CN116575058B - 多孔扩散层、水电解装置 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及一种多孔扩散层、水电解装置，多孔扩散层包括多孔扩散层本体，多孔扩散层本体具有相对设置的第一表面和第二表面，多孔扩散层本体的第一表面上设有若干个间隔设置的涡街发生体，涡街发生体凸出于多孔扩散层本体的第一表面，涡街发生体在多孔扩散层本体上的正投影为三角形，涡街发生体具有尖端部和连接尖端部的尾部区域，尖端部指向尾部区域的方向为第一方向，第一方向为反应介质在多孔扩散层表面流通的方向；沿第一方向，相邻两个涡街发生体之间的最小距离小于位置在先的涡街发生体沿第一方向的长度，其中，位置在先的涡街发生体为所述反应介质沿第一方向依次通过相邻的两个涡街发生体时，反应介质先接触的所述涡街发生体。
Description
技术领域
本申请涉及多孔扩散层技术领域，具体地讲，涉及一种多孔扩散层、水电解装置。
背景技术
传统的化石燃料（煤炭、石油和天然气等）燃烧已经导致严重的环境污染和全球变暖等难题，并且这些能源在未来是不可持续发展的。氢能等清洁能源具有易获取性和高能量密度，是替代化石能源的最佳选择。质子交换膜电解水（Proton Exchange Membranewater electrolysis，PEMWE）设备具有结构紧凑、制氢效率高等特点，被认为是最具有潜力的电解水制氢技术。质子交换膜电解槽(PEMWE)主要由质子交换膜、催化剂和气体扩散层组成的膜电极、多孔扩散层、金属电极板和密封圈、端板等组成。PEM电解槽在工作时需要外接直流电源，阳极代表电解槽正极，发生氧化反应（析氧反应）；阴极代表电解槽负极，发生还原反应（析氢反应）。
在PEM电解槽水电解过程中，气体主要从膜电极表面生成并脱离，向多孔扩散层以及双极板流道扩散，少量气体在水中生成时主要体现为小气泡状，由流动的反应介质带出PEM电解槽；当电流密度提高时，大量气体生成，聚集在多孔扩散层表面形成气膜，水电解过程中，气膜覆盖在多孔扩散层上连续的气膜是阻碍多孔扩散层水传输、降低性能的主要原因。
因此，如何提供一种能够主动破碎气膜的多孔扩散层，以提升其传输性能成为水电解产业急需解决的问题。
发明内容
鉴于此，本申请提出一种多孔扩散层、水电解装置，通过设置涡街发生体以提升多孔扩散层的传输性能，从而延长多孔扩散层的使用寿命。
第一方面，本申请实施例提供一种多孔扩散层，包括多孔扩散层本体，所述多孔扩散层本体具有相对设置的第一表面和第二表面，所述多孔扩散层本体的第一表面上设有若干个间隔设置的涡街发生体，所述涡街发生体凸出于所述多孔扩散层本体的第一表面，所述涡街发生体在所述多孔扩散层本体上的正投影为三角形，所述涡街发生体具有尖端部和连接所述尖端部的尾部区域，所述尖端部指向所述尾部区域的方向为第一方向，所述第一方向为反应介质在所述多孔扩散层表面流通的方向；
沿第一方向，相邻两个涡街发生体之间的最小距离小于位置在先的涡街发生体沿所述第一方向的长度，其中，位置在先的涡街发生体为反应介质沿第一方向依次通过相邻的两个涡街发生体时，反应介质先接触的涡街发生体。
在一些实施方式中，所述多孔扩散层包括如下特征中的至少一种；
（1）所述涡街发生体在所述多孔扩散层本体上的正投影为直角三角形和锐角三角形中的至少一种；
（2）所述涡街发生体在所述多孔扩散层本体上的正投影为等腰三角形；
（3）所述多孔扩散层本体的材质为钛纤维和钛合金纤维中的至少一种；
（4）所述涡街发生体的材质包括钛、聚砜和聚萘二甲酸乙二醇酯中的至少一种。
在一些实施方式中，沿所述第一方向，所述涡街发生体的长度为3mm~8mm。
在一些实施方式中，所述涡街发生体凸出于所述多孔扩散层本体的第一表面的高度为0.2mm~0.3mm。
