【摘要】：氫能在石油、化工及冶金等工業(yè)領(lǐng)域應用廣泛，被譽(yù)為未來(lái)世界能源架構的核心。水電解制氫工藝簡(jiǎn)單、環(huán)境污染較小、產(chǎn)物純度較高，廣泛應用于可再生能源儲能技術(shù)中。研究表明，施加磁場(chǎng)能夠有效管理電極表面的氣相產(chǎn)物，降低電極表面氣泡效應引起的額外能耗。但目前關(guān)于磁場(chǎng)對電極表面氣泡生長(cháng)及脫離過(guò)程的影響機制尚不明晰，磁場(chǎng)作用下氣泡界面的動(dòng)態(tài)演化規律尚待探索。為深入研究電解過(guò)程中電流密度和磁場(chǎng)強度對電極表面氣泡生長(cháng)及脫離過(guò)程的影響規律。

本文分別設計了水平和垂直微電極兩套水電解制氫實(shí)驗系統，借助高速攝像對不同電解條件下微電極表面單個(gè)氣泡的演化過(guò)程進(jìn)行可視化拍攝，結合圖像后處理Open CV-Python程序對單個(gè)氣泡特征參數進(jìn)行提取和分析，重點(diǎn)對不同電解條件下氣泡生長(cháng)直徑、生長(cháng)時(shí)間、接觸直徑、脫離直徑、接觸點(diǎn)位置及工作電極電勢等參數的變化規律進(jìn)行探索。在實(shí)驗研究基礎上，采用VOF多相流數值模擬方法對垂直磁場(chǎng)作用下水平微電極表面單個(gè)氣泡的動(dòng)態(tài)生長(cháng)行為進(jìn)行研究，主要研究?jì)热菁敖Y論如下:

(1)通過(guò)對氣泡實(shí)時(shí)直徑的準確測量，描述了垂直磁場(chǎng)作用下水平和垂直微電極表面單個(gè)氣泡的動(dòng)態(tài)演化特性。兩種微電極表面氣泡直徑隨生長(cháng)時(shí)間的變化速率均近似滿(mǎn)足D(t)=βt~13規律，與相關(guān)文獻結論一致。單個(gè)氣泡生長(cháng)速率均由微電極表面電流密度決定，氣泡生長(cháng)速率隨電流密度的增大而增大，外加磁場(chǎng)對氣泡生長(cháng)速率的影響較小。

(2)依靠圖像后處理程序和統計學(xué)方法對氣泡脫離過(guò)程進(jìn)行了精準判斷，分析了磁場(chǎng)強度對水平和垂直微電極表面氣泡脫離特性的影響規律。對于水平微電極而言，低電流密度下外加磁場(chǎng)能夠有效促進(jìn)氣泡脫離過(guò)程；高電流密度下弱磁場(chǎng)將抑制氣泡脫離行為，強磁場(chǎng)將促進(jìn)氣泡脫離行為。對于垂直微電極而言，低電流密度下磁場(chǎng)對氣泡脫離行為影響很小，少數磁場(chǎng)條件會(huì )抑制氣泡脫離過(guò)程；高電流密度下磁場(chǎng)明顯促進(jìn)氣泡脫離行為，但不同具體電流密度的磁場(chǎng)影響效果不同。

(3)依靠角點(diǎn)檢測算法捕獲和分析了氣泡接觸點(diǎn)及接觸直徑的動(dòng)態(tài)演變規律。水平微電極表面氣泡左、右接觸點(diǎn)關(guān)于電極中心近似對稱(chēng)，氣泡能在較短時(shí)間內完全覆蓋電極表面。垂直微電極表面氣泡更趨向于覆蓋電極上表面，氣泡周?chē)姌O面積呈現明顯的非對稱(chēng)分布，氣泡下接觸點(diǎn)存在明顯的大小氣泡聚并過(guò)程。

(4)工作電極電勢周期性變化，與電極表面的氣泡周期性生長(cháng)及脫離過(guò)程密切關(guān)聯(lián)。增大電流密度，工作電極電勢絕對值顯著(zhù)上升。外加磁場(chǎng)能夠顯著(zhù)改變工作電極表面電勢的變化范圍，實(shí)際影響效果與具體電流密度密切相關(guān)。

(5)借助VOF界面捕捉方法，結合氣泡接觸直徑預測模型，模擬水平微電極表面單個(gè)氣泡生長(cháng)過(guò)程。模擬與實(shí)驗獲得的單個(gè)氣泡生長(cháng)直徑變化曲線(xiàn)結果吻合較好。較高的氫氣組分過(guò)飽和濃度分布集中在氣泡足部和電極接觸的楔形區域內，氣泡足部區域內的氣液傳質(zhì)速率較大。受水平微電極的電流畸變影響，氣泡足部區域電解液的電流密度和洛倫茨力均較大，且隨著(zhù)氣泡尺寸的增大而逐漸增大。在氣泡生長(cháng)周期內，氣泡周?chē)男D微觀(guān)磁對流呈現先增強、后減弱的變化規律。