一种碱性电解水制氢镍电极网的优化设计方法与流程

本发明涉及电极，尤其涉及了一种碱性电解水制氢镍电极网的优化设计方法。

背景技术：

1、工业用碱性电解槽通常是由电源模块、控制模块和反应模块组成，其中反应模块最为重要，反应模块是由电解槽、泵、加热器、气液分离器组成，电解槽是由多个电解小室叠加而成，由极框、阴阳两电极、隔膜、极板流道、主极板、垫片等组成。

2、碱性电解槽运行时oer(析氧反应)或her(析氢反应)电极表面部分被气相产物(氢/氧气泡)覆盖，气泡不能及时排出会导致电极活性面积降低，制约电解槽运行性能。析出气体的纵向输运主要发生在多孔镍电极远离隔膜侧及其与极板所夹流道中，其中镍电极的结构参数(开孔率、厚度等)与流道结构(拉伸板或乳突板的结构参数)及其耦合设计对电解槽性能有着重要影响。同时，不同容量及型号电解槽的小室面积、碱液流量等参数都需要定制化设计。

3、水电解槽的关键功能是通过电化学反应将电能转化为氢气，其中电极是水电解槽的关键部件，也是决定电解效率的关键因素。因此，大多数物理场都考虑了电化学过程及其和其他物理过程之间的作用，例如传热过程、传质过程和流体过程，这些研究评估了物理效应对电解槽的影响，可以更好更准确的预测电解槽设备特性。热—电化学相互作用被认为是最广泛的，因为温度分布显著影响电解槽的耐久和效率，但是很少有人研究电解质流动对电解槽的影响，即流体—电化学相互作用。流体过程对电化学过程的影响体现在气泡的覆盖作用上：电解槽在运行时ore或hre电极会产生气泡并覆盖于电极表面阻碍催化剂与电解质的接触，导致活化过电位和欧姆过电位发生显著变化，从而影响反应速率。这些气泡并不会以恒定速率生成，根据法拉第定律，气体产生的速率与电流密度成正比，随着化学反应速率的增加，电极上产生更多的气泡，由于气泡覆盖效应导致电流密度分布不均，因此需要建立一种适用于电解槽小室的两相流模型。同时，电极结构(形状、开孔率等)、流道结构对电解槽性能有较大的影响，电极结构与电极活性表面积大小有关，实验表明活性表面积越大，使得活化过电位越低，电解槽性能越好；流道结构一般为球凹球凸型，根据球形凹凸面的相对位置、分布结构等，可以得到不同的流动特性，影响碱性电解槽的运行性能。

技术实现思路

1、针对现有技术存在的不足，本发明的目的就在于提供了一种碱性电解水制氢镍电极网的优化设计方法，通过对电极电解过程的建模、优化，给出碱性电解槽在给定运行条件下，与之适配的电极厚度、孔隙率以及开孔形状，在此条件下控制电极表面气泡产生速率，使电极活性表面积尽可能增大，可以有效降低电极过电位，提高电解效率。

2、为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是这样的：

3、一种碱性电解水制氢镍电极网的优化设计方法，包括以下步骤：

4、(1)提出基本假设：电解槽内反应物浓度保持恒定，电极表面产生的o2和h2在电解质中以气泡的气相形式分散；

5、(2)建立电化学模型：确认阴阳电极之间电压、并联电流，设置电解槽边界条件；

6、(3)气液两相流建模：包含气液混合物的质量守恒方程、气液混合物的动量方程、气相的物质平衡方程，入口处边界条件设置、出口处边界条件设置、其他壁面边界条件设置；

7、(4)优化：先设置电极形状，再设置电极厚度、开孔率、开孔形状，然后再通过遗传算法判断结果是否收敛，得到最佳运行性能的电极网。

8、作为一种优选方案，所述步骤(2)中采用下式(1)确认阴阳电极之间电压；

9、

10、其中式(1)中ecell为阴阳电极之间电压，为可逆电压，eohm为欧姆过电压，ηa为阴极反应活化过电位，ηc为阳极反应活化过电位；

11、采用下式(2)确认阴极侧和阳极侧的欧姆过电位ηohm；

12、

13、其中式(2)中ηohm为阴极侧和阳极侧的欧姆过电位，ir为电解槽的反应电流，rc为电极与催化剂层之间的接触电阻，rp为电极电阻，rd为隔膜电阻；

14、采用下式(3)巴特勒—褔尔默方程描述激活过电位与反应电流之间的关系；

15、

16、其中式(3)中ir为电解槽的反应电流，ie为等效交换电流密度，αa为阳极的传递系数，f为法拉第常数，ηa为阴极反应活化过电位，r为理想气体常数，t为温度，z为阳极反应中电子的化学计量系数,即1mol电子转移数，kg为气泡影响因子，i0为交换电流密度；