在一些实施方式中，所述涡街发生体在所述多孔扩散层本体第一表面上的正投影的总面积与所述多孔扩散层本体第一表面的面积之比为（0.25~0.5）：1。
在一些实施方式中，所述多孔扩散层本体的第一表面具有第一区域及与所述第一区域相邻的第二区域，所述涡街发生体设置在所述第二区域内，其中，所述第一区域指向第二区域的方向为第一方向。
第二方面，本申请实施例提供一种水电解装置，包括：
膜电极、分别设置在所述膜电极两侧的多孔扩散层以及设置在所述多孔扩散层背离所述膜电极一侧的双极板，所述多孔扩散层包括第一方面所述的多孔扩散层；
所述双极板朝向所述多孔扩散层本体第一表面的一侧具有若干个流道，当所述双极板与所述多孔扩散层抵接时，所述涡街发生体嵌入所述流道内。
在一些实施方式中，所述涡街发生体沿第二方向的长度小于所述流道沿第二方向的长度，所述第二方向与所述第一方向相互垂直，且所述第二方向与所述第一方向所在的平面与所述多孔扩散层本体的第一表面平行。
在一些实施方式中，所述涡街发生体沿第三方向的长度小于所述流道沿第三方向的长度，所述第三方向垂直于所述多孔扩散层本体的第一表面所在平面。
在一些实施方式中，嵌入同一所述流道内的所述涡街发生体沿所述第一方向的长度均相同。
本申请的技术方案至少具有以下有益的效果：
本申请在多孔扩散层本体的第一表面设置涡街发生体，涡街发生体在多孔扩散层本体上的正投影为三角形，涡街发生体包括尖端部和连接尖端部的尾部区域，在反应介质在多孔扩散层流通的过程中，涡街发生体分两步破坏反应介质中气泡的稳定性，由于尖端部指向尾部区域的方向为反应介质在多孔扩散层本体第一表面流通的方向，即反应介质在流通过程中会先接触涡街发生体的尖端部，再接触涡街发生体的尾部区域，如此设置，尖端部的存在对反应介质中携带的气泡、气膜以及气柱等进行一次分割，待反应介质从尖端部移动至尾部区域后，反应介质会发生“卡门涡旋”现象，使得反应介质脱离涡街发生体后会向内旋转，形成反应介质的涡街，上述涡街能够对从多孔扩散层表面传出的气体具有扰动作用，不仅能够避免流经涡街发生体后的反应介质中气泡的聚集，还能够将从多孔扩散层内部孔隙传出的气体中的气泡进行破碎，从而使得多孔扩散层周围的反应介质中的气泡较少，提升多孔扩散层的传输性能。此外，本申请相邻两个涡街发生体之间的最小距离小于位置在先的涡街发生体沿第一方向的长度，使得反应介质中的气泡等经过在先的涡街发生体后被分割，在分割后的反应介质还未聚集形成新的气泡之前再被在后的涡街发生体分割，进而使得多孔扩散层本体第一表面流通的反应介质不会形成较大的气泡，从而进一步提升多孔扩散层的传输效率。
附图说明
为了更清楚的说明本申请实施例或现有技术的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本申请多孔扩散层的结构示意图；
图2为本申请等腰三角形的涡街发生体的结构示意图；
图3为本申请直角三角形的涡街发生体的结构示意图；
图4为本申请水电解装置的结构示意图；
图5为本申请反应介质流通涡街发生体的原理示意图；
图6为本申请涡街发生体对反应介质进行分割以及破碎气泡效果云图。
图中：
1-多孔扩散层；
101-多孔扩散层本体；
102-涡街发生体；
1021-尖端部；
1022-尾部区域；
10221-第一侧壁；
10222-第二侧壁；
10223-底壁；
2-双极板；
201-流道；
202-流道脊；
3-膜电极；
4-反应介质。
具体实施方式
为了更好的理解本申请的技术方案，下面结合附图对本申请实施例进行详细描述。
应当明确，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本申请保护的范围。
