● 摘要
PEM电解水技术作为清洁能源氢气的主要制备方式之一，被认为是目前最具研究价值的电解水技术之一。该技术涉及物理化学过程复杂，实验研究不能对问题进行深入分析，限制了对该技术的认识程度。数值仿真能够综合考虑各因素，获得重要物理量的分布型数据，实现对电解水反应运行状况的预测，深入剖析不同因素对反应影响。本文以PEM电解水反应的流场和电场特性为研究对象，主要开展了以下工作：
1、基于热力学和Butler-Volmer动力学，考虑温度的影响，建立一维简单模型对PEM电解水技术的特性进行初步研究。结果表明温度升高能够减小反应电压，对反应效率产生有利影响。
2、建立关于芯体内流道、扩散层、催化层和质子膜各个部分的数理模型，用于电化学反应的CFD仿真计算。控制方程耦合了连续、动量、组分、能量方程和电势控制方程，在一维分析的基础上进一步考虑组分浓度和温度等分布型数据的影响。
3、首先，通过对比仿真结果和实验结果验证了仿真模型的有效性；其次，分析了常用工况下芯体内流场、温度场、电场和组分的分布情况。结果对芯体内电势、温度的分布情况，以及组分和电流密度分布的特点进行了分析，解释了电场和温度、组分场之间相互影响的关系。
4、对比分析了不同电流密度、不同扩散层导热系数和不同交换电流密度下PEM电解水反应的性能变化，对这三个影响反应进行的因素分别进行了讨论分析。电流密度增大使得芯体内温度、组分和电流密度分布的不均匀程度增加；扩散层导热系数值在0~20W/(m·K)的范围内对芯体内温度场的分布影响较大；交换电流密度增大能够减小反应的不可逆性，对反应产生有利影响。
本文的研究工作对PEM电解水反应特性进行了较为深入的研究，能够为反应的实验研究提供一些分析的方法和研究思路，同时为PEM电解水工况和材料的选择提供参考依据。因此，本文的研究具有较强的工程应用价值和继续深入研究的意义。