CN114657583A - 一种双极板及水电解槽 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种双极板及水电解槽，双极板包括双极板体，在阳极侧面设置有阳极流场区域，阳极流场区域设置有呈太极阴阳图状的阴阳图仿生流场，阴阳图仿生流场设置有多条电解液流道，双极板体设置有贯通双极板体两侧面的电解液进口和电解液出口，每个电解液流道在电解液进口与电解液出口之间的行程均等；在阴极侧面设置有与阳极流场区域位置对应的阴极流场区域，阴极流场区域设置有呈槽式的氢气流场，双极板体设置有贯通双极板体两侧面的出氢口，水电解槽包括多个双极板体、设置相邻的两个双极板体之间的质子交换膜，使得电解液均匀地流经阳极流场区域，令电解液更为均匀扩散到膜电极上，增大了电解液与膜电极接触面积，提高扩散传质效率。
Description
技术领域
本发明涉及电解领域，特别涉及一种双极板及水电解槽。
背景技术
现有技术在制氢的领域，一般采用水电解槽来对电解液进行电离，其原理为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。
其中双极板是PEM电解槽以及燃料电池电堆中的关键部件之一，在电堆中发挥着支撑膜电极组件、分配反应气体、传输电流、传导热量和排出反应产物水等多种功能。现有的水电解槽主要存在以下不足之处：电极板形状一般均呈平板状，这种形状的电极板与电解液的接触面积较小，且存在局部限流的现象，即是电解液流经电解的区域不均匀，导致制氢的效率低，极板之间的结构强度弱，容易变形，以及结构不够紧凑，占用空间；对于水电解槽的散热效果不佳。
发明内容
本发明目的在于提供一种双极板及水电解槽，以解决现有技术中所存在的一个或多个技术问题，至少提供一种有益的选择或创造条件。
为解决上述技术问题所采用的技术方案：
本发明提供一种双极板，其包括：双极板体，双极板体设置有阳极侧面和阴极侧面；在所述阳极侧面设置有阳极流场区域，所述阳极流场区域设置有呈太极阴阳图状的阴阳图仿生流场，所述阴阳图仿生流场设置有多条弧形弯曲设置的电解液流道，相邻两条电解液流之间通过凸肋隔开，所述双极板体设置有贯通双极板体两侧面的电解液进口和电解液出口，所述电解液进口与所有所述电解液流道的进口连通，所述电解液出口与所有所述电解液流道的出口连通，每个所述电解液流道在电解液进口与电解液出口之间的行程均等；在所述阴极侧面设置有与所述阳极流场区域位置对应的阴极流场区域，所述阴极流场区域设置有呈槽式的氢气流场，所述双极板体设置有贯通双极板体两侧面的出氢口，所述出氢口的数量为至少一个，所述出氢口与所述氢气流场连通。
本发明的有益效果是：本技术中的阳极流场区域采用呈太极阴阳图状的阴阳图仿生流场，阴阳图仿生流场中的每条电解液流道在电解液进口与电解液出口之间的行程均等，令每条电解液流道内流经的电解液的反应时间相同和效率相同，避免出现局部限流的现象，充分利用了双极板的有效面积，使得电解液均匀地流经阳极流场区域，令电解液更为均匀扩散到膜电极上，增大了电解液与膜电极接触面积，提高扩散传质效率，以提高制氢的效率，使用时电解液从电解液进口进入阴阳图仿生流场，并经过电解液流道与膜电极反应，反应剩余的电解液从电解液出口流出，而氢气流场用于收集阴极侧生成的氢气，氢气从出氢口排出。
作为上述技术方案的进一步改进，所述双极板体呈圆形状，所述阳极流场区域和阴极流场区域均设置于双极板体两侧的中心，所述双极板体的边沿设置有以所述双极板体的中心为轴心环形设置的若干个螺栓孔。
圆形状的双极板体能够充分利用质子交换膜有效面积，提高电解效率，并且这时的阳极流场区域和阴极流场区域均设置于双极板体两侧的中心，若干个螺栓孔沿着双极板体的边沿环形间隔设置，在组装电解槽电堆时，提高双极板体之间连接的牢固性，使得结构强度更好。
作为上述技术方案的进一步改进，所述阳极侧面设置有阳极侧密封槽，所述阳极侧密封槽围绕所述电解液进口、电解液出口、阴阳图仿生流场、出氢口和螺栓孔设置，所述阴极侧面设置有阴极侧密封槽，所述阴极侧密封槽围绕所述电解液进口、电解液出口、氢气流场、出氢口和螺栓孔设置。
本方案设置了阳极侧密封槽和阴极侧密封槽用于安装密封垫，用以保证电解槽的密封效果，防止电解液和电解生成的氢气外泄。