在本申请实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本申请。在本申请实施例和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其它含义。
现有技术中，水电解设备中主要设置有双极板、多孔扩散层以及膜电极，其中，多孔扩散层设置在双极板和膜电极之间，即多孔扩散层的一侧接触双极板的反应区域，多孔扩散层的另一侧接触膜电极，多孔扩散层两侧的接触面均为光滑的平面，如此，现有的多孔扩散层只有在多孔扩散层内部具有破碎气泡的效果，即在水电解装置中，反应介质在催化剂表面通过电解产生的氢气和氧气，氢气和氧气从催化剂层脱离向多孔扩散层以及双极板传输，传输过程中由于多孔扩散层具有微小孔隙，气泡不易聚合；而在多孔扩散层和双极板的接触界面上，双极板流道空间较充分，氢气和氧气在双极板附近区域容易产生气泡，光滑的多孔扩散层表面无法实现破碎气泡，且气泡容易生长聚合为大气泡乃至大量气泡产生时汇集成为气柱、气膜等，当气体连接成为气膜时，会遮挡膜电极表面的催化剂层，致使反应介质无法有效接触，降低水电解装置内的反应性能。同时，由于双极板表面可能存在有微型流道，在高电流密度的工况下（≥2A/cm^2），氢气产出速率大幅增加，使得气泡或气膜在双极板的流道内易形成大气泡或者气柱，堵塞反应介质流，进一步降低多孔扩散层的传输效率。
鉴于此，本申请通过在多孔扩散层朝向双极板的一侧设置涡街发生体，使得孔扩散层和双极板的接触界面区域内的气泡、气膜或气柱等能够在流动过程中被破碎，提升多孔扩散层的传输性能。
本申请实施例提供一种多孔扩散层1，如图1所示，多孔扩散层1包括多孔扩散层本体101，多孔扩散层本体101具有相对设置的第一表面和第二表面，多孔扩散层本体101的第一表面上设有若干个间隔设置的涡街发生体102，涡街发生体102凸出于多孔扩散层本体101的第一表面，涡街发生体102在多孔扩散层本体101上的正投影为三角形，涡街发生体102具有尖端部1021和连接尖端部1021的尾部区域1022，尖端部1021指向尾部区域1022的方向为第一方向，第一方向为反应介质4在多孔扩散层1表面流通的方向；
沿第一方向，相邻两个涡街发生体102之间的最小距离小于位置在先的涡街发生体102沿第一方向的长度，其中，位置在先的涡街发生体102为反应介质4沿第一方向依次通过相邻的两个涡街发生体102时，反应介质4先接触的涡街发生体102。
在上述方案中，本申请在多孔扩散层本体101的第一表面设置涡街发生体102，涡街发生体102在多孔扩散层本体101上的正投影为三角形，涡街发生体102包括尖端部1021和连接尖端部1021的尾部区域1022，在反应介质4在多孔扩散层1流通的过程中，涡街发生体102分两步破坏反应介质4中气泡的稳定性，由于尖端部1021指向尾部区域1022的方向为反应介质4在多孔扩散层1表面流通的方向，即反应介质4在流通过程中会先接触涡街发生体102的尖端部1021，再接触涡街发生体102的尾部区域1022，如此设置，尖端部1021的存在对反应介质4中携带的气泡、气膜以及气柱等进行一次分割，待反应介质4从尖端部1021移动至尾部区域1022后，反应介质4会发生“卡门涡旋”现象，使得反应介质4脱离涡街发生体102后会向内旋转，形成反应介质4的涡街，上述涡街能够对从多孔扩散层1表面传出的气体具有扰动作用，不仅能够避免流经涡街发生体102后的反应介质4中气泡的聚集，还能够将从多孔扩散层1内部孔隙传出的气体中的气泡进行破碎，从而使得多孔扩散层1周围的反应介质4中的气泡较少，提升多孔扩散层1的传输性能。此外，本申请相邻两个涡街发生体102之间的最小距离小于位置在先的涡街发生体102沿第一方向的长度，使得反应介质4中的气泡等经过在先的涡街发生体102后被分割，在分割后的反应介质4还未聚集形成新的气泡之前再被在后的涡街发生体102分割，进而使得多孔扩散层本体101第一表面流通的反应介质4不会形成较大的气泡，从而进一步提升多孔扩散层1的传输效率。
