CN105839136B - 一种用于spe电解的中心对称式辐射状双极板流场结构 - Google Patents

一种用于spe电解的中心对称式辐射状双极板流场结构 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于SPE电解的中心对称式辐射状双极板流场结构，包括带有入料水口和出口的双极板本体，由沿双极板本体径向并呈中心对称的多条内环脊构成的内辐射流道和多条外环脊构成的外辐射流道，设置于内外辐射流道之间的均压过渡带，与外辐射流道末端连通的出口槽，以及与出口槽和出口均连通的连通域，所述入料水口位于双极板本体的中心处并与内辐射流道连通。本发明通过中心对称式辐射状的脊构成流道，缩短了流道行程，通过均压过渡带使各个流道单元内的压力分布均匀，在不增加原料水入口数量的条件下保持流场内压力和水分布均匀性，使其制成SPE电解池可通过增加MEA催化剂负载面积或/和叠合数量而增大氢气产量，提高了电解效率和使用寿命。

Description

一种用于SPE电解的中心对称式辐射状双极板流场结构
技术领域
本发明涉及SPE电解技术领域，具体地讲，是涉及一种用于SPE电解的中心对称式辐射状双极板流场结构。
背景技术
固体聚合物电解质（Solid Polymer Electrolyte, SPE）电解以纯水为原料，核心部件为由双极板分隔的零间隙三明治结构膜电极组件叠合而成，相较于传统碱水电解具有结构紧凑、电解效率高、气体纯度高、使用寿命长等显著优点。
流场作为SPE电解池双极板的核心部件，直接影响电堆的电解效率及使用寿命。电解时，水通过阳极双极板入料口经流场分配质子交换膜阳极侧，OH-与阳极催化剂接触产生氧气，生成的氧气与未反应的水一道经阳极双极板流场从水-氧出口排出，H+穿过质子交换膜与阴极侧催化剂接触产生氢气，经阴极双极板流场从氢气出口排出。为了充分降低原料水从多个入口引入造成的涡流，阳极双极板通常只设一个原料水入口，这对于流场设计要求极高，设计不合理的流场不仅会产生较高的传质阻力，引起气体及热量滞留，还会造成水压在流场内不均匀分布，使质子交换膜上部分区域催化剂不能与水充分接触反应，在降低电堆使用寿命的同时还会造成电解效率低下，不利于大流量SPE单电堆的研发。
常见流场包括平行、蛇形及交指流场，以上流场结构简单，加工容易，应用于小电堆（催化剂面积小，MEA堆叠数量少）时导流散热能力较好，但随着电堆膜电极组件（Membrane Electrode Assemblies, MEA）催化剂面积的增大或（和）堆叠数量增加，其传质阻力显著上升。为改善上述缺陷，平衡设计与加工的矛盾，部分专利对常见流场进行了局部优化，如专利CN 103806014A采用改进的平行流场采用的弯头设计可以改进流场散热，但存在流道行程长，气体无法及时排出的传质缺陷。采用仿生学原理（如树叶叶脉、人体肺部血管网）设计的流场亦可在一定程度上改善上述缺陷，但存在加工难度大，制造成本高的缺点，短期难以实际应用。囿于流场设计的缺陷，为增加氢气流量，现有商品化SPE电解池大都采取多个小电堆（小面积膜电极组件低数量堆叠）串联或混联的布局，系统复杂，可靠性较低，后期维护成本较高。为同时提高SPE电解池氢气产量及可靠性，降低维护成本，须在不降低（或不显著降低）电堆电解效率及传质阻力的前提下增加单电堆MEA催化剂负载面积或（和）叠合数量，这客观上要求对双极板流道进行优化设计。
发明内容
针对上述现有技术的不足，本发明提供一种流道行程短、内部均压的用于SPE电解的中心对称式辐射状双极板流场结构。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种用于SPE电解的中心对称式辐射状双极板流场结构，包括带有入料水口和出口的双极板本体，由沿其径向带一弧度延展并中心对称地设置于双极板本体正面的多条内环脊构成的内辐射流道，由沿其径向带一弧度延展并中心对称地设置于双极板本体正面的多条外环脊构成的外辐射流道，呈环状地设置于内辐射流道和外辐射流道之间的均压过渡带，设置于双极板本体边缘范围内并与外辐射流道末端连通的出口槽，以及设置于双极板本体内并分别与出口槽和出口均连通的连通域，其中，所述入料水口位于双极板本体的中心处并与内辐射流道连通。
