【摘要】：氢能在石油、化工及冶金等工业领域应用广泛，被誉为未来世界能源架构的核心。水电解制氢工艺简单、环境污染较小、产物纯度较高，广泛应用于可再生能源储能技术中。研究表明，施加磁场能够有效管理电极表面的气相产物，降低电极表面气泡效应引起的额外能耗。但目前关于磁场对电极表面气泡生长及脱离过程的影响机制尚不明晰，磁场作用下气泡界面的动态演化规律尚待探索。为深入研究电解过程中电流密度和磁场强度对电极表面气泡生长及脱离过程的影响规律。


本文分别设计了水平和垂直微电极两套水电解制氢实验系统，借助高速摄像对不同电解条件下微电极表面单个气泡的演化过程进行可视化拍摄，结合图像后处理Open CV-Python程序对单个气泡特征参数进行提取和分析，重点对不同电解条件下气泡生长直径、生长时间、接触直径、脱离直径、接触点位置及工作电极电势等参数的变化规律进行探索。在实验研究基础上，采用VOF多相流数值模拟方法对垂直磁场作用下水平微电极表面单个气泡的动态生长行为进行研究，主要研究内容及结论如下:


(1)通过对气泡实时直径的准确测量，描述了垂直磁场作用下水平和垂直微电极表面单个气泡的动态演化特性。两种微电极表面气泡直径随生长时间的变化速率均近似满足D(t)=βt~13规律，与相关文献结论一致。单个气泡生长速率均由微电极表面电流密度决定，气泡生长速率随电流密度的增大而增大，外加磁场对气泡生长速率的影响较小。


(2)依靠图像后处理程序和统计学方法对气泡脱离过程进行了精准判断，分析了磁场强度对水平和垂直微电极表面气泡脱离特性的影响规律。对于水平微电极而言，低电流密度下外加磁场能够有效促进气泡脱离过程；高电流密度下弱磁场将抑制气泡脱离行为，强磁场将促进气泡脱离行为。对于垂直微电极而言，低电流密度下磁场对气泡脱离行为影响很小，少数磁场条件会抑制气泡脱离过程；高电流密度下磁场明显促进气泡脱离行为，但不同具体电流密度的磁场影响效果不同。


(3)依靠角点检测算法捕获和分析了气泡接触点及接触直径的动态演变规律。水平微电极表面气泡左、右接触点关于电极中心近似对称，气泡能在较短时间内完全覆盖电极表面。垂直微电极表面气泡更趋向于覆盖电极上表面，气泡周围电极面积呈现明显的非对称分布，气泡下接触点存在明显的大小气泡聚并过程。


(4)工作电极电势周期性变化，与电极表面的气泡周期性生长及脱离过程密切关联。增大电流密度，工作电极电势绝对值显著上升。外加磁场能够显著改变工作电极表面电势的变化范围，实际影响效果与具体电流密度密切相关。


(5)借助VOF界面捕捉方法，结合气泡接触直径预测模型，模拟水平微电极表面单个气泡生长过程。模拟与实验获得的单个气泡生长直径变化曲线结果吻合较好。较高的氢气组分过饱和浓度分布集中在气泡足部和电极接触的楔形区域内，气泡足部区域内的气液传质速率较大。受水平微电极的电流畸变影响，气泡足部区域电解液的电流密度和洛伦茨力均较大，且随着气泡尺寸的增大而逐渐增大。在气泡生长周期内，气泡周围的旋转微观磁对流呈现先增强、后减弱的变化规律。