在本申请中，反应介质4是水电解装置中存在的纯水或电解质液体，即水电解装置内的液相。反应介质4经过涡街发生体102后能够发生“卡门涡旋”现象，卡门涡街是流体力学中重要的现象，在自然界中经常可以遇到——在一定条件下的定常来流绕过某些物体时，物体两侧会周期性地脱落出旋转方向相反、排列规则的双列线涡，经过非线性作用后，就会形成卡门涡街。本申请利用反应介质4通过涡街发生体102后能够发生卡门涡旋现象，增强多孔扩散层1表面气泡粉碎的能力。
在一些实施方式中，第一方向即沿反应介质4在多孔扩散层1表面流通的方向一般指的是多孔扩散层1的长度方向，如图1所示，在本申请实施例中，以沿X轴方向定义为沿反应介质4在多孔扩散层表面流通的方向，即第一方向。
在一些实施方式中，沿第一方向（X轴方向），多孔扩散层1上相邻两个涡街发生体102之间的最小距离指的是：在先的涡街发生体102的尾端和在后的涡街发生体102头端之间的距离，其中，位置在先的涡街发生体102为反应介质4沿第一方向依次通过相邻的两个涡街发生体时，反应介质先接触的涡街发生体，在后的涡街发生体则为反应介质沿第一方向流通过程中经过在先的涡街发生体后经过的第二个涡街发生体。位置在先的涡街发生体102沿第一方向的长度指的是在先涡街发生体的长度，由于相邻两个涡街发生体102之间存在一定的距离，使得反应介质4经过在先涡街发生体102后一段距离内没有遮挡，反应介质4在表面张力的作用下会慢慢的再进行聚合，本申请通过限定在先的涡街发生体的尾端和在后的涡街发生体头端之间的距离小于在先的涡街发生体的长度，使得经过在先的涡街发生体的反应介质在还未聚合时又被在后的涡街发生体进行分割，进而使得多孔扩散层1表面流通的反应介质4不会形成较大的气泡，提升多孔扩散层1的传输效率。
在一些实施方式中，如图2所示，涡街发生体102在多孔扩散层本体101上的正投影为三角形，涡街发生体102具有尖端部1021和连接尖端部1021的尾部区域1022，尾部区域1022包括第一侧壁10221、第二侧壁10222以及连接第一侧壁10221和第二侧壁10222的底壁10223，当反应介质4流经涡街发生体102时，尖端部1021对反应介质4中的气泡等进行分割，分割后形成两股反应介质流，这两种反应介质流分别沿第一侧壁10221和第二侧壁10222流通并在流经底壁10223边缘的区域后进行向内旋转，形成反应介质4的涡街，涡街针对液相具有扰动作用，漩涡有助于气柱的打断和气泡破碎。
在一些实施方式中，涡街发生体102在多孔扩散层本体101上的正投影可以是锐角三角形、直角三角形以及钝角三角形，由于钝角三角形的尖端部较大，分割气泡的效果较差，因此，优选的，涡街发生体102在多孔扩散层本体101上的正投影为直角三角形和锐角三角形中的至少一种，图2为锐角三角形的涡街发生体102，图3为直角三角形的涡街发生体102，进一步优选的，涡街发生体102在多孔扩散层本体101上的正投影为锐角三角形，更优选的，涡街发生体102在多孔扩散层本体101上的正投影为等腰三角形，等腰三角形有利于将反应介质4进行均匀分割，有利于反应介质4在多孔扩散层1表面分布的均匀性，提升整体传质效率。
在一些实施方式中，沿第一方向，涡街发生体102的长度为3mm~8mm，具体可以是3mm、4 mm、5 mm、6 mm、7 mm或8 mm等。若涡街发生体102的长度小于3mm，则无法起到有效的气泡分割作用，无法提升多孔传输层1的传质效率；若涡街发生体102的长度大于8mm，则影响涡街发生体102分割后的反应介质4在多孔扩散层1表面的流通情况，限制反应介质4的传输效率。