具体地，所述双极板本体呈圆形或正多边形。
进一步地，所述内环脊或/和外环脊两侧的曲率半径相同。
进一步地，所述内环脊的截面积由入料水口端向均压过渡带端逐渐增大；在入料水口处，内辐射流道的宽度为内环脊宽度的2～4倍，在均压过渡带处，内辐射流道与内环脊的宽度之比不小于2。
进一步地，所述外环脊的截面积由均压过渡带端向出口槽端逐渐增大；在均压过渡带处，外辐射流道的宽度为外环脊宽度的1～2倍，在出口槽处，外辐射流道与外环脊的宽度之比大于1。
进一步地，所述均压过渡带的环宽与入料水口的半径相当。
进一步地，所述均压过渡带的内环半径为出口槽到双极板本体中心处的平均距离的1/3~2/3。
进一步地，所述出口槽沿双极板本体边缘环绕一周，且其环形面积不大于入料水口的进水面积。
进一步地，所述连通域呈环形，且其在双极板本体正反面方向上的厚度与出口槽在双极板本体径向方向上的宽度相当。
进一步地，所述出口至少为两个，所有出口均布于双极板本体反面，且所有出口的总面积不大于入料水口的面积。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
（1）本发明构思巧妙，通过在双极板本体上中心对称地设计呈辐射状的多条内环脊和外环脊以构成流场流道，有效缩短了流道行程，通过均压过渡带的设计，有效使各个流道单元内的压力分布均匀，在不增加原料水入口数量的条件下保持流场内压力和水分布均匀性，而且其充分降低SPE电堆传质阻力，有效改善因MEA催化剂负载面积增大或/和叠合数量增加造成的原料水-催化剂接触不充分及导流、散热障碍，显著提高电解池电解效率及使用寿命，对大流量SPE单电堆的研发奠定了重要基础，并且本发明应用性好，结构简单，便于制造，成本低廉，具有广泛的应用前景，适合推广应用。
（2）本发明所设计的流场流道行程短，显著降低了传质阻力，可使电解生成的氢气、氧气快速充分排出，有效防止电解池憋压。
（3）本发明所设计的流道设计采用径向走向，原料水在通过的流道时随着电解生成的氢、氧，能很好的保持流道内的压力，为原料水进入质子交换膜提供足够的压力。
（4）本发明所设计的流场流道无大角度弯转，有效减小了水、氧或氢在流动过程中产生的湍流，从而降低了因湍流引起的局部压力过低现象，使原料水水压在整个流场内均匀分布，使原料水充分与质子交换膜上的电解催化剂接触，在提高影响电解效率的同时还可有效防止膜部分区域润湿不足造成的过热损坏。
（5）本发明在外环脊与内环脊之间设计的均压过渡带能有效的使各流道单元的压力分布均匀，减小同径向距离不同周向位置的压力差，防止局部压力过低影响原料水到达质子交换膜。
（6）本发明在不增加原料水入口数量的条件下水分布均匀性不易因流场面积增大而降低，因此采用此种流场的SPE电解池可通过增加质子交换膜催化剂负载面积而增大氢气产量，降低了膜电极组件的叠合数量，降低传质阻力，防止散热不均。
附图说明
图1为本发明的正面结构示意图。
图2为本发明的侧面剖视图。
图3为本发明的反面结构示意图。
图4为本发明中流道在单一介质工作下的压力分布图。
图5为本发明中流道在单一介质工作下的流速分布图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，本发明的实施方式包括但不限于下列实施例。
实施例
如图1至图3所示，该中心对称式辐射状双极板流场结构，主要用于SPE电解，包括呈圆形或正多边形的双极板本体1，设置于双极板本体上的入料水口2和出口9，其中入料水口位于双极板本体的中心处，即圆形或正多边形的形心位置。双极板本体的正面由内到外依次设置为入料水口、内环脊3、均压过渡带5、外环脊6、出口槽8、双极板本体外边缘。
所述内环脊有多条，以入料水口为中心在双极板本体上呈中心对称分布，从而构成具有相应数量个流道单元的内辐射流道4，该内辐射流道一端连通入料水口，另一端连通均压过渡带；所述内环脊在入料水口端处的截面积较小，内辐射流道的宽度为内环脊宽度的2～4倍，沿径向方向内环脊的截面积逐渐增大，在在均压过渡带处，内辐射流道与内环脊的宽度之比不小于2。优选地，内环脊两侧的曲率半径相同。
所述均压过渡带呈环状，其环宽与入料水口的半径相当，内环半径为出口槽到双极板本体中心处的平均距离的1/3~2/3，合适的均压过渡带不仅能重新实现各流道单元的压力平衡，防止局部压力过低，同时能调节各流道单元流速，使流道单元内氢或水、氧在经过过度带后具有较小的流速差异，实现质子交换膜的充分均匀润湿。
