高育幗，李建鋒

（1.成都航空職業(yè)技術學院，四川 成都 610100；2.中國航天科技集團第七研究院總體設計部，四川 成都 610100）

氫燃料電池具有能量密度高、環(huán)保無污染、綜合效能優(yōu)等諸多優(yōu)勢，是國內外能源領域的重點研究方向之一。氫氣作為氫燃料電池的還原劑，其高效穩(wěn)定和定量可控的輸出，是制氫-發(fā)電耦合系統(tǒng)高效運行的前提。隨著制氫及儲氫技術的快速發(fā)展[1-2]，氫燃料電池的安全性和經濟性不斷提升，使得戶外探險、野外作戰(zhàn)、水下武器、無人機超視距飛行以及船舶推進等場景下對便攜式氫燃料電池的應用需求顯著增加。在制氫技術中，相比傳統(tǒng)化石燃料制氫的高污染、電解水制氫的高能耗[3]以及生物制氫的低效率，鋁-水制氫因其原材料易得、產氫率相對較高、安全無污染等獨特優(yōu)勢，成為便攜式制氫技術的主要發(fā)展方向[4]。

目前國外在便攜式氫燃料電池領域，已有個別商業(yè)化產品出現。如日本Bio Coke公司采用水+氧化鎂制氫的便攜式氫燃料電池，但其主要針對辦公場所等環(huán)境下的應用，暫未考慮野外使用環(huán)境[5-6]。國內在該領域依然處于實驗室探索研制階段，未見有產品化應用案例。

在鋁水制氫技術及過程控制方面，主要采取一次性投料[7-8]、控制壓力調節(jié)產氫速度[9]、超聲波輔助提高制氫效率[10]等方法，存在投料方式單一、不具備連續(xù)投料能力、系統(tǒng)靈活性和自由度不高的問題，尤其是在便攜式的設計目標條件下，儲氫罐體積制約了單次產氫量的提升，進而影響燃料電池容量的擴展，無法滿足長續(xù)航、及時補給、可控按需制氫等場景的使用需求。因此，提出一種創(chuàng)新的設計思路，設計一款控制自由度更高的實時投料式接觸反應制氫器，在兼顧輕量化和安全性的前提下，做到實時制氫和按需制氫（即產即用）。

一種可行的鋁水反應組織形式是向液態(tài)水中實時供應球磨化處理的鋁基合金粉末[11-12]，在液體表面發(fā)生反應產生氫氣，產生的固相產物沉降至液態(tài)水中。該組織形式的關鍵是保證固相產物能夠及時沉入反應器底部，或有效擴散至反應器整體空間，不堆積或漂浮在液體表面，阻礙鋁基合金粉末與水的有效接觸，影響制氫過程的連續(xù)性和反應充分性。因此，鋁水制氫中固相產物在液態(tài)水中的運動擴散過程是反應組織的核心環(huán)節(jié)，也是實時投料式制氫反應器研制的重要內容之一。

PIV（Particle Image Velocimetry）粒子圖像測速法是瞬態(tài)、多點、無接觸式的激光流體力學測速方法，通過測量示蹤粒子在已知短時間內的位移，間接獲取流場的瞬態(tài)速度分布。同時可在同一時刻記錄大量空間點的速度分布信息，提供豐富的流場空間結構及流動特性[13]。

本文針對鋁水固液異相反應產物的顆粒沉降過程，采用Al（OH）3顆粒工質開展冷態(tài)模擬試驗，將不同尺度的顆粒投入液態(tài)水中，通過PIV系統(tǒng)采集觀察顆粒在液態(tài)水中的沉降過程，獲得顆粒沉降過程的速度場及濃度場分布特征，并通過不同顆粒尺度的對比試驗，掌握顆粒尺度對沉降過程的影響規(guī)律。

1 試驗方法

本試驗系統(tǒng)由反應池（水槽）、進料篩板、PIV系統(tǒng)（激光器、電源、導光臂、計算機、同步器、CCD相機等）構成。試驗選用3種不同尺度的Al（OH）3顆粒（A組：38μm、B組：2~3μm、C組：0.3~0.5μm），準備篩板，篩板上規(guī)律排布直徑為1.5 mm的過料孔，試驗前，將Al（OH）3粉末顆粒放置于每列孔之間的區(qū)域，篩板開孔及反應物料的布置如圖1所示。

圖1 篩板開孔及反應物料布置圖

待PIV系統(tǒng)（軟件、片光源、相機等）準備完畢，設置采集頻率6幀/s，啟動測量系統(tǒng)，沿長度方向來回抖動篩板使粒子穿過開孔進入反應池，加入的粒子量人為控制，試驗過程中采集并獲取顆粒沉降速度及濃度分布信息，各組顆粒采集時間均為80 s。

2 試驗結果及分析

2.1 產物沉降過程的特征現象

取3組試樣分別通過進料系統(tǒng)投入反應池，觀察顆粒沉降過程。以A組顆粒（直徑38μm）為例分析其過程特性，不同時刻下顆粒在液態(tài)水中的擴散過程如圖2所示。初始進入水中的試樣，一部分呈現出顆粒本身直徑方向的散開狀，另一部分呈現出團聚現象（如圖2所示反應池右側標識區(qū)域）。

