制氫產(chǎn)物顆粒沉降過(guò)程特性的PIV試驗(yàn)研究

高育幗，李建鋒

（1.成都航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川 成都 610100；2.中國(guó)航天科技集團(tuán)第七研究院總體設(shè)計(jì)部，四川 成都 610100）

氫燃料電池具有能量密度高、環(huán)保無(wú)污染、綜合效能優(yōu)等諸多優(yōu)勢(shì)，是國(guó)內(nèi)外能源領(lǐng)域的重點(diǎn)研究方向之一。氫氣作為氫燃料電池的還原劑，其高效穩(wěn)定和定量可控的輸出，是制氫-發(fā)電耦合系統(tǒng)高效運(yùn)行的前提。隨著制氫及儲(chǔ)氫技術(shù)的快速發(fā)展[1-2]，氫燃料電池的安全性和經(jīng)濟(jì)性不斷提升，使得戶外探險(xiǎn)、野外作戰(zhàn)、水下武器、無(wú)人機(jī)超視距飛行以及船舶推進(jìn)等場(chǎng)景下對(duì)便攜式氫燃料電池的應(yīng)用需求顯著增加。在制氫技術(shù)中，相比傳統(tǒng)化石燃料制氫的高污染、電解水制氫的高能耗[3]以及生物制氫的低效率，鋁-水制氫因其原材料易得、產(chǎn)氫率相對(duì)較高、安全無(wú)污染等獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，成為便攜式制氫技術(shù)的主要發(fā)展方向[4]。

目前國(guó)外在便攜式氫燃料電池領(lǐng)域，已有個(gè)別商業(yè)化產(chǎn)品出現(xiàn)。如日本Bio Coke公司采用水+氧化鎂制氫的便攜式氫燃料電池，但其主要針對(duì)辦公場(chǎng)所等環(huán)境下的應(yīng)用，暫未考慮野外使用環(huán)境[5-6]。國(guó)內(nèi)在該領(lǐng)域依然處于實(shí)驗(yàn)室探索研制階段，未見有產(chǎn)品化應(yīng)用案例。

在鋁水制氫技術(shù)及過(guò)程控制方面，主要采取一次性投料[7-8]、控制壓力調(diào)節(jié)產(chǎn)氫速度[9]、超聲波輔助提高制氫效率[10]等方法，存在投料方式單一、不具備連續(xù)投料能力、系統(tǒng)靈活性和自由度不高的問(wèn)題，尤其是在便攜式的設(shè)計(jì)目標(biāo)條件下，儲(chǔ)氫罐體積制約了單次產(chǎn)氫量的提升，進(jìn)而影響燃料電池容量的擴(kuò)展，無(wú)法滿足長(zhǎng)續(xù)航、及時(shí)補(bǔ)給、可控按需制氫等場(chǎng)景的使用需求。因此，提出一種創(chuàng)新的設(shè)計(jì)思路，設(shè)計(jì)一款控制自由度更高的實(shí)時(shí)投料式接觸反應(yīng)制氫器，在兼顧輕量化和安全性的前提下，做到實(shí)時(shí)制氫和按需制氫（即產(chǎn)即用）。

一種可行的鋁水反應(yīng)組織形式是向液態(tài)水中實(shí)時(shí)供應(yīng)球磨化處理的鋁基合金粉末[11-12]，在液體表面發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生氫氣，產(chǎn)生的固相產(chǎn)物沉降至液態(tài)水中。該組織形式的關(guān)鍵是保證固相產(chǎn)物能夠及時(shí)沉入反應(yīng)器底部，或有效擴(kuò)散至反應(yīng)器整體空間，不堆積或漂浮在液體表面，阻礙鋁基合金粉末與水的有效接觸，影響制氫過(guò)程的連續(xù)性和反應(yīng)充分性。因此，鋁水制氫中固相產(chǎn)物在液態(tài)水中的運(yùn)動(dòng)擴(kuò)散過(guò)程是反應(yīng)組織的核心環(huán)節(jié)，也是實(shí)時(shí)投料式制氫反應(yīng)器研制的重要內(nèi)容之一。

PIV（Particle Image Velocimetry）粒子圖像測(cè)速法是瞬態(tài)、多點(diǎn)、無(wú)接觸式的激光流體力學(xué)測(cè)速方法，通過(guò)測(cè)量示蹤粒子在已知短時(shí)間內(nèi)的位移，間接獲取流場(chǎng)的瞬態(tài)速度分布。同時(shí)可在同一時(shí)刻記錄大量空間點(diǎn)的速度分布信息，提供豐富的流場(chǎng)空間結(jié)構(gòu)及流動(dòng)特性[13]。

