CN113463107B - 一种质子交换膜水电解槽结构及阳极极板 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种质子交换膜水电解槽结构及阳极极板，所述质子交换膜水电解槽结构包括阳极极板、阳极扩散层、CCM膜电极、阴极扩散层和阴极极板。阳极极板包括流体分配区、圆弧流道反应区和点状流场反应区；阳极极板流体分配区为两侧向圆心渐缩的弧状阶梯形流场区域，区域中部设置类椭圆形分配结构，阳极极板靠进水口部分为圆弧流道反应区，流场末端区域为点状流场反应区。本发明通过在流体分配区域设置和类椭圆形分配结构来保证反应水进入流场后在各流道内的均匀扩散；通过圆弧形流场的弧状流道减少反应水的流动阻力，提高反应水的传输效率；通过点状流场的点阵型结构减少气泡栓塞的形成，增强反应水的传质能力，进而提高电解槽的性能。

Description

一种质子交换膜水电解槽结构及阳极极板
技术领域
本发明属于电解领域，涉及一种电解制氢技术，具体涉及一种质子交换膜水电解槽结构及阳极极板。
背景技术
随着世界能源技术的不断发展，氢能凭借其高效率、低污染的特点被世界各国寄予厚望。质子交换膜水电解制氢是最常见的制氢方法之一，它的技术类似于质子交换膜燃料30-45度技术的逆反应，其原理是将反应水泵送到阳极，在阳极通过被分解成为氧气O2、质子H+及电子e-，质子H+再通过质子交换膜到达阴极，在阴极侧与电子e-结合成为氢气。质子交换膜水电解制氢的优点是电解效率高，生成氢气的纯度高，所使用的原材料只有可再生的水且副产品只有纯净的氧气，极有希望成为未来制氢的主流方法。
目前质子交换膜水电解还存在许多技术难题，例如阳极侧两相流传输中，所生成氧气对反应水传输的限制问题，为此有必要设计一种有利于反应水运输及扩散的新型两相流运输流场。
发明内容
本发明提供一种质子交换膜水电解槽结构及阳极极板，水电解时能保证反应水的扩散能力，提高反应水的传输效率，使反应水在流场内均匀分布，从而提高有效反应面积，增加电解性能，并采用圆形流场，使电解槽结构更加紧凑，减少电解槽体积，提高水电解的功率密度。
为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种质子交换膜水电解槽的阳极极板，其特征在于：所述阳极极板一侧面设有作为反应流场的圆形凹槽，阳极极板底部设有与圆形凹槽内相通的反应水进水口，阳极极板顶部设有与圆形凹槽内相通的反应水出水口，所述圆形凹槽内从下部的进水口至上部的出水口之间依次为流体分配区、圆弧流道反应区和点状流场反应区，所述流体分配区位于进水口正上方，流体分配区设为以圆形凹槽的中心为圆心的扇形流道，扇形流道两侧为圆弧流道反应区，所述圆弧流道反应区设有若干连通流体分配区和点状流场反应区的圆弧流道；所述点状流场反应区为与流体分配区相对的扇形反应区，所述扇形反应区设有若干用于形成点状流场的凸起点。
进一步地，所述圆弧流道由设于圆弧流道反应区内同心圆上的若干条圆弧形肋形成，相邻圆弧形肋之间的流道为圆弧流道。
进一步地，所述流体分配区靠近进水口设有向圆心渐缩的类椭圆形分配结构。
进一步地，所述流体分配区内类椭圆形分配结构结构形状为靠进水口端大头半径为R半圆渐缩式链接到靠圆心端小头半径为r的半圆，所述的类椭圆形分配结构设置在流体分配区流场的中轴线上，两侧边线均为圆形凹槽的径向线。
进一步地，所述流体分配区的扇形弧度为5-15度。
进一步地，所述圆弧流道的宽度为L，形成圆弧流道的圆弧形肋的宽度为0.8-1.2L。
进一步地，所述扇形反应区的弧度为30-45度，所述凸起点在扇形反应区以同心环形式分布，每个环上的凸起点与一个圆弧流道对应，所述凸起点的直径大于圆弧流道的宽度。
