水电解制氢中气泡生长及磁场对气泡行为和两相流动特性影响

摘要

氢气以其来源广泛、清洁燃烧、能量密度高等突出优点成为最有潜力的清洁能源之一，也是重要的食品化工原料。虽然目前水电解制氢在所有制氢手段中所占的比例并不高，但电解水制氢是目前不可替代的超纯氢来源和分布式能源构成部分，未来有着光明前景。采用电解水制氢还可以作为中间媒介，有效整合风能、太阳能等时域和地域性强的清洁能源构建持续清洁能源供应系统，实现氢能的更广泛应用。在如超大规模集成电路制造和浮法玻璃生产等行业中，与其他制氢方法相比，通过水电解制取高纯氢是一些工业用氢必要的制氢手段。电解过程的高能耗是制约水电解制氢发展的瓶颈，电解水产生1 Nm3氢气能耗为4.5~5.0 kWh，效率在60％以下，因此如何强化水电解制氢，提高其电解效率非常必要。
　　在水电解过程中，气相产物的管理是一项重要的工作。及时排除电极表面气相产物有利于电解槽能耗的降低。现有工业电解槽中主要依靠循环泵驱动电解液流动来排出气相产物。有报道表明，在磁场作用下，电解液中存在洛伦兹力引发的多尺度对流，利用磁场可驱散气相产物。但磁场在有气相存在条件下作用在电解质的机制还不清楚，如何强化这个磁场作用来达到提升电解效率还亟待研究。
　　为分析磁场对水电解过程的影响及作用机制，本文在理论分析的基础上，通过实验和数值模拟相结合的方法，重点针对电极表面的气泡行为及磁场驱动下电极间的气液两相流动进行分析，主要包含以下几个方面的内容：
　　1、通过数值模拟，基于Fluent计算平台，采用VOF（volume of fluid）模型对电极表面的析氢过程进行模拟。根据法拉第定律计算电极表面的氢组分的生成速率，建立了基于过饱和氢组分质量传递的气泡生长模型，通过UDF（user define function）接口编译到计算模型中，并进行了实验验证。研究还发现，在气泡成核与生长阶段，电极表面存在多种形式的对流作用，包括电解液中由于氢组分浓度梯度引发的对流和由于气泡界面扩张引发的电解液扰动。通过对不同对流形式下电极表面传质系数的计算，量化了单气泡演化过程对于局部传质的强化效果。
　　2、在分析电极表面氢气泡演化过程的基础上，采用微电极和常规尺寸的局部疏水电极实验分析了外部磁场对于电极表面气泡行为的影响。在微电极表面，通过高速摄像记录了气泡的生长过程，给出了气泡生长曲线和磁场对于气泡生长的影响。分析了不同电流条件下，电极表面氢组分过饱和浓度的变化。采用光刻—电沉积的方法制作了局部疏水电极，并实验观测了气泡在局部疏水位置的生长和脱离行为特性。分析了导致疏水点处大气泡随机脱离的原因。对比磁场作用下微电极和常规尺寸电极表面气泡脱离行为的差别，并通过数值模拟的方法揭示了因micro-MHD流动使氢气泡周围压力分布变化而导致气泡行为改变的磁场作用微观机制。
　　3、采用平行光亮铂电极，测试了磁场对电解槽电势差的影响。同时，基于Fluent计算平台，采用 Euler-Euler模型，对磁场驱动下电极间的电解液流动方式和气相产物的分布规律进行了分析，揭示了因MHD驱动减小了电极间气相产物份额和电极表面气相覆盖度的磁对流影响电极电势差的物理机制。

目录

主要符号表

1 绪 论

1.1 水电解制氢的重要应用

1.2 水电解制氢电化学原理

1.3 气泡对电解过程的影响

1.4 水电解析氢气泡演化特性

1.5磁场对水电解过程的影响

1.6水电解的数值模拟方法

1.7 本文的主要研究内容

2 实验装置及方法

2.1 实验系统及构成

2.2磁场配置及电解槽设计

2.3 工作电极处理

2.4 电解液

2.5实验观测与测量

2.6 数据处理与误差分析

3 无磁场条件下水电解中的气泡行为

3.1 电极表面单气泡生长模型

3.2物理模型简化及边界条件

3.3 传质模型

3.4 网格敏感度测试

3.5 气泡生长过程分析

3.6 气泡演化对液固表面传质强化分析

3.7 本章小结

4 微观磁对流对气泡行为的影响

4.1 Micro-MHD对微电极表面气泡行为的影响分析

4.2 Micro-MHD对常规尺寸电极表面气泡行为的影响分析

4.3 微观磁对流对气泡行为影响机理

4.4 本章小结

5 磁对流作用下电解槽内气液两相流动分析

5.1 不同方向磁场对电解槽电势差影响

5.2电解槽内气液两相流动分析模型

5.3 MHD驱动气液两相流动模拟分析

5.4电极间电磁场分布

5.5 磁场驱动对电解液流动的影响

5.6 磁场驱动对气相产物分布的影响

5.7磁场对电极表面气相覆盖度的影响

5.8 流场-电场耦合机制

5.9本章小结

6 结论与创新点及展望

6.1 主要结论

6.2创新点

6.3 后续工作建议及未来展望

致谢

参考文献

附录

A. 作者在攻读学位期间发表的论文及科研成果

B. 作者在攻读学位期间主要参与科研项目