在电解水制氢行业中,碱性水电解制氢由于其产品纯度高、设备成熟简单、操作方便、投资少等特点,成为目前主要的制氢技术路线。但是随着氢能需求量的增大,碱性电解水制氢能耗过高、设备体积庞大笨重等缺点也日益突出。本文以工业生产中使用的碱性电解槽结构为基础,通过计算流体力学软件仿真对碱性水电解槽内部速度场、气液分布、压力分布、电压分布进行分析,获得了影响电解槽能耗的规律。通过研究发现电解反应生成的气体是造成电压升高的重要因素,而且气体主要集中在电极孔洞和电极室上部,并且从电极正表面到电极室内部气体含量逐渐减少。根据仿真分析结果,一方面通过对电极室流道结构的优化设计加快室内气体流速,增强对电极室的流体扰动;另一方面,通过对电极结构的优化设计使得电极表面气体的传输速度加快,气体含量减少,减少能耗。通过本课题研究可以为高电流密度碱性水电解槽的结构优化设计提供理论指导,具体研究内容如下:首先,构建了碱性水电解槽的结构模型,开展仿真实验。根据计算流体力学及多相流技术,采用Comsol Multiphysics软件的Euler-Euler模块构建了电解槽模型,以电极室距离电极0.01 mm纵向截面和电极靠近电极室的表面、电极中间位置纵向截面、电极靠近隔膜的表面上的速度值、气体体积分数为衡量指标,分析碱性水电解槽内流道与电极结构在不同设计参数条件下流体流动状态以及传质能力的变化规律。仿真结果显示:1)在电流密度为2 kA/m~2的情况下,筋板结构流道效果最好,气体体积分数和电压最低;2)在电流密度为4 k A/m~2和6 k A/m~2情况下,V字型结构性能更好;3)当采用三角形筋板缺口结构时,流道内局部流速大,带走电极表面气体,使电极气体含量较小,电压下降,能耗降低。其次,搭建了小型碱性水电解槽实验平台,开展验证实验。依据仿真计算结果得到的优化结构,搭建实验平台,进行碱性水溶液的电解实验。实验结果表明:在2 k A/m~2的工况条件下,与目前工业化的碱性水电解槽流道结构比,三角形筋板缺口流道结构电解槽的槽电压降低了15 m V,能耗降低约1%。电极结构方面,在2 k A/m~2、4 k A/m~2、6 k A/m~2的工况条件下,在原有细密镍网下增加162目弹性网做为电极,槽电压分别降低了240 mV、510 mV、570 mV,能耗降低11%、20%、22%。