碱性水电解槽中气泡分布特性与流场耦合效应的三维模拟研究

本研究针对碱性水电解(AWE)中气泡积聚影响效率的问题，通过COMSOL Multiphysics 6.2建立三维模型，结合电化学反应与Euler-Euler两相湍流理论，揭示了气泡随高度迁移弱化、流场剪切力导致气泡聚集位置阶段性演变的规律，发现涡流效应是驱动气泡向电解槽中心迁移的关键机制，为AWE传质优化提供了理论支撑。

　　

氢能作为清洁能源载体，其市场需求激增推动了电解水制氢技术的发展。碱性水电解(AWE)虽因成本低、效率高成为最成熟的商业化制氢方式之一，但电极表面气泡积聚形成的"气泡帘"会增大界面电阻、引发极化现象，导致催化剂失效和效率下降。更棘手的是，气泡动态行为还会干扰电解槽内流场分布，形成气液联动的层流/湍流，进一步影响传质效率。目前针对AWE的数值模拟多局限于二维模型，对三维流场效应(如对流、速度分布、扩散等)与气泡动态行为的耦合机制研究仍属空白。

南京工业大学安全科学与工程学院的研究团队在《Fuel》发表研究，通过建立三维瞬态AWE数学模型，首次系统揭示了流场与气泡的相互作用规律。研究采用COMSOL Multiphysics 6.2平台，整合电化学反应与Euler-Euler两相湍流理论，通过实验与模拟结合的方法，重点突破了三项关键技术：基于标准Gibbs自由能变化构建电化学模型，引入Marangoni流动效应边界条件，以及将湍流分散力纳入两相Euler湍流模型以实现动量平衡。

在气泡分布特性方面，研究发现随着电解槽高度增加，气泡从电极向膜的迁移积聚效应逐渐减弱，分布趋于均匀。流场剪切力使气泡聚集位置呈现三阶段演化：从顶部向边缘迁移，最终向中心扩散。高度方向上，流体速度递减而气泡体积分数递增，证实流场对气泡行为的调控作用。

关于流场-气泡耦合效应，研究首次发现气泡诱导的涡流效应是关键机制：高电压条件下，涡流会加剧局部压差和气泡浓度梯度。阴极室中气泡体积分数沿高度呈"S"型分布，而阳极室则表现为线性增长，这种差异源于阴阳极不同的电化学反应速率。

该研究创新性地量化了流场参数与气泡动态的关联性，证实电解槽边缘区域存在明显的速度梯度带，其最大速度差可达0.15 m/s。通过引入湍流分散力修正系数，模型成功复现了气泡从电极表面脱离的临界条件，为优化AWE几何结构与流道设计提供了理论依据。研究结论不仅深化了对AWE多物理场耦合机制的认识，更为提升电解槽传质效率、降低能耗提供了新思路，对推动绿色氢能规模化应用具有重要价值。