进一步地，所述流体分配区、圆弧流道反应区和点状流场反应区以进水口和出水口之间连线对称。
一种质子交换膜水电解槽结构，其特征在于：包括阴极极板、CCM膜电极、阳极扩散层、阴极扩散层和上述任意一项中所述阳极极板，所述阳极极板、阳极扩散层、CCM膜电极、阴极扩散层和阴极极板依次堆叠装配。
进一步地，所述阳极极板、阳极扩散层、CCM膜电极、阴极扩散层和阴极极板均为圆形结构，所述阳极极板的圆形凹槽周围设置有用于装配阳极扩散层的下沉式定位槽，所述下沉式定位槽的尺寸与扩散层尺寸相匹配，下沉深度与扩散层厚度相当，定位扩散层的同时保证扩散层合适的孔隙率。
进一步地，所述阳极极板和阴极极板均设置有密封槽，并使用硅橡胶材料密封圈进行密封。
进一步地，所述阳极极板的点状流场反应区作亲水处理，减少氧气生成后在流道内汇集、聚合产生的气体栓塞，避免水的流动受阻，增强反应水的传质，提高水的传输效率。
进一步地，所述阳极极板的进出口设置在流场板的上下两侧，反应水经进水口进入流场板，经过进水口处流体分配区分配后进入圆弧形流道，流出圆弧形流道后进入点状流场反应区，经点状流场反应区收集后从出水口流出流场板，进水口为向圆心方向的渐放通道，出水口为背圆心方向的渐缩通道。
与现有技术相比，本发明至少包括以下有益效果：
1、增强反应水的扩散能力，提高水电解效率。
2、抑制生成氧气气泡的汇集，减少气体栓塞的形成，保证反应水的流动不受阻。
3、提高反应水分布的均匀性，增大质子交换膜的有效反应面积，提高水电解速率。
4、相对于方形电解槽，结构更加紧密，空间占有率更小，更加节省空间。
附图说明
图1是本发明质子交换膜水电解槽的结构示意图；
图2是本发明质子交换膜水电解槽的阳极极板的结构示意图；
图3是本发明阳极极板正视图。
图中：1-阳极极板，2-阳极扩散层，3-CCM膜电极，4-阴极扩散层，5-阴极极板，6-进水口，7-出水口，8-流体分配区，9-类椭圆形分配结构，10-圆弧形肋，11-圆柱，12-下沉式定位槽，13-密封槽，14-圆弧流道反应区，15-点状流场反应区。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，下述实施方案中所述实验方法，如无特殊说明，均为常规方法，所述试剂和材料，如无特殊说明，均可从商业途径获得；在本发明的描述中，术语“横向”、“纵向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，并不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“水平”、“竖直”、“悬垂”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。
在本申请的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
如图2和图3所示，本申请提供一种质子交换膜水电解槽的阳极极板，阳极极板整体为圆形板，所述阳极极板1一侧面设有作为反应流场的圆形凹槽，阳极极板1底部设有与圆形凹槽内相通的进水口6，阳极极板1顶部设有与圆形凹槽内相通的反应水出水口7，所述圆形凹槽内从下部的进水口6至上部的出水口7之间依次为流体分配区8、圆弧流道反应区14和点状流场反应区15，水电解时，反应水从底部的进水口6进入反应流场，依次经过圆弧流道反应区14和点状流场反应区15之后，从顶部的出水口7出来；
所述阳极极板1的反应流场包括流体分配区8、圆弧流道反应区14和点状流场反应区15，整场呈圆形结构；所述阳极极板1的流体分配区8为两侧向圆心渐缩的弧状阶梯形流场区域，也即是扇形流道，扇形流道中部设置有向圆心渐缩的类椭圆形分配结构9；扇形流道两侧的阳极极板1下端部分为圆弧流道反应区14，流场末端区域为点状流场反应区15。
