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，有效整合風能、太陽能等時域和地域性強的清潔能源構建持續(xù)清潔能源供應系統(tǒng)，實現氫能的更廣泛應用。在如超大規(guī)模集成電路制造和浮法玻璃生產等行業(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，電解水產生1 Nm3氫氣能耗為4.5~5.0 kWh，效率在60％以下，因此如何強化水電解制氫，提高其電解效率非常必要。
　　在水電解過程中，氣相產物的管理是一項重要的工作。及時排除電極表面氣相產物有利于電解槽能耗的降低?，F有工業(yè)電解槽中主要依靠循環(huán)泵驅動電解液流動來排出氣相產物。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、可驅散氣相產物。但磁場在有氣相存在條件下作用在電解質的機制還不清楚，如何強化這個磁場作用來達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制，本文在理論分析的基礎上，通過實驗和數值模擬相結合的方法，重點針對電極表面的氣泡行為及磁場驅動下電極間的氣液兩相流動進行分析，主要包含以下幾個方面的內容：
　　1、通過數值模擬，基于Fluent計算平臺，采用VOF（volume of fluid）模型對電極表面的析

4、氫過程進行模擬。根據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，并進行了實驗驗證。研究還發(fā)現，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|系數的計算，量化了單氣泡演化過程對于局部傳質的強化效果。

5、　　2、在分析電極表面氫氣泡演化過程的基礎上，采用微電極和常規(guī)尺寸的局部疏水電極實驗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，并實驗觀測了氣泡在局部疏水位置的生長和脫離行為特性。分析了導致疏水點處大氣泡隨機脫離的原因。對比磁場作用下微電極和常規(guī)尺寸電極