新世纪以来,化石能源的消耗量急速增加,伴随着环境污染问题的加剧,氢能作为一种绿色、高效、无污染的可替代能源,受到了越来越多的关注,而如何高效制备氢能成为研究的关键点。现阶段氢气主要通过化石能源制备,生产过程会产生大量CO2,而可再生电能制氢作为一种新兴的制氢过程,国内外学者对此进行了大量的研究。在电解水制氢的过程中,氢气和氧气生成之后会聚集在电极板的附近。而当这些气泡粘附在电极板表面时,就会增加电极板上的阻抗,导致较高的过电位,同时也会减少电极板与电解液的有效接触面积;而当气体聚集在电解液中时,电解液中的气相浓度增加也会影响溶液的电导率。这些问题都会造成电解过程耗电量的增加,为了降低电解水的能耗,提高电能的利用效率,本文从氢气气泡的运动状态入手研究,引入过程强化技术,研究了超重力场中气泡在电极板上生成后从脱离电极板到在电解液中运动的过程,做出了一些工作,并得到了一些研究成果,内容概述如下。第一,本文通过构建带有离心旋转装置的电解水制氢模型,使用COMSOL Multiphysics软件分别建立了在超重力场中氢气气泡脱离电极板的模型,以及氢气气泡在电解液中运动的模型,并通过理论分析验证了模型的可靠性。第二,通过对氢气气泡脱离电极板过程的模拟,可以发现在这一过程中,气泡经过滑动后以圆弧轨迹脱离电极板,且超重力系数越大,耗费的时间越短,脱离后的运动速度更快。同时,尺寸更大的气泡在脱离电极板时耗费的时间也更短。当氢气气泡在常态重力下时,脱离电极板的过程中,只能够沿着电极板上滑,直至在电极板顶部脱离,且相较于在超重力场中的氢气气泡而言,在电极板上的滑动速度十分缓慢。第三,通过对氢气气泡在电解液中运动过程的模拟,可得当相同尺寸的氢气气泡在不同的重力场中运动时,气泡运动的平均速度随超重力系数的增加而逐渐增大;当超重力系数一致时,气泡的尺寸越大,受到的浮力也越大,速度也更大。由于超重力系数越来越大时,氢气气泡在运动中,受到的在竖直方向上的常态重力保持不变,因此气泡位移路径相对于横向的夹角越来越小,即气泡受到的合力的方向越来越向旋转中心点偏移。气泡在电解液中的运动轨迹经过起始段的波动到达稳定状态后,以固定频率的螺旋轨迹运动,且随着超重力系数的增大,氢气气泡的震荡幅度逐渐减小且频率增加,运动的螺旋半径减小,横向位移速率加快。同时发现,氢气气泡在运动过程中外形的变化以及对周围流场的扰动也会影响到自身的运动状态。值得指出,上述关于氢气气泡的运动过程的模拟方法也可以推广到氧气气泡行为的数值模拟中去,具有一定的普适性。综上所述,超重力场的加入不仅能够提升氢气气泡脱离电极板的速度,有效增加电极板表面与电解液的实际接触面积,增加导电面积,提高电极活化水平;还能增加气泡在电解液中的运动速率,使得气泡在脱离电极板之后,更加快速的离开电解液,从而降低电解液中的气相含量,提升电解液的电导率,从而提升电解制氢装置的工作效率。