水电解高纯氢制备中磁流体动力学及微磁浓度梯度效应协同强化方法和机制

As an important medium, hydrogen plays an important role in renewable energy sources. Comparing to other alternative methods, such as photocatalytic water splitting, the production of high-purity hydrogen via water electrolysis is still an irreplaceable method. Recent investigations have shown that the application of magnetic fields is able to decrease the potential drop both by forcing a higher mass transfer and by fostering a faster detachment of the gas bubbles from the electrode. Magnetic fields offer an elegant tool to create multi-scale magnetohydrodynamics flow inside the electrolyte..To research the positive impact and the driven dynamics of magnetic fields on water electrolysis, a well-adapted combination of experiments, theoretical analysis and numerical simulations sets the main focus of this proposal. The gradient magnetic field and medium ion will be used to introduce both of the MHD and MMC, and explore the synergistic influence of micro MHD effects on the hydrogen bubbles behavior by means of visualization and high speed video. Based on the previous research work, Ansoft Maxwell is used to determine the magnetic field condition coupled with CFD software. The Volume-of-Fluid multiphase model is used to analyze the single bubble behavior in water electrolysis. The Euler-Euler model is used to analysis the magnetic field influence on the gas dispersion, and the reverse influence between magnetic and gas product. The proposal is focused on the effect of gradient magnetic field, concentration gradient force and micro-MHD effects on the process of water electrolysis, and to reveal the mechanism of magnetic field driving water electrolysis. The related research has not yet been published on international journals.

氢气作为中间媒介，在可再生能源中有重要的作用。与其他制氢方法相比，水电解制取的高纯氢气仍是一些工业必需的原料。有研究表明，利用磁场可促进电解液中的传质和电极上的气泡脱落，使势差降低。在磁场作用下，在电解液中引发多尺度磁流体流动。.为查清磁场对水电解的影响及作用机制，拟通过实验、理论和数值研究相结合的方法。采用高速摄像配合光学显微，通过梯度磁场和媒介离子，探索磁流体力学效应与微磁浓度梯度效应协同作用对氢气泡行为的影响，并查清微磁流体力学在其中的作用，定量获得氢气泡受这些效应影响的数据。在已部分完成的初步研究基础上，采用 Maxwell程序与CFD程序耦合提供系统磁场条件，基于VOF方法模拟氢气泡的演化，采用欧拉-欧拉方法研究外加磁场对气相产物驱散的影响以及气相产物对磁场的逆影响。本项目着眼于梯度磁场、离子浓度梯度及微磁动力学对制氢微观过程的影响，探讨其强化机制，国际上还未见相关报道。

本课题的研究目标在于从电解水制氢过程的气泡行为及气液两相流动机制出发，揭示磁场对于气相产物形成的多种作用形式及影响机理。通过强化磁对流对于气相产物的驱动作用，提高电解效率。主要研究内容及结果如下：. 1. micro-MHD对电极表面气泡的气泡动力学行为的影响。制作特别设计的微电极、局部疏水电极和线电极作为阴极进行了磁场作用下的水电解实验，探究了micro-MHD对流作用下，气泡生长过程中的动力学行为和多气泡间的相互影响。将洛伦兹力作为体积力源项加入到不可压缩流体的N-S方程中，对气泡周围的流场分布和压强分布进行了计算。分析了在micro-MHD对流对不同尺度气泡的生长及脱离产生影响的作用机制。结果表明，气泡下部由micro-MHD对流引起的低压区形成了一个与浮力方向相反的动压力，阻碍了气泡的脱离。. 2. MMC效应对电极上气泡的作用机制。使用磁化后的铁磁性电极作为阴极进行了氢气泡生成实验，对磁化前后电极上的气泡直径分布进行了统计与分析。对磁化后的电极上附着的气泡周围的磁场电场分布，体积力分布及流场分布进行了数值模拟研究，探讨了MMC效应与Micro-MHD对流协同作用的可能性。结果表明如果在电解液中加入比氢离子顺磁性更强的粒子，就有可能使电极附近的开尔文力大大增加，使MMC效应可以与MHD对流协同作用进一步加速气泡脱离，提高水电解效率。. 3. MHD对流对电解槽内气液两相流动的驱动机制。使用常规平板电极和泡沫电极分别进行了梯度磁场和均匀磁场中的水电解实验，对电解槽内的MHD对流进行了可视化记录和PIV测速。数值模拟方面，开发了在磁场作用下动力传递和质量转换模型，对电解槽内的流场分布及气相分布进行了计算和分析。结果表明，MHD对流可以降低电解槽的槽电压，且在于多孔泡沫电极结合使用时，可进一步提高电解效率。. 在项目执行期间，在国内外主要的学术期刊发表了相关研究论文26篇（不计各种国际国内会议），其中国际杂志25篇，国内核心杂志1篇，国家发明专利1项，培养毕业了5名博士生，3名硕士研究生。以上工作圆满完成了任务书所规定的任务要求。