肖 寵，張儲橋，沈英靜，李 闖，魏 燦

（中國船舶集團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，目前廣泛應用在電子、化工等多個領域。

目前，工業(yè)水電解制氫設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備在更多領域上的應用和大氣量設備的生產制造。

電解槽由多個電解小室組成，電解液由電解槽的一側進入，依次流經各個電解小室。如果電解小室內的堿液量過小，那么電解液則不能充滿整個電解小室，電解小室的上方將會形成一個氣腔。由于氣體的導電能力弱于電解液，所以氣腔的存在會增大每個電解小室的電阻，從而增大設備的能耗。如果堿液量過大，會超出經濟流速的上限，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構的電解水制氧槽流道內單相流場分布特性和制氧槽結構對流場分布的影響，認為入口流道形式對流量分配的均勻性起到關鍵作用。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行試驗研究，認為改進試件內部水進入流道的入口形式及各橫向流道的入口形式，并適當增加周邊溝槽流道的阻力，可增加試件內流場分配的均勻性[2]。周抗寒等[3]采用陽極供水與壓濾機組裝的方式，針對水電解池供水與供電的要求，設計了電解池的極板以及集電板，并對極板進行了輕量化設計，基本解決固體聚合物電解質水電解技術工程化應用中的技術問題，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部電解質的運動情況及電解槽內部的電場，并對電解槽內部電場及槽電壓的組成部分進行了分析計算。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構下，電解槽內的氣液流動和堿液分配狀況。

2 幾何建模及網格劃分

本文的研究對象是堿性水電解制氫設備，計算主體區(qū)域是電解槽堿液通道、電解槽電解小室、電解槽氣液流道。整個計算區(qū)域使用結構化網格進行劃分。KOH溶液通過堿液入口流入電解槽內，通過堿液通道分配到各個電解小室。水在電解小室內進行電解反應，在陰極側生成氫氣，在陽極側生產氧氣。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 計算模型及邊界條件

模擬計算過程選用的湍流模型為標準模型，多項流模型為歐拉模型。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溶液質量分數(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℃。氫氣產量為10m3，氧氣產量為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，堿液進入電解小室的量也降低。而在堿液流道的末尾處，由于此時未進入電解小室的堿液全部堆積在此處，只能通過末尾的幾個通道流入電解小室，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，各個電解小室的堿液分配更受流體在各個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通道處依然很大，甚至高過了入口處的通道。這是因為雖然堿液的速度總體上增大了，但是各個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

在擴大堿液流道面積后，保持流速不變，此時與第一種情況相似，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。

在改變堿液流道結構后，減小了堿液流道面積，在堿液量不變的情況下，堿液流道內速度增大，進入各個電解小室的堿液量增多，末尾處堆積的堿液量減少，這對堿液在各個通道處的平均分配有一定參考作用。

5 結論

以上分析說明，流體在流經通往電解小室的通道時，速度越大，越有能力克服重力的阻礙。為了保證堿液在各個通道的平均分配，應該盡量讓流體在通道內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，改變堿液流道的結構，減小堿液通道的面積，適當提高堿液流速是改善堿液在各個通道分配情況的可行思路。