作为上述技术方案的进一步改进，所述阳极侧密封槽和阴极侧密封槽均为一体式槽结构。这样密封垫液位一体式结构，提高密封效果，安装起来更加方便。
作为上述技术方案的进一步改进，所述电解液进口通过进水分配区与所有所述电解液流道的进口相连，所述电解液出口通过出水集流区与所有所述电解液流道的出口相连，所述出氢口通过氢气集流区与氢气流场相连。
进水分配区对电解液起到分配的作用，使得从电解液进口进入的电解液可均匀地进入电解液流道，而出水集流区对电解液起到汇流的作用，而氢气集流区对氢气也起到汇流的作用。
作为上述技术方案的进一步改进，所述氢气流场均布有若干凸点。氢气流场主要用于收集阴极侧生成的氢气，因此对流场的要求相对不高，本方案在氢气流场设置若干凸点能够有效疏导氢气，顺利排出电解槽，并且能够增强极板的机械强度，降低加工难度。
作为上述技术方案的进一步改进，在所述双极板体的圆周外沿均布设有若干个定位部。定位部用以在电解槽组装过程中的定位。
作为上述技术方案的进一步改进，所述双极板体包括贴合固定的阳极单极板和阴极单极板，在阳极单极板和阴极单极板之间形成有所述冷却剂流道区，所述冷却剂流道区分别与阴阳图仿生流场、氢气流场的位置对应，所述双极板体设置有贯通双极板体两侧面的冷却剂进口和冷却剂出口，所述冷却剂进口与所述冷却剂流道区的进口连通，所述冷却剂出口与所述冷却剂流道区的出口连通。
本方案在阳极单极板和阴极单极板设置了冷却剂流道区，能够解决大功率多级电解槽工作过程中的发热问题，冷却剂流道区覆盖全部反应区，显著提高电解槽冷却效率，同时使得结构更加紧凑，组装起来更加方便。冷却剂从冷却剂进口进入冷却剂流道区，与阴阳图仿生流场、氢气流场进行换热，之后从冷却剂出口流出。
作为上述技术方案的进一步改进，在所述阳极单极板和阴极单极板相对的侧面上均设置有冷却剂平行流场，两个所述冷却剂平行流场贴合后形成所述冷却剂流道区。
本方案中的冷却剂流道区通过阳极单极板和阴极单极板的贴合后两个冷却剂平行流场形成的。
此外，本发明还提供一种水电解槽，其包括上述的双极板体，所述双极板体的数量为多个，多个双极板体依次间隔设置，在相邻的两个双极板体之间设置有质子交换膜。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明；
图1是本发明所提供的双极板体，其一实施例的阳极侧面的结构示意图；
图2是本发明所提供的双极板体，其一实施例的阴极侧面的结构示意图；
图3是图1中的主视剖面图。
具体实施方式
本部分将详细描述本发明的具体实施例，本发明之较佳实施例在附图中示出，附图的作用在于用图形补充说明书文字部分的描述，使人能够直观地、形象地理解本发明的每个技术特征和整体技术方案，但其不能理解为对本发明保护范围的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右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，而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。
在本发明的描述中，如果具有“若干”之类的词汇描述，其含义是一个或者多个，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。
本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。
参照图1至图3，本发明的水电解槽作出如下实施例：
本实施例的水电解槽包括依次间隔并排设置的双极板、设置于相邻两个双极板之间的质子交换膜。
其中双极板包括双极板体100，本实施例的双极板体100包括贴合固定的阳极单极板170和阴极单极板180，两块单极板可通过激光焊接保证整体密封性，且双极板体100呈圆形状，圆形状的双极板体100能够充分利用质子交换膜有效面积，提高电解效率，双极板体100设置有阳极侧面110和阴极侧面120，在所述阳极侧面110的中心设置有阳极流场区域，所述阳极流场区域设置有呈太极阴阳图状的阴阳图仿生流场111，所述阴阳图仿生流场111设置有多条弧形弯曲设置的电解液流道112，相邻两条电解液流之间通过凸肋113隔开，电解液流道112采用外形仿生原理，利用太极阴阳图形状作为电解液流道112的基本形状；
