，因此计划在电解堆下方设置热交换器，利用阳极排气预热进水并冷凝水蒸气。集成式热交换器兼具气液相分离功能：过剩水与冷凝液积聚底部，液位开关监测水位并触发再循环管路，而气体/蒸汽相则通过专用出口排出。再循环泵选用咖啡机常用的ULKA泵EFP 5型，零售价约30美元，成本可忽略。液位开关采用Kobold NV系列，单件零售价约200–300美元，但可选用更低价型号。量产时，液位开关与再循环泵成本相比电解堆成本可忽略。

采用内部相分离的另一优势是可连接真空泵至阳极侧出口，其原理将在下文阐述。

电解槽模块与集成热交换器安装于电解槽顶板，并压入容器内部。下图4展示了电解槽组件的特写：电解槽组件螺栓下端螺纹有被加长，以便安装负热膨胀系数垫片（Allvar公司提供），补偿电解槽升温至工作温度时的热膨胀。

图4：电解槽组件的侧视图。

热交换器下部由两块金属板构成，下板固定密封环。下板底面中部呈凹形，确保启动时进水能排出残留空气。热交换器含24根管道，其数量基于将室温进水加热至80°C目标温度所需传热面积计算。

当前PoC设计中，整个容器上下板及热交换器部件上下端共设置四个大型密封环（均压紧容器）。因密封环尺寸有限，所有密封环规格相同，导致热交换板周围密封环需压入几乎容器的整个长度上，这样装配比较困难。改进方案为热交换板采用阶梯式缩径设计，容器内径自上而下逐级缩小，此优化将留至原型阶段实施。当前使用的四个外密封环为HUG-Technik提供的2mm×175mm规格。该系列下一规格密封环内径为170mm或180mm，对PoC或原型设计有限制，但商用设备中不成问题。下图5展示了组件的斜视图。

图5:是电解槽组件的侧视图和通过顶板的视图。

顶板设有电极接头与氢气出口。通过最小化M8螺钉间距，最大化电解堆压缩螺栓数量（螺钉数量与尺寸未经计算，但本田设计建议最大化）。电解堆底端与顶端的单极板含电极连接延伸部。上图5透过透明顶板可见：氢气出口孔位于压缩应力最大处（阴极侧高压时至关重要）。

4、圆筒容器设计

电解槽组件封装于圆筒容器内，筒体设多个进出口。出水口位于进水口正上方，两者通过上图4所示底部两块金属板隔离。此处为电解槽最冷区域，冷凝水以最低温度排出，保留内部热量从而最小化熵的产生。圆筒CAD设计如下图6所示。

图6：带有连接孔的外容器。

当前容器高度260mm，外径200mm，含端板总高270mm，容积8.48L。假设性能如前所述，体积功率密度略超1KW /L，易于扩展。圆筒封装设计优势包括：

集成紧凑：电解槽与热交换器一体化设计，热损失最小化。

材料轻量化：PoC采用铝制圆筒，商用可改用POM硬塑料降低成本、重量轻，以及热损失小。

环境防护：在海上应用时屏蔽恶劣环境影响。

负压操作：可通过真空泵降低容器内压（有预留抽真空口）。

本设计命名为Entrolyzer，旨在最小化熵产生：内部实现企业相分离，冷凝水从温度最低的进水口排出；若采用Berning和Bessarabov提出的阴极侧氧化石墨烯MEA，可内部提纯氢气进一步降低熵产。

5、阳极负压操作

如前所述，本设计核心特性是通过真空泵和压力调节阀连接阳极气体出口，实现阳极侧负压运行。其原理如下：

81.3°C时水的饱和蒸气压为50千帕。阳极出口为氧气与水蒸气的二元混合物，假设热力学平衡且总压1bar（100千帕：Kpa），两者摩尔比接近1:1。若总压降至60千帕（阳极侧部分真空），水蒸气压仍为50千帕，则氧气分压仅10千帕，水蒸气与氧气摩尔比升至5:1；总压进一步降至55千帕时，比值达10:1（较常压操作提升一个量级）。相关数据总结于下表2。

表2. 阳极尾气成分对总压力的依赖关系（基于热力学平衡条件）

根据Butler-Volmer方程，电化学半反应中反应物与产物浓度比显著影响活化过电势。因此，负压操作可降低活化过电势或减少催化剂载量。有研究已验证阴阳极侧压力相等时高压操作对电解性能的影响，本设计的CFD模拟亦显示随着压力的降低，浓度比明显增加。

