氢能是理想的能源载体,是化石燃料的最佳替代品。电解水制氢是实现大规模制氢从而通往“氢经济”社会的必由之路,因此对电解水制氢开展深入的研究非常有必要。本文以工程热物理和电化学理论的交叉内容为基础,致力于研究水电解过程中的流体动力学行为和传质特性,改变电流密度,探究酸性环境中两种不同尺寸电解槽内的流体运动情况和能质传输机理。该实验采用粒子图像测速法(简称PIV)和数字摄像机进行研究。粒子图像测速法(PIV)是一种测量技术,通过测量流场中示踪粒子在特定时间间隔内的位移,获取流体横截面中的瞬时速度。示踪粒子对PIV测量结果的准确性影响非常大,实验选择直径200nm的Ti O2作为示踪粒子,发展一种适用于实验的添加方法:将少量示踪粒子加入到装有电解液的小烧杯中,搅拌配成悬浊液,再将适量悬浊液倒入电解槽中,以此降低Ti O2颗粒表面能,减少团聚和沉降现象。实验结果表明,气泡驱动对流对电解液的对流传输具有明显影响。氢气泡(阴极,左)驱动对流导致较大的顺时针方向旋转流动,氧气泡(阳极,右)驱动对流产生较小的逆时针方向旋转流动。极板之间间距较小时会产生更高的水电解反应速率和更好的传质现象。电解水过程中会产生焦耳热,这意味着产氢过程中用于热力学上的能耗增加,但焦耳热不会引起明显的自然对流,气泡驱动对流占主导地位。通过比较不同电流密度条件下两个电解槽内的流体运动情况,可知,随着电流密度增加,逸出气体增加的同时气泡驱动对流和对流传质增加,但电流密度较大时,大量的气泡阻碍电极与电解质之间的接触,电化学活性面积减小,观察到类似―核态沸腾‖现象,因此液相速度增加与电流密度不成线性关系。