水電解制氫設(shè)備堿液平均分配影響因素的數(shù)值模擬研究

肖 寵，張儲橋，沈英靜，李 闖，魏 燦

（中國船舶集團(tuán)有限公司第七一八研究所，河北 邯鄲 056027）

1 研究背景

堿性水電解制氫是一種成熟的制氫方法，具有氫氣純度高、安全、清潔等優(yōu)點(diǎn)，目前廣泛應(yīng)用在電子、化工等多個(gè)領(lǐng)域。

目前，工業(yè)水電解制氫設(shè)備的主要問題在于其電解能耗較高、電解電流密度較低，這限制了水電解制氫設(shè)備在更多領(lǐng)域上的應(yīng)用和大氣量設(shè)備的生產(chǎn)制造。

電解槽由多個(gè)電解小室組成，電解液由電解槽的一側(cè)進(jìn)入，依次流經(jīng)各個(gè)電解小室。如果電解小室內(nèi)的堿液量過小，那么電解液則不能充滿整個(gè)電解小室，電解小室的上方將會形成一個(gè)氣腔。由于氣體的導(dǎo)電能力弱于電解液，所以氣腔的存在會增大每個(gè)電解小室的電阻，從而增大設(shè)備的能耗。如果堿液量過大，會超出經(jīng)濟(jì)流速的上限，也會增大成本。所以合理控制堿液的流量并使堿液均勻地分配到各個(gè)電解小室是非常重要的。李林林等[1]研究一種具有方柱群微小流道結(jié)構(gòu)的電解水制氧槽流道內(nèi)單相流場分布特性和制氧槽結(jié)構(gòu)對流場分布的影響，認(rèn)為入口流道形式對流量分配的均勻性起到關(guān)鍵作用。還利用激光粒子圖像速度場測量（PIV） 系統(tǒng)對電解制氧槽試件微小方柱群流場進(jìn)行試驗(yàn)研究，認(rèn)為改進(jìn)試件內(nèi)部水進(jìn)入流道的入口形式及各橫向流道的入口形式，并適當(dāng)增加周邊溝槽流道的阻力，可增加試件內(nèi)流場分配的均勻性[2]。周抗寒等[3]采用陽極供水與壓濾機(jī)組裝的方式，針對水電解池供水與供電的要求，設(shè)計(jì)了電解池的極板以及集電板，并對極板進(jìn)行了輕量化設(shè)計(jì)，基本解決固體聚合物電解質(zhì)水電解技術(shù)工程化應(yīng)用中的技術(shù)問題，滿足了密閉環(huán)境對水電解器的性能要求。劉釗[4]研究了陰極電解槽內(nèi)部電解質(zhì)的運(yùn)動情況及電解槽內(nèi)部的電場，并對電解槽內(nèi)部電場及槽電壓的組成部分進(jìn)行了分析計(jì)算。本文通過數(shù)值模擬的方式，探討了幾種不同堿液流量工況和堿液通道結(jié)構(gòu)下，電解槽內(nèi)的氣液流動和堿液分配狀況。

2 幾何建模及網(wǎng)格劃分

本文的研究對象是堿性水電解制氫設(shè)備，計(jì)算主體區(qū)域是電解槽堿液通道、電解槽電解小室、電解槽氣液流道。整個(gè)計(jì)算區(qū)域使用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進(jìn)行劃分。KOH溶液通過堿液入口流入電解槽內(nèi)，通過堿液通道分配到各個(gè)電解小室。水在電解小室內(nèi)進(jìn)行電解反應(yīng)，在陰極側(cè)生成氫氣，在陽極側(cè)生產(chǎn)氧氣。之后氫氣與堿液由氫氣氣液通道流出，氧氣與堿液由氧氣氣液通道流出。

3 計(jì)算模型及邊界條件

模擬計(jì)算過程選用的湍流模型為標(biāo)準(zhǔn)模型，多項(xiàng)流模型為歐拉模型。氫氣和堿液入口為速度入口邊界條件，速度分別為1.06663×10-5m/s、0.2448807 m/s。出口為壓力出口邊界條件。KOH溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%，密度為1290.5kg/m3。電解槽工作壓力為3.2MPa，工作溫度為85～90℃。氫氣產(chǎn)量為10m3，氧氣產(chǎn)量為5m3，堿液循環(huán)量0.5m3/h。

本文分別模擬了電解槽正常工況、堿液量增大10倍、電解槽堿液流道面積增大、電解槽堿液流道面積減小四種情況。

4 結(jié)果分析

圖1是在電解槽正常工況下，在y=-0.26m的截面上（堿液通道截面，單位m/s），堿液速度矢量分布云圖。在圖1可知，在靠近入口處的堿液流速最大，之后呈先逐漸減小再逐漸增大的趨勢。這是由于流體在向上流動的過程中，需要克服重力，流體的動能轉(zhuǎn)化為重力勢能。由于在入口處流體的流速是最大的，流體有更大的能量克服重力的阻礙，所以前幾個(gè)通道分配的堿液的量較多。由于堿液流道的面積是固定不變的，隨著堿液量的減少，堿液在流道中的流速也隨之降低，流體的動能降低，克服重力阻礙的能力也下降，故在堿液流道的中部，堿液進(jìn)入電解小室的量也降低。而在堿液流道的末尾處，由于此時(shí)未進(jìn)入電解小室的堿液全部堆積在此處，只能通過末尾的幾個(gè)通道流入電解小室，所以在這里流體的流量反而會增大。綜上所述，流體流入電解小室的量受流體的總體流速影響，但與此同時(shí)，各個(gè)電解小室的堿液分配更受流體在各個(gè)通道處的速度之差影響，速度越相近，分配越均勻。

在將堿液流量增大10倍后，由圖2中的截面速度矢量圖（單位m/s）可知，堿液流速在末尾幾個(gè)通道處依然很大，甚至高過了入口處的通道。這是因?yàn)殡m然堿液的速度總體上增大了，但是各個(gè)電解小室通道處的速度之差并沒有改變，故不能增加堿液分配的均勻度。而且由于堿液量總體上的增大，堿液在末尾處堆積的更多，故末尾幾個(gè)通道的流速變得更大，上述堿液分配不均勻的問題也變得更加明顯。

圖1 y=-0.26m處的堿液速度矢量分布云圖

圖2 堿液流量增大10倍后的速度矢量圖

在擴(kuò)大堿液流道面積后，保持流速不變，此時(shí)與第一種情況相似，在靠近入口處的堿液流速最大，之后呈先逐漸減小再逐漸增大的趨勢，且由于堿液流道內(nèi)的堿液量更大，末尾處堆積了更多的堿液，使得末尾處的通道堿液流速很大。

在改變堿液流道結(jié)構(gòu)后，減小了堿液流道面積，在堿液量不變的情況下，堿液流道內(nèi)速度增大，進(jìn)入各個(gè)電解小室的堿液量增多，末尾處堆積的堿液量減少，這對堿液在各個(gè)通道處的平均分配有一定參考作用。

5 結(jié)論

以上分析說明，流體在流經(jīng)通往電解小室的通道時(shí)，速度越大，越有能力克服重力的阻礙。為了保證堿液在各個(gè)通道的平均分配，應(yīng)該盡量讓流體在通道內(nèi)一直保持較高的流速，且速度差不能太大。但是受流體在通道內(nèi)流動的速度上限所限制，不能無限制提高堿液的量和流動速度。因此，在合理的范圍內(nèi)，改變堿液流道的結(jié)構(gòu)，減小堿液通道的面積，適當(dāng)提高堿液流速是改善堿液在各個(gè)通道分配情況的可行思路。