6、关键特性

相较现有商用设计，Entrolyzer具备以下核心优势：

对称径向向外布水：避免局部热点以延缓衰减。

阴极侧环形流道：消除剪切应力。

紧凑密封：圆形设计减少密封面积，仅需O型圈。

极小未支撑膜区（<1 mm²）：两侧流道暴露降低接触电阻。

均匀布水：各板压降均一确保单电解池均衡供水。

均匀压缩：圆形板式设计实现压力均匀分布。

集成热交换：内部预热进水并气液相分离以提升效率。

即时水循环：快速响应液位变化。

真空兼容性：气相出口连接真空泵支持负压运行，提升效率或降低铱载量。

环境适应性：圆筒封装抵御外部环境干扰（如海上应用）。

轻质低成本：硬塑料圆筒增强隔热并降低重量与成本。

模块化扩展：多电解槽阵列化部署（类似西门子Silyzer），便于运输、安装与维护。

二、概念验证组装

所有部件按规格加工完成后，内部硬件（不含容器部分）的组装过程总体顺利。双极板通过两根金属销（插入进水孔与氢气出口孔）实现精准对中与定位，其中进水孔销可旋入顶板并于组装后卸除。组装完成的电解堆与热交换器如下图7（左）所示。

首轮测试旨在验证电堆各单电解池及流道布水均匀性。通过目视检查发现，即使高流量进水条件下，各单电池与流道均实现均衡分布。下图7（右上）展示了运行中阳极流道排水状态，证实本设计避免了传统顶置进出口布局的布水不均问题。

图7：组件总成（左图由Eirini Vlachaki提供）、运行中堆栈排水状态（右上）及使用后的MEA（膜电极组件）。

随后将组件压入容器时，因配合过紧遇到困难。主因在于选用了三个同尺寸外密封环：环厚2mm（受限于5mm板厚），2mm环需2.8mm高槽，而3mm环需4.2mm槽（导致实体区域不足）。未来原型机将采用更厚板材以适配3mmO型圈，并设计阶梯式外密封环（底部最小）简化装配。当前设计中，底部O型圈在拆装中受损，表明密封环尺寸需与市售标准匹配。本设计小尺寸密封环由特瑞堡密封系统提供，大尺寸O型圈购自HUG Technology and Security GmbH。

在Greenlight Innovation电解槽测试台验证时，因测试台设计需将阳极出口多相混合物导入内置气液相分离器，而本设计已集成相分离（仅排出气/汽相），导致兼容性问题。

电解槽运行温度完全通过进水控制，基于热力学计算确定适宜进水速率。初期性能数据良好（单电池电压约2伏时电流密度超1.0 A/cm²），但发现电解堆冷却后因热收缩导致接触电阻剧增，未来需采用负热膨胀系数垫片。

遗憾的是，电解堆升温膨胀时多个膜被双极板边缘割裂，项目被迫中止。但已获足够数据支持原型机制造，后续工作将推进。

三、结论

本文提出一种新型质子交换膜电解槽设计：

径向布水设计：中心孔进水，各板水流分布高度均匀。因各板水侧出口压力相同且进水孔尺寸足够大（压降可忽略），规避了圆柱形电解槽的典型问题。

环形氢气流场：避免剪切应力，未支撑膜区极小。

紧凑密封方案：仅需O型圈，密封面积小。

集成热交换器：预热进水并实现相分离，冷凝水即时循环，气相以氧气为主含少量水蒸气。

轻质封装：硬塑料圆筒降低热损、成本与重量。

负压操作兼容性：阳极侧连接真空泵可提升效率。

初步测试表明电解槽易组装，但商用测试台适配性差，需定制测试平台。验证阳极布水均匀性良好，阴极高温工况仅排出气相氢气。未来将改进原型机并进行性能测试。

本文内容来源于氢眼所见，责任编辑：胡静，审核人：李峥

版权声明∶转载新能源网站内容，请在正文上方注明来源和作者，且不得对内容作实质性改动；微信公众号、头条号等新媒体平台，转载请联系授权。邮箱∶process@vogel.com.cn，请添加小编微信号（msprocess）详细沟通。