而在所述阴极侧面120的中心设置有与所述阳极流场区域位置对应的阴极流场区域，所述阴极流场区域设置有呈槽式的氢气流场121，所述双极板体100设置有贯通双极板体100两侧面的电解液进口130和电解液出口140，所述电解液进口130与所有所述电解液流道112的进口连通，所述电解液出口140与所有所述电解液流道112的出口连通，所述双极板体100设置有贯通双极板体100两侧面的出氢口150，所述出氢口150的数量为至少一个，所述出氢口150与所述氢气流场121连通，本实施例设置两个出氢口150。
本实施例中的阴阳图仿生流场111中的每条电解液流道112在电解液进口130与电解液出口140之间的行程均等，令每条电解液流道112内流经的电解液的反应时间相同和效率相同，避免出现局部限流的现象，充分利用了双极板的有效面积，使得电解液均匀地流经阳极流场区域，令电解液更为均匀扩散到膜电极上，增大了电解液与膜电极接触面积，提高扩散传质效率，以提高制氢的效率，使用时电解液从电解液进口130进入阴阳图仿生流场111，并经过电解液流道112与膜电极反应，反应剩余的电解液从电解液出口140流出。
而氢气流场121用于收集阴极侧生成的氢气，氢气从出氢口150排出。
此外，所述双极板体100的边沿设置有以所述双极板体100的中心为轴心环形设置的若干个螺栓孔160，在组装电解槽电堆时，安装螺栓依次穿过对应的螺栓孔160，这样可提高双极板体100之间连接的牢固性，使得结构强度更好。
并且，所述阳极侧面110设置有阳极侧密封槽114，所述阳极侧密封槽114围绕所述电解液进口130、电解液出口140、阴阳图仿生流场111、出氢口150和螺栓孔160设置，所述阴极侧面120设置有阴极侧密封槽122，所述阴极侧密封槽122围绕所述电解液进口130、电解液出口140、氢气流场121、出氢口150和螺栓孔160设置，在安装时，双极板体100与质子交换膜之间设置密封垫，阳极侧密封槽114和阴极侧密封槽122用于安装密封垫，用以保证电解槽的密封效果，防止电解液和电解生成的氢气外泄。本实施例的阳极侧密封槽114和阴极侧密封槽122均为一体式槽结构，这样密封垫液位一体式结构，提高密封效果，安装起来更加方便。
为了提高电解液和氢气的流畅性，所述电解液进口130通过进水分配区131与所有所述电解液流道112的进口相连，所述电解液出口140通过出水集流区141与所有所述电解液流道112的出口相连，所述出氢口150通过氢气集流区151与氢气流场121相连，进水分配区131对电解液起到分配的作用，使得从电解液进口130进入的电解液可均匀地进入电解液流道112，而出水集流区141对电解液起到汇流的作用，而氢气集流区151对氢气也起到汇流的作用。
氢气流场121主要用于收集阴极侧生成的氢气，因此对流场的要求相对不高，本实施例在氢气流场121设置若干凸点123能够有效疏导氢气，顺利排出电解槽，并且能够增强极板的机械强度，降低加工难度。
以及在所述双极板体100的圆周外沿均布设有若干个定位部220，定位部220用以在电解槽组装过程中的定位。
进一步地，在阳极单极板170和阴极单极板180之间形成有所述冷却剂流道区，所述冷却剂流道区分别与阴阳图仿生流场111、氢气流场121的位置对应，所述双极板体100设置有贯通双极板体100两侧面的冷却剂进口190和冷却剂出口200，所述冷却剂进口190与所述冷却剂流道区的进口连通，所述冷却剂出口200与所述冷却剂流道区的出口连通，冷却剂流道区能够解决大功率多级电解槽工作过程中的发热问题，冷却剂流道区覆盖全部反应区，显著提高电解槽冷却效率，同时使得结构更加紧凑，组装起来更加方便。冷却剂从冷却剂进口190进入冷却剂流道区，与阴阳图仿生流场111、氢气流场121进行换热，之后从冷却剂出口200流出。
其中在所述阳极单极板170和阴极单极板180相对的侧面上均设置有冷却剂平行流场210，两个所述冷却剂平行流场210贴合后形成所述冷却剂流道区。
本实施例中的阳极单极板170和阴极单极板180可用金属材料或者石墨，加工方式可采用蚀刻或者机加工。
