碱水电解两相流仿真模型研究.pdf
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1、84上海电气技术2023,16(2)碱水电解两相流仿真模型研究王文军上海电气集团股份有限公司中央研究院摘要:针对碱水电解反应中气泡对碱水流动和反应过程的影响,采用欧拉-欧拉两相流仿真模型来描述碱水电解过程中气液两相界面和气泡的运动,并在ComsolMultiphysics软件中耦合巴特勒-福尔默电流分布模型,模拟碱水电解。研究结果表明,气泡在电解过程中会对碱水的流动和反应产生显著影响,气泡的存在会降低碱水的电导率,造成隔膜内电流分布不均匀,从而影响电解效率。所做研究为进一步优化碱水电解槽的设计和操作提供了参考。关键词:碱水;电解;气体;液体;仿真;研究中图分类号:TQ035文献标志码:AAbs
2、tract:In response to the influence of bubble on the flow and reaction process of alkaline waterelectrolysis,an Euler-Euler two-phase flow simulation model was used to describe the gas-liquid two-phaseinterface and bubble motion during the alkaline water electrolysis process.The Butler-Vulmer current
3、distribution model was coupled in the Comsol Multiphysics software to simulate alkaline water electrolysis.The research result indicates that bubble has a significant impact on the flow and reaction of alkaline waterduring the electrolysis process.The presence of bubble can reduce the conductivity o
4、f alkaline water,resultingin uneven current distribution within the membrane,and thus affecting the electrolysis efficiency.This studywill provide a reference for further optimizing the design and operation of alkaline water electrolysis tank.Keywords:Alkaline Water;Electrolysis;Gas;Liquid;Simulatio
5、n;Research上海2200070文章编号:16 7 4-540 X(2023)02-084-04等方面可以提供更为准确的信息,对于电解过程的1研究背景优化和改善具有重要的意义。因此,建立碱水电解碱水电解是一种广泛应用于金属生产、化工、可再生能源消纳、绿氢生产等领域的重要技术,电解过程中气泡的生成、传输和分布状态对电解反应的效率有着重要的影响。因此,对碱水电解中气泡的生成和传输过程进行研究,建立相应的两相流仿真模型,对优化电解过程、提高反应效率、降低能耗等方面具有重要的意义。在过去的研究中,传统的透明管高速摄像实验方法虽然可以获得一些气泡的运动和分布信息,但在操作上具有一定的难度和限制,而
6、且难以获得气泡的细节信息,如形态、尺寸等。相比之下,两相流仿真技术具有不受实验条件限制、精度高、可重复性好等优点,在气泡生成、传输、分布状态两相流仿真模型,并利用该模型对气泡的生成和传输过程进行研究,可以更全面地理解电解过程中气泡对电解效率的影响,为进一步改进电解工艺提供理论依据和技术支持。同时,基于仿真的电解工艺优化设计也具有重要的应用参考价值和经济效益。近年来,碱水电解反应两相流仿真模型研究得到了广泛的关注和探索,国内外学者们通过不同的数值模拟方法,对碱水电解中气泡的生成和输运过程进行了深入的研究。在国外,Sungkorn等利用晶格玻尔兹曼方法对碱水电解两相流进行了数值模拟,研究了气泡在碱
7、水中的形态、大小以及气泡与流场之间的相互作用。Tori等2 通过对两相流和电收稿日期:2 0 2 3-0 3作者简介:王文军(198 1一),男,硕士,工程师,主要从事水电解和燃料电池装备开发工作2023,16(2)化学现象进行了三维耦合数值模拟,阐明了微型气泡动力学影响离子传输和电解过电位的机制。在国内,Zhan Shuiqing等3 使用欧拉-拉格朗日方法,建立了电解气泡生成和输运的数值模型,探究了不同工艺参数下气泡分布和体积分数的变化规律。刘宇新等4使用计算流体动力学模拟方法,探究了气泡在碱水电解中的运动和分布情况,并研究了气泡在电解槽内的体积分数对电解反应的影响。综合国内外研究现状可以
8、发现,研究者们主要采用计算流体动力学、晶格玻尔兹曼等数值模拟方法进行碱性电解槽两相流的仿真模拟,并通过模拟分析了气泡的生成、传输、分布情况以及对电解反应的影响,为碱水电解工艺的优化和改进提供了理论依据和技术支持。笔者采用数值模拟方法在Comsol Multiphysics软件中建立欧拉-欧拉两相流仿真模型并耦合巴特勒-福尔默电流分布模型来模拟碱水电解,从而来研究碱水电解中产生的气泡对电解效率的影响。2碱水电解制氢工作原理及电化学模型碱水电解指将碱水中的水分解成氢气和氧气的化学反应,如图1所示。02OH-H.O在负极上,氢气的析出过程为:2H,O(1)+2e-H(g)+2 OH-在正极上,氧气的
9、析出过程为:20H-O2(g)+H2 O(1)+2e2碱水电解反应是一个吸热反应,需要输人电能才能进行。反应的动力学可以用极化曲线来描述,极化曲线是电流密度与电压之间的关系曲线。基于极化曲线,可以建立一个简单的动力学模型来描述碱水电解的反应速率和效率5-6。例如,塔费尔方程上海电气技术式可以用来描述电极电势和电流密度之间的关系:U a c t =a +b ln(i)(1)式中:uact为电极活化过电势;a、b 为塔费尔常数;i为电流密度。塔费尔方程式可以用来解释氢极区和氧极区的反应速率,并且在一定范围内具有一定的可靠性。此外,可以使用更复杂的动力学模型来描述电极反应的速率、电流密度和电极电位之
10、间的关系,例如巴特勒-福尔默方程式:CR(omFUacti=io1exp(RTCP=(1-)nFUactcexpRT式中:c为反应物实际表面浓度cp为生成物实际表面浓度;c*为反应物参考表面浓度;c*为生成物参考表面浓度;io为在c*和co*时的交换电流密度的测量值,代表标准浓度下的交换电流密度;为传输系数;n为传输的电子数;F为法拉第常数;R为气体常数;T为反应温度;Uact为电压损失。巴特勒-福尔默方程式中考虑了电极表面的化学反应和电荷转移过程,以便更精确地预测电极反应速率和效率。直流电源H2OHOH电隔电极膜极H20碱水(KOH溶液)图1碱水电解85(2)3模型建立3.1模型假设Coms
11、olMultiphysics是一款常用的多物理场仿真软件,可以用于模拟水电解的反应过程7。在建立模型时,需要进行一些模型假设,以简化模型并提高计算效率。模型假设如下:碱水为稳态流动状态,即忽略碱水的动态效应;模型中只考虑氢气和氧气的生成,忽略其它可能的产物;忽略氢气和氧气的扩散过程,即认为气泡立即离开碱水表面;忽略电解槽内部的温度和浓度变化,即认为电解槽内部温度和浓度均匀不变;假设电解反应只在电极表面发生,忽略电极内部的反应过程;假设电极表面没有反应物的限制,即电极表面反应速率等于电极上的电流密度。以上假设是为了简化模型而做出的,在实际模拟中,需要根据具体情况对模型做出更合理的假设,并根据需要
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