【摘要】：氫能在石油、化工及冶金等工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，被譽(yù)為未來世界能源架構(gòu)的核心。水電解制氫工藝簡單、環(huán)境污染較小、產(chǎn)物純度較高，廣泛應(yīng)用于可再生能源儲(chǔ)能技術(shù)中。研究表明，施加磁場能夠有效管理電極表面的氣相產(chǎn)物，降低電極表面氣泡效應(yīng)引起的額外能耗。但目前關(guān)于磁場對(duì)電極表面氣泡生長及脫離過程的影響機(jī)制尚不明晰，磁場作用下氣泡界面的動(dòng)態(tài)演化規(guī)律尚待探索。為深入研究電解過程中電流密度和磁場強(qiáng)度對(duì)電極表面氣泡生長及脫離過程的影響規(guī)律。

本文分別設(shè)計(jì)了水平和垂直微電極兩套水電解制氫實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，借助高速攝像對(duì)不同電解條件下微電極表面單個(gè)氣泡的演化過程進(jìn)行可視化拍攝，結(jié)合圖像后處理Open CV-Python程序?qū)蝹€(gè)氣泡特征參數(shù)進(jìn)行提取和分析，重點(diǎn)對(duì)不同電解條件下氣泡生長直徑、生長時(shí)間、接觸直徑、脫離直徑、接觸點(diǎn)位置及工作電極電勢等參數(shù)的變化規(guī)律進(jìn)行探索。在實(shí)驗(yàn)研究基礎(chǔ)上，采用VOF多相流數(shù)值模擬方法對(duì)垂直磁場作用下水平微電極表面單個(gè)氣泡的動(dòng)態(tài)生長行為進(jìn)行研究，主要研究內(nèi)容及結(jié)論如下:

(1)通過對(duì)氣泡實(shí)時(shí)直徑的準(zhǔn)確測量，描述了垂直磁場作用下水平和垂直微電極表面單個(gè)氣泡的動(dòng)態(tài)演化特性。兩種微電極表面氣泡直徑隨生長時(shí)間的變化速率均近似滿足D(t)=βt~13規(guī)律，與相關(guān)文獻(xiàn)結(jié)論一致。單個(gè)氣泡生長速率均由微電極表面電流密度決定，氣泡生長速率隨電流密度的增大而增大，外加磁場對(duì)氣泡生長速率的影響較小。

(2)依靠圖像后處理程序和統(tǒng)計(jì)學(xué)方法對(duì)氣泡脫離過程進(jìn)行了精準(zhǔn)判斷，分析了磁場強(qiáng)度對(duì)水平和垂直微電極表面氣泡脫離特性的影響規(guī)律。對(duì)于水平微電極而言，低電流密度下外加磁場能夠有效促進(jìn)氣泡脫離過程；高電流密度下弱磁場將抑制氣泡脫離行為，強(qiáng)磁場將促進(jìn)氣泡脫離行為。對(duì)于垂直微電極而言，低電流密度下磁場對(duì)氣泡脫離行為影響很小，少數(shù)磁場條件會(huì)抑制氣泡脫離過程；高電流密度下磁場明顯促進(jìn)氣泡脫離行為，但不同具體電流密度的磁場影響效果不同。

(3)依靠角點(diǎn)檢測算法捕獲和分析了氣泡接觸點(diǎn)及接觸直徑的動(dòng)態(tài)演變規(guī)律。水平微電極表面氣泡左、右接觸點(diǎn)關(guān)于電極中心近似對(duì)稱，氣泡能在較短時(shí)間內(nèi)完全覆蓋電極表面。垂直微電極表面氣泡更趨向于覆蓋電極上表面，氣泡周圍電極面積呈現(xiàn)明顯的非對(duì)稱分布，氣泡下接觸點(diǎn)存在明顯的大小氣泡聚并過程。

(4)工作電極電勢周期性變化，與電極表面的氣泡周期性生長及脫離過程密切關(guān)聯(lián)。增大電流密度，工作電極電勢絕對(duì)值顯著上升。外加磁場能夠顯著改變工作電極表面電勢的變化范圍，實(shí)際影響效果與具體電流密度密切相關(guān)。

(5)借助VOF界面捕捉方法，結(jié)合氣泡接觸直徑預(yù)測模型，模擬水平微電極表面單個(gè)氣泡生長過程。模擬與實(shí)驗(yàn)獲得的單個(gè)氣泡生長直徑變化曲線結(jié)果吻合較好。較高的氫氣組分過飽和濃度分布集中在氣泡足部和電極接觸的楔形區(qū)域內(nèi)，氣泡足部區(qū)域內(nèi)的氣液傳質(zhì)速率較大。受水平微電極的電流畸變影響，氣泡足部區(qū)域電解液的電流密度和洛倫茨力均較大，且隨著氣泡尺寸的增大而逐漸增大。在氣泡生長周期內(nèi)，氣泡周圍的旋轉(zhuǎn)微觀磁對(duì)流呈現(xiàn)先增強(qiáng)、后減弱的變化規(guī)律。