水電解制氫中氣泡生長及磁場對氣泡行為和兩相流動特性影響.pdf

1、氫氣以其來源廣泛、清潔燃燒、能量密度高等突出優(yōu)點(diǎn)成為最有潛力的清潔能源之一，也是重要的食品化工原料。雖然目前水電解制氫在所有制氫手段中所占的比例并不高，但電解水制氫是目前不可替代的超純氫來源和分布式能源構(gòu)成部分，未來有著光明前景。采用電解水制氫還可以作為中間媒介，有效整合風(fēng)能、太陽能等時域和地域性強(qiáng)的清潔能源構(gòu)建持續(xù)清潔能源供應(yīng)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)氫能的更廣泛應(yīng)用。在如超大規(guī)模集成電路制造和浮法玻璃生產(chǎn)等行業(yè)中，與其他制氫方法相比，通過水電解制取

2、高純氫是一些工業(yè)用氫必要的制氫手段。電解過程的高能耗是制約水電解制氫發(fā)展的瓶頸，電解水產(chǎn)生1 Nm3氫氣能耗為4.5~5.0 kWh，效率在60％以下，因此如何強(qiáng)化水電解制氫，提高其電解效率非常必要。
　　在水電解過程中，氣相產(chǎn)物的管理是一項(xiàng)重要的工作。及時排除電極表面氣相產(chǎn)物有利于電解槽能耗的降低?，F(xiàn)有工業(yè)電解槽中主要依靠循環(huán)泵驅(qū)動電解液流動來排出氣相產(chǎn)物。有報道表明，在磁場作用下，電解液中存在洛倫茲力引發(fā)的多尺度對流，利用磁場

3、可驅(qū)散氣相產(chǎn)物。但磁場在有氣相存在條件下作用在電解質(zhì)的機(jī)制還不清楚，如何強(qiáng)化這個磁場作用來達(dá)到提升電解效率還亟待研究。
　　為分析磁場對水電解過程的影響及作用機(jī)制，本文在理論分析的基礎(chǔ)上，通過實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，重點(diǎn)針對電極表面的氣泡行為及磁場驅(qū)動下電極間的氣液兩相流動進(jìn)行分析，主要包含以下幾個方面的內(nèi)容：
　　1、通過數(shù)值模擬，基于Fluent計算平臺，采用VOF（volume of fluid）模型對電極表面的析

4、氫過程進(jìn)行模擬。根據(jù)法拉第定律計算電極表面的氫組分的生成速率，建立了基于過飽和氫組分質(zhì)量傳遞的氣泡生長模型，通過UDF（user define function）接口編譯到計算模型中，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。研究還發(fā)現(xiàn)，在氣泡成核與生長階段，電極表面存在多種形式的對流作用，包括電解液中由于氫組分濃度梯度引發(fā)的對流和由于氣泡界面擴(kuò)張引發(fā)的電解液擾動。通過對不同對流形式下電極表面?zhèn)髻|(zhì)系數(shù)的計算，量化了單氣泡演化過程對于局部傳質(zhì)的強(qiáng)化效果。

5、　　2、在分析電極表面氫氣泡演化過程的基礎(chǔ)上，采用微電極和常規(guī)尺寸的局部疏水電極實(shí)驗(yàn)分析了外部磁場對于電極表面氣泡行為的影響。在微電極表面，通過高速攝像記錄了氣泡的生長過程，給出了氣泡生長曲線和磁場對于氣泡生長的影響。分析了不同電流條件下，電極表面氫組分過飽和濃度的變化。采用光刻—電沉積的方法制作了局部疏水電極，并實(shí)驗(yàn)觀測了氣泡在局部疏水位置的生長和脫離行為特性。分析了導(dǎo)致疏水點(diǎn)處大氣泡隨機(jī)脫離的原因。對比磁場作用下微電極和常規(guī)尺寸電極