水电解制氢设备碱液平均分配影响因素的数值模拟研究

肖 宠，张储桥，沈英静，李 闯，魏 灿

（中国船舶集团有限公司第七一八研究所，河北 邯郸 056027）

1 研究背景

碱性水电解制氢是一种成熟的制氢方法，具有氢气纯度高、安全、清洁等优点，目前广泛应用在电子、化工等多个领域。

目前，工业水电解制氢设备的主要问题在于其电解能耗较高、电解电流密度较低，这限制了水电解制氢设备在更多领域上的应用和大气量设备的生产制造。

电解槽由多个电解小室组成，电解液由电解槽的一侧进入，依次流经各个电解小室。如果电解小室内的碱液量过小，那么电解液则不能充满整个电解小室，电解小室的上方将会形成一个气腔。由于气体的导电能力弱于电解液，所以气腔的存在会增大每个电解小室的电阻，从而增大设备的能耗。如果碱液量过大，会超出经济流速的上限，也会增大成本。所以合理控制碱液的流量并使碱液均匀地分配到各个电解小室是非常重要的。李林林等[1]研究一种具有方柱群微小流道结构的电解水制氧槽流道内单相流场分布特性和制氧槽结构对流场分布的影响，认为入口流道形式对流量分配的均匀性起到关键作用。还利用激光粒子图像速度场测量（PIV） 系统对电解制氧槽试件微小方柱群流场进行试验研究，认为改进试件内部水进入流道的入口形式及各横向流道的入口形式，并适当增加周边沟槽流道的阻力，可增加试件内流场分配的均匀性[2]。周抗寒等[3]采用阳极供水与压滤机组装的方式，针对水电解池供水与供电的要求，设计了电解池的极板以及集电板，并对极板进行了轻量化设计，基本解决固体聚合物电解质水电解技术工程化应用中的技术问题，满足了密闭环境对水电解器的性能要求。刘钊[4]研究了阴极电解槽內部电解质的运动情况及电解槽内部的电场，并对电解槽内部电场及槽电压的组成部分进行了分析计算。本文通过数值模拟的方式，探讨了几种不同碱液流量工况和碱液通道结构下，电解槽内的气液流动和碱液分配状况。

2 几何建模及网格划分

本文的研究对象是碱性水电解制氢设备，计算主体区域是电解槽碱液通道、电解槽电解小室、电解槽气液流道。整个计算区域使用结构化网格进行划分。KOH溶液通过碱液入口流入电解槽内，通过碱液通道分配到各个电解小室。水在电解小室内进行电解反应，在阴极侧生成氢气，在阳极侧生产氧气。之后氢气与碱液由氢气气液通道流出，氧气与碱液由氧气气液通道流出。

3 计算模型及边界条件

模拟计算过程选用的湍流模型为标准模型，多项流模型为欧拉模型。氢气和碱液入口为速度入口边界条件，速度分别为1.06663×10-5m/s、0.2448807 m/s。出口为压力出口边界条件。KOH溶液质量分数为30%，密度为1290.5kg/m3。电解槽工作压力为3.2MPa，工作温度为85～90℃。氢气产量为10m3，氧气产量为5m3，碱液循环量0.5m3/h。

本文分别模拟了电解槽正常工况、碱液量增大10倍、电解槽碱液流道面积增大、电解槽碱液流道面积减小四种情况。

4 结果分析

图1是在电解槽正常工况下，在y=-0.26m的截面上（碱液通道截面，单位m/s），碱液速度矢量分布云图。在图1可知，在靠近入口处的碱液流速最大，之后呈先逐渐减小再逐渐增大的趋势。这是由于流体在向上流动的过程中，需要克服重力，流体的动能转化为重力势能。由于在入口处流体的流速是最大的，流体有更大的能量克服重力的阻碍，所以前几个通道分配的碱液的量较多。由于碱液流道的面积是固定不变的，随着碱液量的减少，碱液在流道中的流速也随之降低，流体的动能降低，克服重力阻碍的能力也下降，故在碱液流道的中部，碱液进入电解小室的量也降低。而在碱液流道的末尾处，由于此时未进入电解小室的碱液全部堆积在此处，只能通过末尾的几个通道流入电解小室，所以在这里流体的流量反而会增大。综上所述，流体流入电解小室的量受流体的总体流速影响，但与此同时，各个电解小室的碱液分配更受流体在各个通道处的速度之差影响，速度越相近，分配越均匀。

在将碱液流量增大10倍后，由图2中的截面速度矢量图（单位m/s）可知，碱液流速在末尾几个通道处依然很大，甚至高过了入口处的通道。这是因为虽然碱液的速度总体上增大了，但是各个电解小室通道处的速度之差并没有改变，故不能增加碱液分配的均匀度。而且由于碱液量总体上的增大，碱液在末尾处堆积的更多，故末尾几个通道的流速变得更大，上述碱液分配不均匀的问题也变得更加明显。

图1 y=-0.26m处的碱液速度矢量分布云图

图2 碱液流量增大10倍后的速度矢量图

在扩大碱液流道面积后，保持流速不变，此时与第一种情况相似，在靠近入口处的碱液流速最大，之后呈先逐渐减小再逐渐增大的趋势，且由于碱液流道内的碱液量更大，末尾处堆积了更多的碱液，使得末尾处的通道碱液流速很大。

在改变碱液流道结构后，减小了碱液流道面积，在碱液量不变的情况下，碱液流道内速度增大，进入各个电解小室的碱液量增多，末尾处堆积的碱液量减少，这对碱液在各个通道处的平均分配有一定参考作用。

5 结论

以上分析说明，流体在流经通往电解小室的通道时，速度越大，越有能力克服重力的阻碍。为了保证碱液在各个通道的平均分配，应该尽量让流体在通道内一直保持较高的流速，且速度差不能太大。但是受流体在通道内流动的速度上限所限制，不能无限制提高碱液的量和流动速度。因此，在合理的范围内，改变碱液流道的结构，减小碱液通道的面积，适当提高碱液流速是改善碱液在各个通道分配情况的可行思路。