所述圆弧流道反应区14包括若干同心圆上的若干条圆弧形肋10，相邻圆弧形肋10之间形成圆弧形流道，所述圆弧流道的宽度为L，形成圆弧流道的圆弧形肋10的宽度为0.8-1.2L，圆弧流道的深度为h，各圆弧形肋10依次向外分布。由于流体分配区8和点状流场反应区15均为扇形区域，所以流体分配区8两侧分别有一个扇形区域的圆弧流道反应区14。
所述流体分配区8的扇形弧度为5-15度。所述流体分配区8内的类椭圆形分配结构9的结构形状为靠进水口6端大头半径为R半圆渐缩式链接到靠圆心端小头半径为r的半圆，所述的类椭圆形分配结构9设置在流体分配区8的中轴线上，宽度由进水口6向圆心渐缩，渐缩方式为与两侧阶梯的间距相对应，也就是类椭圆形分配结构9的两侧边线与反应流场的径向线重合或者平行。
所述点状流场反应区15为点状流场，整体为扇形区域，分布若干凸起点。所述点状流场反应区15内点状结构为半径为r的圆柱11，所述圆柱11在扇形反应区以同心环形式分布，每个环上的圆柱11与一个圆弧流道对应，中部的圆柱11为反应流场的圆心，与流体分配区8的上端之间相对，所述圆柱11的直径大于圆弧流道的宽度。点状流场的区域形状为圆心角在30度-45度之间的扇形。
所述阳极极板1的进出口设置在流场板的上下两侧，反应水经进水口6垂直向上进入流场板，经过进水口6处流体分配区8分配后进入圆弧形流道反应区，流出圆弧形流道反应区后进入点状流场反应区15，经点状流场反应区15收集后从出水口7垂直向上流出流场板，进出水口7均有一定的弧度。
所述阳极极板1的点状流场反应区15作亲水处理，减少氧气生成后在流道内汇集、聚合产生的气体栓塞，避免水的流动受阻，增强反应水的传质，提高水的传输效率。
在上述实例中，水电解进行时，反应水通过下端进水口6竖直向上进入流体分配区8，经流体分配区8中类椭圆凸台的分配水平进入两侧若干条圆弧形流道组成的圆弧流道反应区14，少部分水从中部直接竖直向上进入点状流场反应区15。圆弧流道反应区14让反应水的流动方向不断发生变化，有利于反应水在流场内快速均匀分布，提高了反应水的传输效率。水电解反应进行时，阳极生成的氧气不断扩散到流场中，并通过气泡的形式聚集，严重时会在流道末端形成气体栓塞堵塞流道影响反应水传输，点状流场反应区15内交错排列的点状结构可以将生成的氧气气泡打散，有效的防止气体栓塞的形成，减小水的流动阻力，增强水的传质，从而提高有效反应面积，保证反应水的扩散能力，提高水电解效率。
如图1所示，本发明还提供一种质子交换膜水电解槽结构，包括上述的阳极极流场板，还包括阴极极板5、CCM膜电极3、阳极扩散层2和阴极扩散层4，所述阳极极板1、阳极扩散层2、CCM膜电极3、阴极扩散层4和阴极极板5依次堆叠装配，圆形的结构使电解槽结构更加紧凑，减少电解槽体积，提高水电解的功率密度，提高质子交换膜的利用率，降低水电解成本。使用时，对阳极极板1和阴极极板5通电，通过进水口6往阳极极板1的反应流场内送反应水，反应水在阳极通过阳极扩散层2扩散到CCM膜电极3，在CCM膜电极3的催化层上被分解成为氧气O2、质子H+及电子e-，氧气O2和多余的反应水通过出水口7排走，循环反应，质子H+再通过质子交换膜(CCM膜电极)到达阴极，在阴极侧与电子e-结合成为氢气，通过阴极极板5内的流道(图中未画出)被收集导出。
上述实施例中，所述阳极扩散层2的材料为钛格子网，所述阳极扩散层2的材料为碳纸；所述阳极极板1和阴极极板5均为不锈钢材料，并作镀金处理，提高耐腐蚀性，保证电解槽的性能和寿命。
进一步优选的实施例中，所述阳极极板1的流场周围设置有下沉式定位槽12，所述下沉式定位槽12的尺寸与阳极扩散层2尺寸相匹配，下沉深度与阳极扩散层2厚度相当，定位阳极扩散层2的同时保证扩散层合适的孔隙率。