以上对本发明的较佳实施方式进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可作出种种的等同变型或替换，这些等同的变型或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。
Claims (10)
1.一种双极板，其特征在于：其包括：
双极板体(100)，其设置有阳极侧面(110)和阴极侧面(120)；
在所述阳极侧面(110)设置有阳极流场区域，所述阳极流场区域设置有呈太极阴阳图状的阴阳图仿生流场(111)，所述阴阳图仿生流场(111)设置有多条弧形弯曲设置的电解液流道(112)，相邻两条电解液流之间通过凸肋(113)隔开，所述双极板体(100)设置有贯通双极板体(100)两侧面的电解液进口(130)和电解液出口(140)，所述电解液进口(130)与所有所述电解液流道(112)的进口连通，所述电解液出口(140)与所有所述电解液流道(112)的出口连通，每个所述电解液流道(112)在电解液进口(130)与电解液出口(140)之间的行程均等；
在所述阴极侧面(120)设置有与所述阳极流场区域位置对应的阴极流场区域，所述阴极流场区域设置有呈槽式的氢气流场(121)，所述双极板体(100)设置有贯通双极板体(100)两侧面的出氢口(150)，所述出氢口(150)的数量为至少一个，所述出氢口(150)与所述氢气流场(121)连通。
2.根据权利要求1所述的一种双极板，其特征在于：
所述双极板体(100)呈圆形状，所述阳极流场区域和阴极流场区域均设置于双极板体(100)两侧的中心，所述双极板体(100)设置有以所述双极板体(100)的中心为轴心环形设置的若干个螺栓孔(160)。
3.根据权利要求2所述的一种双极板，其特征在于：
所述阳极侧面(110)设置有阳极侧密封槽(114)，所述阳极侧密封槽(114)围绕所述电解液进口(130)、电解液出口(140)、阴阳图仿生流场(111)、出氢口(150)和螺栓孔(160)设置，所述阴极侧面(120)设置有阴极侧密封槽(122)，所述阴极侧密封槽(122)围绕所述电解液进口(130)、电解液出口(140)、氢气流场(121)、出氢口(150)和螺栓孔(160)设置。
4.根据权利要求3所述的一种双极板，其特征在于：
所述阳极侧密封槽(114)和阴极侧密封槽(122)均为一体式槽结构。
5.根据权利要求1所述的一种双极板，其特征在于：
所述电解液进口(130)通过进水分配区(131)与所有所述电解液流道(112)的进口相连，所述电解液出口(140)通过出水集流区(141)与所有所述电解液流道(112)的出口相连，所述出氢口(150)通过氢气集流区(151)与氢气流场(121)相连。
6.根据权利要求1所述的一种双极板，其特征在于：
所述氢气流场(121)均布有若干凸点(123)。
7.根据权利要求2所述的一种双极板，其特征在于：
在所述双极板体(100)的圆周外沿均布设有若干个定位部(220)。
8.根据权利要求1所述的一种双极板，其特征在于：
所述双极板体(100)包括贴合固定的阳极单极板(170)和阴极单极板(180)，在阳极单极板(170)和阴极单极板(180)之间形成有所述冷却剂流道区，所述冷却剂流道区分别与阴阳图仿生流场(111)、氢气流场(121)的位置对应，所述双极板体(100)设置有贯通双极板体(100)两侧面的冷却剂进口(190)和冷却剂出口(200)，所述冷却剂进口(190)与所述冷却剂流道区的进口连通，所述冷却剂出口(200)与所述冷却剂流道区的出口连通。
9.根据权利要求8所述的一种双极板，其特征在于：
在所述阳极单极板(170)和阴极单极板(180)相对的侧面上均设置有冷却剂平行流场(210)，两个所述冷却剂平行流场(210)贴合后形成所述冷却剂流道区。
10.一种水电解槽，其特征在于：其包括如权利要求1至9任意一项所述的双极板，所述双极板的数量为多个，多个双极板体(100)依次间隔设置，在相邻的两个双极板体(100)之间设置有质子交换膜。
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