在一些实施方式中，涡街发生体102凸出于多孔扩散层本体101的第一表面的高度为0.2mm~0.3mm，如图5所示，涡街发生体102凸出于多孔扩散层本体101的第一表面的高度记为HW，也就是涡街发生体102的厚度为0.2mm~0.3mm，具体可以是0.2 mm、0.23 mm、0.25mm、0.28 mm或0.3 mm等，若涡街发生体102的厚度小于0.2mm，则无法起到有效的气泡分割作用，无法提升多孔传输层1的传质效率，若涡街发生体102的厚度大于0.3mm，则无法与多孔扩散层1一侧的双极板2的流道201进行匹配。
在一些实施方式中，涡街发生体102在多孔扩散层本体101第一表面上的正投影的总面积与多孔扩散层本体101第一表面的面积之比为（0.25~0.5）：1，具体的，涡街发生体102在多孔扩散层本体101第一表面上的正投影的总面积与多孔扩散层本体101第一表面的面积之比可以是0.25：1、0.35：1、0.4：1或0.5：1等，当然还可以是上述范围内的其他值，本申请在此不做限制。若涡街发生体102在多孔扩散层本体101第一表面上的正投影的总面积与多孔扩散层本体101第一表面的面积之比小于0.25：1，则会大大降低涡街发生体102分割气泡的能力，导致多孔扩散层的传输效率降低；若涡街发生体102在多孔扩散层本体101第一表面上的正投影的总面积与多孔扩散层本体101第一表面的面积之比或大于0.5：1，则涡街发生体102在多孔扩散层本体101上设置数量过多，影响多孔扩散层本体101内部的传输性能，也会导致多孔扩散层的传输效率降低。
在一些实施方式中，多孔扩散层本体101的第一表面具有第一区域及与第一区域相邻的第二区域，涡街发生体102设置在第二区域内，其中，第一区域指向第二区域的方向为反应介质4在多孔扩散层1表面流通的方向。如此设置，则涡街发生体102设置在靠近多孔扩散层1靠近反应介质4出口通道的位置，能够使得反应介质4在第一区域内形成的气泡在第二区域内被分割，有利于反应介质4中的气泡分割完全性和彻底性。若涡街发生体102设置在第一区域内，则反应介质4刚进入多孔扩散层本体101第一表面时，反应介质4中的大部分气泡都能被分割，待反应介质4再流经第二区域时，因第二区域内未设置涡街发生体102，则反应介质4会在第二区域内汇聚形成气泡，达不到有效破碎气泡的作用。当然，若多孔扩散层本体101的第一表面整面均设置涡街发生体102，则又会大大影响多孔扩散层1内部的传输性能。
综上所述，本申请的涡街发生体102优先设置在靠近反应介质4在多孔扩散层1上流通出口的位置，且涡街发生体102的数量和大小不宜过多，能够有效提升反应介质4中气泡被破碎的能力。
在一些实施方式中，多孔扩散层本体101的材质包括钛纤维和钛合金纤维中的至少一种。
在一些实施方式中，涡街发生体102的材质包括钛、聚砜（PSU）和聚萘二甲酸乙二醇酯（PEN）中的至少一种，上述PSU和PEN材料具有耐热、耐腐蚀、优良的气体阻隔性能和化学稳定性，在水电解装置中可稳定存在；当涡街发生体102的材质为钛时，其表面需要涂覆贵金属（例如Au、Pt）保护层，以避免涡街发生体102在水电解环境中发生电化学腐蚀和电位腐蚀。
在一些实施方式中，涡街发生体102可以实心结构，也可以是空心结构，其能够保证涡街发生体102能够分割反应介质4中的气泡即可。
本申请实施例还提供上述多孔传输层的制备方法，包括如下步骤：
步骤S100、提供多孔传输层本体101，多孔扩散层本体101具有相对设置的第一表面和第二表面；
步骤S200、在多孔传输层本体101的第一表面上间隔制备多个涡街发生体102，涡街发生体102的截面为三角形。
下面对于本申请的多孔扩散层1的制备方法进行详细的介绍。
步骤S100、提供多孔传输层本体。
在一些实施方式中，多孔扩散层本体101的材质包括纯钛纤维和钛合金纤维中的至少一种。