进一步优选的实施例中，所述阳极极板1和阴极极板5均设置有密封槽13，并使用硅橡胶材料密封圈进行密封，保证气体和液态水不发生泄漏。
进一步优选的实施例中，上述质子交换膜水电解槽使用螺杆螺栓结构进行装配；所述螺杆上套有热缩式绝缘套管，保证绝缘；所述螺母采用防松螺母，防止电解槽密封性变差。
综上所述，本发明所述的一种基于圆弧形结构的质子交换膜水电解槽阳极极板1，水电解时能保证反应水的扩散能力，提高反应水的传输效率，使反应水在流场内均匀分布，从而提高有效反应面积，增加电解槽性能。所述质子交换膜水电解槽结构采用圆形流场，使电解槽结构更加紧凑，减少电解槽体积，提高水电解的功率密度，提高质子交换膜的利用率，降低水电解成本。
上面所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的构思和范围进行限定。在不脱离本发明设计构思的前提下，本领域普通人员对本发明的技术方案做出的各种变型和改进，均应落入到本发明的保护范围，本发明请求保护的技术内容，已经全部记载在权利要求书中。

Claims (10)

1.一种质子交换膜水电解槽的阳极极板，其特征在于：所述阳极极板一侧面设有作为反应流场的圆形凹槽，阳极极板底部设有与圆形凹槽内相通的反应水进水口，阳极极板顶部设有与圆形凹槽内相通的反应水出水口，所述圆形凹槽内从下部的进水口至上部的出水口之间依次为流体分配区、圆弧流道反应区和点状流场反应区，所述流体分配区位于进水口正上方，流体分配区设为以圆形凹槽的中心为圆心的扇形流道，扇形流道两侧为圆弧流道反应区，所述圆弧流道反应区设有若干连通流体分配区和点状流场反应区的圆弧流道；所述点状流场反应区为与流体分配区相对的扇形反应区，所述扇形反应区设有若干用于形成点状流场的凸起点。
2.根据权利要求1所述的阳极极板，其特征在于：所述圆弧流道由设于圆弧流道反应区内同心圆上的若干条圆弧形肋形成，相邻圆弧形肋之间的流道为圆弧流道。
3.根据权利要求2所述的阳极极板，其特征在于：所述流体分配区靠近进水口设有向圆心渐缩的类椭圆形分配结构。
4.根据权利要求3所述的阳极极板，其特征在于：所述流体分配区内类椭圆形分配结构形状为靠进水口端大头半径为R半圆渐缩式链接到靠圆心端小头半径为r的半圆，所述的类椭圆形分配结构设置在流体分配区流场的中轴线上，两侧边线均为圆形凹槽的径向线。
5.根据权利要求3所述的阳极极板，其特征在于：所述流体分配区的扇形弧度为5-15度。
6.根据权利要求2所述的阳极极板，其特征在于：所述圆弧流道的宽度为L，形成圆弧流道的圆弧形肋的宽度为0.8-1.2L。
7.根据权利要求2所述的阳极极板，其特征在于：所述扇形反应区的弧度为30-45度，所述凸起点在扇形反应区以同心环形式分布，每个环上的凸起点与一个圆弧流道对应，所述凸起点的直径大于圆弧流道的宽度。
8.根据权利要求2所述的阳极极板，其特征在于：所述流体分配区、圆弧流道反应区和点状流场反应区以进水口和出水口之间连线对称。
9.一种质子交换膜水电解槽结构，其特征在于：包括阴极极板、CCM膜电极、阳极扩散层、阴极扩散层和权利要求1-8任意一项中所述阳极极板，所述阳极极板、阳极扩散层、CCM膜电极、阴极扩散层和阴极极板依次堆叠装配。
10.根据权利要求9所述质子交换膜水电解槽结构，其特征在于：所述阳极极板、阳极扩散层、CCM膜电极、阴极扩散层和阴极极板均为圆形结构，所述阳极极板的圆形凹槽周围设置有用于装配阳极扩散层的下沉式定位槽，所述阳极极板和阴极极板均设置有密封槽，并使用硅橡胶材料密封圈进行密封。
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