本文針對(duì)鋁水固液異相反應(yīng)產(chǎn)物的顆粒沉降過(guò)程，采用Al（OH）3顆粒工質(zhì)開展冷態(tài)模擬試驗(yàn)，將不同尺度的顆粒投入液態(tài)水中，通過(guò)PIV系統(tǒng)采集觀察顆粒在液態(tài)水中的沉降過(guò)程，獲得顆粒沉降過(guò)程的速度場(chǎng)及濃度場(chǎng)分布特征，并通過(guò)不同顆粒尺度的對(duì)比試驗(yàn)，掌握顆粒尺度對(duì)沉降過(guò)程的影響規(guī)律。

1 試驗(yàn)方法

本試驗(yàn)系統(tǒng)由反應(yīng)池（水槽）、進(jìn)料篩板、PIV系統(tǒng)（激光器、電源、導(dǎo)光臂、計(jì)算機(jī)、同步器、CCD相機(jī)等）構(gòu)成。試驗(yàn)選用3種不同尺度的Al（OH）3顆粒（A組：38μm、B組：2~3μm、C組：0.3~0.5μm），準(zhǔn)備篩板，篩板上規(guī)律排布直徑為1.5 mm的過(guò)料孔，試驗(yàn)前，將Al（OH）3粉末顆粒放置于每列孔之間的區(qū)域，篩板開孔及反應(yīng)物料的布置如圖1所示。

圖1 篩板開孔及反應(yīng)物料布置圖

待PIV系統(tǒng)（軟件、片光源、相機(jī)等）準(zhǔn)備完畢，設(shè)置采集頻率6幀/s，啟動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)，沿長(zhǎng)度方向來(lái)回抖動(dòng)篩板使粒子穿過(guò)開孔進(jìn)入反應(yīng)池，加入的粒子量人為控制，試驗(yàn)過(guò)程中采集并獲取顆粒沉降速度及濃度分布信息，各組顆粒采集時(shí)間均為80 s。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 產(chǎn)物沉降過(guò)程的特征現(xiàn)象

取3組試樣分別通過(guò)進(jìn)料系統(tǒng)投入反應(yīng)池，觀察顆粒沉降過(guò)程。以A組顆粒（直徑38μm）為例分析其過(guò)程特性，不同時(shí)刻下顆粒在液態(tài)水中的擴(kuò)散過(guò)程如圖2所示。初始進(jìn)入水中的試樣，一部分呈現(xiàn)出顆粒本身直徑方向的散開狀，另一部分呈現(xiàn)出團(tuán)聚現(xiàn)象（如圖2所示反應(yīng)池右側(cè)標(biāo)識(shí)區(qū)域）。

圖2 A組顆粒在不同時(shí)刻下的沉降情況實(shí)拍圖

通過(guò)PIV測(cè)試系統(tǒng)，獲取A組顆粒在不同時(shí)刻的速度場(chǎng)分布情況如圖3所示，最大沉降速度隨時(shí)間的變化趨勢(shì)如圖4所示。試樣進(jìn)入水中沉降過(guò)程中，首先加速，最大沉降速度為7 mm/s，然后逐漸減速，至80 s時(shí)最大沉降速度為1.6 mm/s，在整個(gè)沉降過(guò)程中，以較為松散狀進(jìn)入水中的產(chǎn)物顆粒沉降速度變化小，并最終基本處于懸浮狀態(tài)；團(tuán)聚狀產(chǎn)物沉降速度變化較大，至80 s觀測(cè)結(jié)束時(shí)，依然處于沉降過(guò)程中，并大概率會(huì)沉降至反應(yīng)池底部。

圖3 A組顆粒在不同時(shí)刻的速度場(chǎng)分布圖（PIV系統(tǒng)數(shù)據(jù)）

圖4 A組顆粒最高沉降速度隨時(shí)間變化趨勢(shì)圖

對(duì)該過(guò)程特性進(jìn)行分析，顆粒在沉降過(guò)程中受阻力、浮力及重力作用，其中由摩擦引起的阻力隨顆粒與流體之間相對(duì)速度的變化而變化。

假設(shè)顆粒為球狀，顆粒直徑為d，顆粒密度為ρs，液體密度為ρ，重力加速為g，顆粒沉降速度為u，ζ為阻力系數(shù)[14]。則：

顆粒進(jìn)入反應(yīng)池初期，重力大于浮力與阻力的合力，產(chǎn)生向下的加速度，因此以一定初速度進(jìn)入液態(tài)水中的顆粒速度會(huì)不斷增加，隨著速度的增加，阻力逐漸增加；另外隨著沉降過(guò)程中團(tuán)聚狀顆粒的不斷逸散，重力相對(duì)減弱，運(yùn)動(dòng)過(guò)程成為加速度減小的加速運(yùn)動(dòng)，直至加速度為0，即速度最大值；隨后浮力與阻力的合力開始大于重力，產(chǎn)生向上的合力，使得顆粒變?yōu)闇p速運(yùn)動(dòng)。