17、采用下式(4)表示活化过电位与电流的关系；

18、

19、其中式(4)中ir为电解槽的反应电流，φgs为催化剂附近气泡体积分数，i0为交换电流密度，αa为阳极的传递系数，f为法拉第常数，ηa为阴极反应活化过电位，r为理想气体常数，t为温度，为阳极反应中电子的化学计量系数,即为1mol电子转移数；

20、式(1)中所述可逆电压的大小采用下式(5)由吉布斯自由能δg的变化量决定；

21、

22、其中式(5)中z为阳极反应中电子的化学计量系数,即为1mol电子转移数，f为法拉第常数，通常为96485.33c/mol，在标准状态下吉布斯自由能δg＝22.66kj/mol，由此可得

23、作为一种优选方案，所述步骤(2)中采用下式(6)确认并联电流is；

24、

25、其中式(6)中is为并联电流，ecell为阴阳电极之间电压，rkoh为氢氧化钾溶液的电阻；

26、采用下式(7)确认电解槽总电流i；

27、

28、其中式(7)中i为电解槽总电流，is为并联电流，ecell为阴阳电极之间电压，ir为电解槽的反应电流，erev为可逆电位；

29、当ecell≤erev时，电化学不发生反应，因此电流为0；当ecell＞erev时，电化学反应开始，电解槽总电流i为并联电流is与反应电流ir之和。

30、作为一种优选方案，所述步骤(2)中电解槽边界条件设置包括：

31、下式(8)为阳极催化剂处的电势；

32、φlc＝ecell     (8)

33、其中式(8)中φlc为阳极催化剂处的电势，ecell为阴阳电极之间电压；

34、下式(9)为阴极催化剂处的电势；

35、φla＝0  (9)

36、其中式(9)中φla为阴极催化剂处的电势；

37、下式(10)为电解液初始电位；

38、φl0＝0  (10)

39、其中式(10)中φl0为电解液初始电位。

40、作为一种优选方案，所述步骤(3)中气液混合物的质量守恒方程为：

41、

42、其中式(11)中ρg为气体密度，ρl为液体密度，ug为气体速度，ul为液体速度，φg为气体体积分数，φl为液体体积分数；

43、所述步骤(3)中气液混合物的动量方程为：

44、

45、其中式(12)中pm为混合物平均压力，um为混合物平均速度，τm为平均粘性应力，g为重力加速度；

46、所述步骤(3)中气相的物质平衡方程为：

47、

48、其中式(13)中φg为气体体积分数，ug为气体速度，umg为气体扩散速度；

49、作为一种优选方案，所述混合物平均压力pm＝ρgφg+ρlφl，混合物平均速度其中pm为混合物平均压力，ρg为气体密度，ρl为液体密度，ug为气体速度，ul为液体速度，φg为气体体积分数，φl为液体体积分数，um为混合物平均速度。

50、作为一种优选方案，根据均匀流动滑移模型假设所述气体扩散速度为：

51、umg＝ug-um＝0；  (14)

52、其中式(14)中umg为气体扩散速度，ug为气体速度，um为混合物平均度。

53、作为一种优选方案，所述步骤(3)中入口处边界条件设置包括：

54、φg＝φg0＝0；   (15)

55、uin＝u0；   (16)

56、其中式(15)中φg为气体体积分数，φg0为液体体积分数；式(16)中uin为入口碱液速度，u0为电解槽内气体速度；

57、根据法拉第定律，下式(17)催化剂层中气体通量与电流密度成正比：

58、

59、其中式(17)中n为电荷数，nφg为气体通量，j为电流密度，z为阳极反应中电子的化学计量系数，f为法拉第常数，vg为单位物质的气体体积；

60、所述步骤(3)中出口处边界条件设置包括：

61、p＝p0＝0；     (18)

62、其中式(18)中p为电解槽工作压力，p0为出口处压力；

63、所述步骤(3)中其他壁面边界条件设置包括：

64、um＝0；     (19)

65、-nnψg＝0；    (20)

66、其中式(19)中um为其他面壁速度，n为电荷数，nφg为气体通量。

67、作为一种优选方案，所述步骤(4)中当结果不收敛时，更新电极厚度、开孔率、开孔形状种群，控制电极表面积的范围，进行仿真求解控制方程，直到结果收敛，得到最佳运行性能的电极网。

68、与现有技术相比，本发明的有益效果：本发明通过对电极电解过程的建模、优化，经过气泡动力学，针对空隙结构进行拓扑优化，经过优化后，给出碱性电解槽在给定运行条件下，与之适配的电极厚度、孔隙率以及开孔形状，在此条件下控制电极表面气泡产生速率，使电极活性表面积尽可能增大，可以有效降低电极过电位，提高电解效率，同时减少气泡与电极之间的阻力，提高气泡在电解液中的扩散率，从而提高电流密度、降低反应能耗、降低电压需求。