所述外环脊也有多条，也以入料水口为中心在双极板本体上呈中心对称分布，从而构成具有相应数量个流道单元的外辐射流道7，其一端连通均压过渡带，另一端连通出口槽；该外环脊在均压过渡带一端的截面积较小，外辐射流道的宽度为外环脊宽度的1～2倍，沿径向方向外环脊的截面积逐渐增大，在出口槽处，外辐射流道与外环脊的宽度之比大于1。优选地，所述外环脊两侧的曲率半径相同。
所述出口槽位于双极板本体边缘附件且在其范围内并与外辐射流道末端连通，用于将水、氧或氢排向出口。为了便于水、氧或氢的进入，所述出口槽沿双极板本体边缘环绕一周，且其环形面积不大于入料水口的进水面积。
为了便于水、氧或氢的排放，整个双极板本体的板壁内还设置有呈环形状的连通域10，其连通整个环形的出口槽，同时与设置于双极板本体反面的出口连通，用于通过由出口槽进入的水、氧或氢，且其在双极板本体正反面方向上的厚度与出口槽在双极板本体径向方向上的宽度相当。而出口至少为两个，其均布于双极板本体反面，一般分为水氧出口和水氢出口，并且所有出口的总面积不大于入料水口的面积。
如图4和图5所示，分别在设置有均压过渡带的整个流道的压力分布和流速分布，可以看出，经过均压过渡带后的双极板的流道压力和流速分布能够很好满足双极板的均压和低湍流要求。
上述实施例仅为本发明的优选实施例，并非对本发明保护范围的限制，但凡采用本发明的设计原理，以及在此基础上进行非创造性劳动而作出的变化，均应属于本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于SPE电解的中心对称式辐射状双极板流场结构，包括带有入料水口和出口的双极板本体，其特征在于，还包括由沿其径向带一弧度延展并中心对称地设置于双极板本体正面的多条内环脊构成的内辐射流道，由沿其径向带一弧度延展并中心对称地设置于双极板本体正面的多条外环脊构成的外辐射流道，呈环状地设置于内辐射流道和外辐射流道之间的均压过渡带，设置于双极板本体边缘范围内并与外辐射流道末端连通的出口槽，以及设置于双极板本体内并分别与出口槽和出口均连通的连通域，其中，所述入料水口位于双极板本体的中心处并与内辐射流道连通。
2.根据权利要求1所述的一种用于SPE电解的中心对称式辐射状双极板流场结构，其特征在于，所述双极板本体呈圆形或正多边形。
3.根据权利要求1所述的一种用于SPE电解的中心对称式辐射状双极板流场结构，其特征在于，所述内环脊或/和外环脊两侧的曲率半径相同。
4.根据权利要求1所述的一种用于SPE电解的中心对称式辐射状双极板流场结构，其特征在于，所述内环脊的截面积由入料水口端向均压过渡带端逐渐增大；在入料水口处，内辐射流道的宽度为内环脊宽度的2～4倍，在均压过渡带处，内辐射流道与内环脊的宽度之比不小于2。
5.根据权利要求1所述的一种用于SPE电解的中心对称式辐射状双极板流场结构，其特征在于，所述外环脊的截面积由均压过渡带端向出口槽端逐渐增大；在均压过渡带处，外辐射流道的宽度为外环脊宽度的1～2倍，在出口槽处，外辐射流道与外环脊的宽度之比大于1。
6.根据权利要求1所述的一种用于SPE电解的中心对称式辐射状双极板流场结构，其特征在于，所述均压过渡带的环宽与入料水口的半径相当。
7.根据权利要求1所述的一种用于SPE电解的中心对称式辐射状双极板流场结构，其特征在于，所述均压过渡带的内环半径为出口槽到双极板本体中心处的平均距离的1/3~2/3。
8.根据权利要求1所述的一种用于SPE电解的中心对称式辐射状双极板流场结构，其特征在于，所述出口槽沿双极板本体边缘环绕一周，且其环形面积不大于入料水口的进水面积。
9.根据权利要求1所述的一种用于SPE电解的中心对称式辐射状双极板流场结构，其特征在于，所述连通域呈环形，且其在双极板本体正反面方向上的厚度与出口槽在双极板本体径向方向上的宽度相当。
10.根据权利要求1所述的一种用于SPE电解的中心对称式辐射状双极板流场结构，其特征在于，所述出口至少为两个，所有出口均布于双极板本体反面，且所有出口的总面积不大于入料水口的面积。
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