受限板间距电化学系统中上升气泡强化传质优化研究

《International Journal of Hydrogen Energy》：Efficient mass transfer optimization via rising bubbles in an electrochemical system with confined plate spacing

本文针对液流电池、水电解槽等平行板电化学装置在受限流道内传质强化困难、能耗高的问题，创新性地提出利用上升气泡（bubble-induced convection）作为高效传质策略。研究通过极限电流法测量传质系数（mass transfer coefficient, Km），发现在6 mm极板间隙内，仅10 mL/min气泡注入即可达到529 rad/min电极旋转的强化效果，甚至优于1800 mL/min强制液体对流。单气泡同步实验与数值模拟揭示了气泡头部剪切流（shear flow）和尾部涡流（wake）是增强传质的关键机制，为紧凑型电化学反应器优化提供了新途径。

　　

Section snippets

Electrochemical system set up

电化学反应器设置如图1所示，其特点是具有一个可精确控制气泡行为的受限空间结构。反应器由一个尺寸为40 mm × 265 mm × 40 mm的矩形丙烯酸容器构成，其内壁设有四条3 mm的凹槽。这些凹槽与两块丙烯酸板共同形成了一个极板间距为6 mm的平行板结构。一块铂片电极（20 mm × 20 mm × 0.1 mm, 纯度99.9%）被安置在通道底部上方145 mm处。

Enhancement of reaction mass transfer by rising bubbles

本实验旨在探究上升气泡对反应传质的增强效果。我们测量了由上升气泡诱导对流（bubble-induced convection）、强制液体对流（forced liquid convection）以及无扰动情况下的传质效果，以评估上升气泡在受限空间中如何改善反应传质。在气泡诱导对流实验中，我们使用流量计控制气体流速（Q_g = 10 mL/min），通过注射器针头向电极间隙注入多个上升气泡。

Conclusion

本研究探讨了上升气泡在空间受限的电化学反应器中对传质的影响及其机制。我们定量评估了不同气体流速下产生的气泡对反应传质的增强效果。为了量化这一性能，我们将其与不同液体流速下的强制液体对流进行了比较。该对比分析利用了旋转电极系统和传质系数比（K_m/K_m,0）。此外，我们...