2.2 顆粒尺度對(duì)沉降過(guò)程的影響

為研究不同的顆粒尺度大小對(duì)粒子沉降過(guò)程的影響特性，另外開展3組對(duì)比試驗(yàn)，依然選取A組：38μm，B組：2～3μm，C組：0.3～0.5μm，通過(guò)調(diào)整進(jìn)料篩板與液面的高度，實(shí)現(xiàn)不同的入水速度，并在此過(guò)程中，盡可能保證3組試樣獲得相同的入水初始速度，3組試品的最大沉降速度實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比如圖5所示，同一時(shí)刻各組沉降速度及濃度場(chǎng)分布如圖6所示。

由圖5可知，小尺度的顆粒沉降過(guò)程的起始加速及后程減速過(guò)程中的梯度更大，速度變化更快，且達(dá)到懸浮狀態(tài)的時(shí)間更短。由圖6可知，在40 s時(shí)，顆粒尺度最小的C組，速度已降至0.5 mm/s以下，并開始保持基本恒定，處于微小速度的懸浮狀態(tài)；而在40 s時(shí)，顆粒尺度最大的A組還在以較高的速度（最高4.2 mm/s）向水池底部沉降。說(shuō)明顆粒尺度較大的產(chǎn)物更容易沉降并離開液面。

圖5 實(shí)測(cè)不同尺度顆粒最大沉降速度對(duì)比

圖6 同一時(shí)刻（40 s）各組顆粒的速度及濃度場(chǎng)分布

通過(guò)試驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)，團(tuán)聚狀的小尺度顆粒團(tuán)，更容易隨著沉降過(guò)程發(fā)生逸散。另外，無(wú)論顆粒尺度大小，以及是否存在團(tuán)聚現(xiàn)象，固相產(chǎn)物均能夠有效擴(kuò)散至反應(yīng)池整體空間或及時(shí)沉入反應(yīng)器底部，均未出現(xiàn)產(chǎn)物顆粒在液體表面的凝結(jié)、堆積或漂浮等情況。

3 結(jié)論

通過(guò)本次冷態(tài)試驗(yàn)研究，獲得如下結(jié)論：

（1）無(wú)論顆粒尺度大小，產(chǎn)物Al（OH）3顆粒在投入水中后，未在液面出現(xiàn)凝結(jié)、聚集、漂浮等現(xiàn)象，均能有效擴(kuò)散至反應(yīng)池整體空間或沉入反應(yīng)池底部。

（2）小尺度松散狀顆粒會(huì)較快地出現(xiàn)擴(kuò)散，沉降過(guò)程中速度變化較快，達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)（懸?。┑臅r(shí)間更短。大尺度松散狀顆粒速度變化相對(duì)較小，但在反應(yīng)池內(nèi)持續(xù)下沉擴(kuò)散，在觀測(cè)時(shí)間內(nèi)（上限80 s），基本達(dá)到穩(wěn)定懸浮狀態(tài)。

（3）小尺度的團(tuán)聚狀顆粒，更容易隨著沉降過(guò)程的進(jìn)行而發(fā)生逸散；大尺度的團(tuán)聚狀顆粒平均速度較高，但速度變化較慢，在同一時(shí)刻依然處于向底部沉降的過(guò)程中，較大的可能會(huì)以團(tuán)聚狀沉入水池底部。

（4）沉降過(guò)程中后期（30 s以后），隨著顆粒尺度的增加，同一時(shí)刻顆粒沉降速度的最大值逐漸增加，說(shuō)明較大尺度的顆粒更容易沉降并離開液面，以保證鋁基合金粉末與水的有效接觸與持續(xù)反應(yīng)。

本文針對(duì)球磨化處理的鋁基合金粉末與水反應(yīng)的固體生成物Al（OH）3在液態(tài)水中的沉降過(guò)程特性研究，獲得了不同尺度的固相顆粒狀產(chǎn)物在水中沉降過(guò)程的速度及濃度場(chǎng)分布情況，以及不同顆粒尺度對(duì)沉降過(guò)程的影響規(guī)律，為掌握實(shí)時(shí)投料式鋁水制氫反應(yīng)的過(guò)程特性及制氫反應(yīng)器的設(shè)計(jì)提供了一定支撐和參考，鑒于實(shí)際的鋁水制氫反應(yīng)中，影響產(chǎn)物沉降過(guò)程的受控因素眾多、物理過(guò)程復(fù)雜，還需通過(guò)深入的熱態(tài)試驗(yàn)開展進(jìn)一步研究。