在一些实施方式中，提供多孔扩散层本体101之后还包括对多孔扩散层本体101进行表面处理的步骤，具体的，包括：对多孔扩散层本体101的表面进行等离子体清洗，等离子体清洗包括离子源清洗、高压放电清洗、射频清洗和偏压清洗中的至少一种，上述等离子清洗的具体参数本申请不作限制，本领域技术人员可根据常规参数进行处理即可，通过对多孔扩散层本体101表面进行处理，去除掉多孔扩散层本体101表面的杂质氧化物、油脂和表面碎屑等，增大多孔扩散层本体101的表面粗糙度，有利于提升后续的涡街发生体与多孔扩散层本体101之间的结合性能。
步骤S200、在多孔传输层的第一表面上间隔制备多个涡街发生体102。
在一些实施方式中，将钛金属粉末、聚砜和聚萘二甲酸乙二醇酯中的至少一种通过粘接、激光焊接和烧结中的至少一种工艺在多孔传输层本体101的第一表面上制备涡街发生体102，涡街发生体102的截面为三角形。
在一些实施方式中，多个涡街发生体102的长度、宽度和高度可以相同，也可以不同，其均能够起到分割气泡的作用，本申请在此不做限制。
本申请实施例还提供一种水电解装置，如图4所示，包括：
膜电极3、分别设置在膜电极3两侧的多孔扩散层1以及设置在多孔扩散层1背离膜电极3一侧的双极板2，多孔扩散层包括上述的多孔扩散层1；
双极板2朝向多孔扩散层本体101第一表面的一侧具有若干个流道201，当双极板2与多孔扩散层1抵接时，涡街发生体102至少部分嵌入流道201内。
在上述方案中，如图5所示，本申请的水电解装置中，双极板2和多孔扩散层1相互平行，双极板2和多孔扩散层1之间的距离记为HL，可以理解，Hw小于HL，且双极板2的流道201的开口侧与多孔扩散层1的涡街发生体102相对设置，在水电解过程中，携带有气泡、气膜和气柱等的反应介质4在双极板2的流道201内流通，如图5和图6中（a）所示，携带有气泡、气膜和气柱等的反应介质4位于多孔扩散层的一端进入并进行流通，当反应介质4在流通过程中接触涡街发生体102的尖端部1021时（图5中A处）能够将反应介质4分割为两部分，分割气泡效果见效果云图6中（b），由于反应介质4携带气泡等会依附在涡街发生体102的第一侧壁10221和第二侧壁10222的表面进行流动，分割后的两相流体会沿着涡街发生体102的两侧面继续向前（见图6中（c）），在脱离涡街发生体102（图5中B处）时，反应介质4产生逆方向旋转的涡街，对从多孔扩散层表面传出的生成气体进行破碎，破碎效果见效果云图6中（d），可以理解的，双极板2的流道201是相邻的流道脊202形成的槽部空间，流道201起到机械支撑作用，流道201内反应介质4大量流通，涡街发生体102嵌入流道201才能使得反应介质4形成通过涡街发生体102形成涡街，从而完成破碎气泡效果。
在一些实施方式中，涡街发生体102沿第二方向的长度小于流道201沿第二方向的长度，第二方向与第一方向相互垂直，且第二方向与第一方向所在的平面与多孔扩散层本体101第一表面平行。第三方向为图1中Y方向，即本申请的水电解装置中，涡街发生体102的宽度小于流道201的宽度，使得涡街发生体102能够嵌入流道201内，有利于提升反应介质4经过涡街发生体102的气泡分割效果，并在涡街发生体102的尾部形成具有气泡分割作用的涡街。
在一些实施方式中，涡街发生体102沿垂直于第三方向的长度小于流道201沿第三方向的长度，第三方向垂直于多孔扩散层本体101第一表面。示例性的，第三方向为图1中的Z轴方向，即在本申请的水电解装置中，涡街发生体102的高度小于流道201的深度，如此设置，有利于多孔扩散层本体101与双极板2在垂直于第一方向的方向上的抵接，使得多孔扩散层本体101与双极板2连接进行导电。若涡街发生体102的高度大于流道201的深度，会造成多孔扩散层本体101无法抵接双极板2，进而将多孔扩散层1与双极板2之间抵接点更改成了涡街发生体102，导致水电解装置的导电性能变差，同时也无法完成水电解装置的装配。
