堿性固體聚合物水電解槽流道模擬與優(yōu)化設(shè)計.pdf

1、水電解制氫是一種清潔的、比較簡單的制取高純度氫氣的方法，也是目前最為廣泛使用的將可再生資源轉(zhuǎn)換為氫的方法之一。堿性固體聚合物水電解(Alkaline Solid Polymer Electrolyte，ASPE)是一種新興的水電解制氫技術(shù)，其工作原理可以看作質(zhì)子交換膜燃料電池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell, PEMFC)的逆過程。該技術(shù)既具有固體聚合物水電解(Solid Polymer Elect

2、rolyte, SPE)的高效性又具有堿性水電解的廉價性。本文在PEMFC和SPE流道研究基礎(chǔ)上，對ASPE流道進行了數(shù)值模擬，主要研究工作如下：
　　1)分析了通道尺寸和邊界條件對傳統(tǒng)直通道和蛇形流道內(nèi)兩相流傳輸?shù)挠绊?。研究發(fā)現(xiàn)，直通道流道取槽深H=0.8，槽脊寬度比:W L=3:1，蛇形流道取槽深H=0.8~1.0，槽脊寬度比:W L=3:1，電解槽性能相對較好。保持槽深為0.8，槽脊寬度比為3:1，隨通道數(shù)的減少，進水速度的

3、增大，氫氣質(zhì)量流量的增大，流道的壓差逐漸增大；流道內(nèi)流速主要取決于進水速度，進水速度越大，流速越大，流體分配均勻性越差；由于氫氣量相對進水量很少，整個流道的溫度場分布較均勻，各邊界條件對其影響不大；流道壓差隨壁溫的增大，先增大后減小，沿流動方向，通道內(nèi)兩相流溫度由接近進水溫度逐漸變化到接近壁溫，壁溫與進水溫度相差越大溫度場越不穩(wěn)定；
　　2)考察了通道截面形狀對直通道內(nèi)兩相流傳輸?shù)挠绊?。研究發(fā)現(xiàn)，當通道尺寸及邊界條件相同時，長圓形

4、截面面積較小，流體流速較大，且其底部的圓弧設(shè)計減小了底面的粘性阻力，利于引流，又不至于引起通道阻塞，進而提高了電解槽性能；
　　3)研究了直通道內(nèi)流道壁面親疏水性對氣泡和氣膜傳輸?shù)挠绊?。研究表明，憎水性擴散層表面和非親水非憎水性通道壁面更有利于引流和傳質(zhì)。
　　本文通過數(shù)值模擬分析了流道結(jié)構(gòu)尺寸、邊界條件、流道類型、截面形狀和親水性對ASPE電解槽性能的影響，開展了ASPE流道結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計，對ASPE流道設(shè)計制造具有一定的