圖2 A組顆粒在不同時刻下的沉降情況實拍圖

通過PIV測試系統(tǒng)，獲取A組顆粒在不同時刻的速度場分布情況如圖3所示，最大沉降速度隨時間的變化趨勢如圖4所示。試樣進入水中沉降過程中，首先加速，最大沉降速度為7 mm/s，然后逐漸減速，至80 s時最大沉降速度為1.6 mm/s，在整個沉降過程中，以較為松散狀進入水中的產物顆粒沉降速度變化小，并最終基本處于懸浮狀態(tài)；團聚狀產物沉降速度變化較大，至80 s觀測結束時，依然處于沉降過程中，并大概率會沉降至反應池底部。

圖3 A組顆粒在不同時刻的速度場分布圖（PIV系統(tǒng)數據）

圖4 A組顆粒最高沉降速度隨時間變化趨勢圖

對該過程特性進行分析，顆粒在沉降過程中受阻力、浮力及重力作用，其中由摩擦引起的阻力隨顆粒與流體之間相對速度的變化而變化。

假設顆粒為球狀，顆粒直徑為d，顆粒密度為ρs，液體密度為ρ，重力加速為g，顆粒沉降速度為u，ζ為阻力系數[14]。則：

顆粒進入反應池初期，重力大于浮力與阻力的合力，產生向下的加速度，因此以一定初速度進入液態(tài)水中的顆粒速度會不斷增加，隨著速度的增加，阻力逐漸增加；另外隨著沉降過程中團聚狀顆粒的不斷逸散，重力相對減弱，運動過程成為加速度減小的加速運動，直至加速度為0，即速度最大值；隨后浮力與阻力的合力開始大于重力，產生向上的合力，使得顆粒變?yōu)闇p速運動。

2.2 顆粒尺度對沉降過程的影響

為研究不同的顆粒尺度大小對粒子沉降過程的影響特性，另外開展3組對比試驗，依然選取A組：38μm，B組：2～3μm，C組：0.3～0.5μm，通過調整進料篩板與液面的高度，實現不同的入水速度，并在此過程中，盡可能保證3組試樣獲得相同的入水初始速度，3組試品的最大沉降速度實測結果對比如圖5所示，同一時刻各組沉降速度及濃度場分布如圖6所示。

由圖5可知，小尺度的顆粒沉降過程的起始加速及后程減速過程中的梯度更大，速度變化更快，且達到懸浮狀態(tài)的時間更短。由圖6可知，在40 s時，顆粒尺度最小的C組，速度已降至0.5 mm/s以下，并開始保持基本恒定，處于微小速度的懸浮狀態(tài)；而在40 s時，顆粒尺度最大的A組還在以較高的速度（最高4.2 mm/s）向水池底部沉降。說明顆粒尺度較大的產物更容易沉降并離開液面。

圖5 實測不同尺度顆粒最大沉降速度對比

圖6 同一時刻（40 s）各組顆粒的速度及濃度場分布

通過試驗還發(fā)現，團聚狀的小尺度顆粒團，更容易隨著沉降過程發(fā)生逸散。另外，無論顆粒尺度大小，以及是否存在團聚現象，固相產物均能夠有效擴散至反應池整體空間或及時沉入反應器底部，均未出現產物顆粒在液體表面的凝結、堆積或漂浮等情況。

3 結論

通過本次冷態(tài)試驗研究，獲得如下結論：

（1）無論顆粒尺度大小，產物Al（OH）3顆粒在投入水中后，未在液面出現凝結、聚集、漂浮等現象，均能有效擴散至反應池整體空間或沉入反應池底部。

（2）小尺度松散狀顆粒會較快地出現擴散，沉降過程中速度變化較快，達到穩(wěn)定狀態(tài)（懸?。┑臅r間更短。大尺度松散狀顆粒速度變化相對較小，但在反應池內持續(xù)下沉擴散，在觀測時間內（上限80 s），基本達到穩(wěn)定懸浮狀態(tài)。

（3）小尺度的團聚狀顆粒，更容易隨著沉降過程的進行而發(fā)生逸散；大尺度的團聚狀顆粒平均速度較高，但速度變化較慢，在同一時刻依然處于向底部沉降的過程中，較大的可能會以團聚狀沉入水池底部。

（4）沉降過程中后期（30 s以后），隨著顆粒尺度的增加，同一時刻顆粒沉降速度的最大值逐漸增加，說明較大尺度的顆粒更容易沉降并離開液面，以保證鋁基合金粉末與水的有效接觸與持續(xù)反應。

本文針對球磨化處理的鋁基合金粉末與水反應的固體生成物Al（OH）3在液態(tài)水中的沉降過程特性研究，獲得了不同尺度的固相顆粒狀產物在水中沉降過程的速度及濃度場分布情況，以及不同顆粒尺度對沉降過程的影響規(guī)律，為掌握實時投料式鋁水制氫反應的過程特性及制氫反應器的設計提供了一定支撐和參考，鑒于實際的鋁水制氫反應中，影響產物沉降過程的受控因素眾多、物理過程復雜，還需通過深入的熱態(tài)試驗開展進一步研究。