在一些实施方式中，嵌入同一流道201内的涡街发生体102沿第一方向的长度均相同，在同一流道201的涡街发生体102的长度均相同，有利于涡街发生体102在多孔扩散层表面的布置，提升加工效率。
在一些实施方式中，涡街发生体102在多孔扩散层本体101第一表面上的设置位置和流道201的形貌有关，其保证涡街发生体102能够设置在流道201内，示例性的，如图4所示，流道201为直线型，则涡街发生体102在多孔扩散层表面行列设置，涡街发生体102的宽度与流道201的宽度相匹配，使得涡街发生体102设置在流道201内，并能够产生卡门涡旋现象。
实施例1
本实施例提供一种水电解装置，包括依次层叠设置的双极板2、多孔扩散层1和膜电极3，双极板2上具有直线型的12个流道201，流道201的宽度为3mm，深度为0.5mm，多孔扩散层1包括多孔扩散层本体101及位于多孔扩散层本体101朝向双极板2的一侧表面设置涡街发生体102，涡街发生体102在多孔扩散层1表面的正投影为等腰三角形，多孔扩散层1具有反应介质4流入入口的第一区域和反应介质4流出出口的第二区域，涡街发生体102布置在第二区域内，且为5列12行布置，涡街发生体102的厚度为0.4mm，涡街发生体102的长度为8mm，同一行内，相邻两个涡街发生体102之间的距离为8mm，涡街发生体102在多孔扩散层本体101第一表面上的正投影的总面积与多孔扩散层本体101第一表面总面积之比为0.5。
实施例2
与实施例1不同的是，涡街发生体102布置在第二区域内，且为3列12行，街发生体102在多孔扩散层本体101第一表面上的正投影的总面积与多孔扩散层本体101第一表面总面积之比为0.3。
实施例3
与实施例1不同的是，涡街发生体102布置在第二区域内，且为2列12行，街发生体102在多孔扩散层本体101第一表面上的正投影的总面积与多孔扩散层本体101第一表面总面积之比为0.25。
实施例4
与实施例1不同的是，涡街发生体102在多孔扩散层1表面的正投影为直角三角形。
实施例5
与实施例1不同的是， 涡街发生体102的厚度为0.4mm，涡街发生体102的长度为8mm，同一行中，相邻两个涡街发生体102之间的距离为5mm。
实施例6
与实施例1不同的是， 涡街发生体102的厚度为0.4mm，涡街发生体102的长度为8mm，同一行中，相邻两个涡街发生体102之间的距离为3mm。
对比例1
本对比例提供一种多孔扩散层，多孔扩散层包括实施例1中的多孔扩散层本体101。
对比例2
与实施例1不同的是，涡街发生体102为半圆柱状，其在多孔扩散层表面的正投影为矩形。
对比例3
与实施例1不同的是，涡街发生体102的长度为8mm，同一行中，相邻两个涡街发生体102之间的距离为16mm。
对比例4
与实施例1不同的是，涡街发生体102布置在第二区域内，且为1列12行，涡街发生体102在多孔扩散层本体101第一表面上的正投影总面积为多孔扩散层本体101第一表面总面积的20%。
性能测试
采用控制变量的方法通过电解槽伏安特性曲线以及EIS测试测试上述不同实施例和对比例对于气泡粉碎的能力。测试结果见表1。
表1.各实施例和对比例制备的多孔扩散层的性能测试
| 项目 | 伏安特性曲线 | EIS测试 |
| 实施例1 | 1.98V@5A/cm2 | 传质极化低 |
| 实施例2 | 2.02V@5A/cm2 | 传质极化较低 |
| 实施例3 | 2.03V@5A/cm2 | 传质极化较低 |
| 实施例4 | 2.01V@5A/cm2 | 传质极化低 |
| 实施例5 | 2.0V@5A/cm2 | 传质极化低 |
| 实施例6 | 2.03V@5A/cm2 | 传质极化低 |
| 对比例1 | 2.08V@5 A/cm2 | 传质极化高 |
| 对比例2 | 2.05V@5 A/cm2 | 传质极化较明显 |
| 对比例3 | 2.09V@5 A/cm2 | 传质极化非常明显 |
| 对比例4 | 2.10V@5A/cm2 | 传质极化较明显 |
通过表1数据可知：本申请实施例1~6中通过设置特定形貌和排列的涡街发生体102，涡街发生体102包括尖端部1021和连接尖端部1021的尾部区域1022，在反应介质4在多孔扩散层流通的过程中，涡街发生体102分两步破坏反应介质4中气泡等的稳定性，由于尖端部1021指向尾部区域1022的方向为反应介质4在多孔扩散层本体101第一表面流通的方向，即反应介质4会先接触涡街发生体102的尖端部1021，再接触涡街发生体102的尾部区域1022，如此设置，尖端部1021的存在对反应介质4中携带的气泡、气膜以及气柱等具有分割的作用，待反应介质4依次从尖端部1021移动至尾部区域1022后，反应介质4脱离涡街发生体102后会向内旋转，形成反应介质4的涡街，涡街能够对从多孔扩散层1表面传出的气体具有扰动作用，不仅能够避免流经涡街发生体102后的反应介质4中气泡的聚集，还能够将从多孔扩散层内部孔隙传出的气体中的气泡进行破碎，从而使得多孔扩散层1周围的反应介质4中的气泡较少，提升多孔扩散层的传输性能。此外，本申请相邻两个涡街发生体102之间的最小距离小于位置在先的涡街发生体102沿第一方向的长度，使得反应介质4中的气泡等经过在先的涡街发生体102后被分割，在分割后的反应介质4还未聚集形成新的气泡之前再被在后的涡街发生体102分割，进而使得多孔扩散层本体101第一表面流通的反应介质4不会形成较大的气泡，从而进一步提升多孔扩散层1的传输效率。
对比例1中的多孔扩散层为表面光滑设置，其无法将多孔扩散层1朝向双极板2流道201一侧表面的反应介质4的气泡进行破碎。
对比例2中涡街发生体102为半圆柱状，即涡街发生体102不存在尖端部，半圆柱状的涡街发生体102会引起圆柱绕流涡街，但是其气泡破碎能力较差，无法达到较好的传输效率。
对比例3中相邻两个涡街发生体102之间的距离大于涡街发生体102的长度，则会导致细碎气泡在越过形成的涡街区域后重新汇聚成为大气泡或者气柱，遮挡部分反应区域的比表面积，导致传质极化非常明显。
对比例4中涡街发生体102在多孔扩散层本体101第一表面上的正投影总面积为多孔扩散层本体101第一表面总面积的20%，即涡街发生体102设置的数量太少，且反应介质中的气泡较大，涡街发生体102分割气泡的次数和能力较差，导致传质极化较为明显。
以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。
Claims (10)
1.一种多孔扩散层，所述多孔扩散层与双极板相对设置，其特征在于，包括多孔扩散层本体，所述多孔扩散层本体具有相对设置的第一表面和第二表面，所述第一表面朝向双极板上具有流道的一侧，所述多孔扩散层本体的第一表面上设有若干个间隔设置的涡街发生体，所述涡街发生体凸出于所述多孔扩散层本体的第一表面，所述涡街发生体在所述多孔扩散层本体上的正投影为三角形，所述涡街发生体具有尖端部和连接所述尖端部的尾部区域，所述尖端部指向所述尾部区域的方向为第一方向，所述第一方向为反应介质在所述多孔扩散层表面流通的方向；
沿所述第一方向，相邻两个所述涡街发生体之间的最小距离小于位置在先的所述涡街发生体沿所述第一方向的长度，其中，位置在先的所述涡街发生体为所述反应介质沿所述第一方向依次通过相邻的两个所述涡街发生体时，所述反应介质先接触的所述涡街发生体。
2.根据权利要求1所述的多孔扩散层，其特征在于，所述多孔扩散层包括如下特征（1）~（4）中的至少一种；
（1）所述涡街发生体在所述多孔扩散层本体上的正投影为直角三角形和锐角三角形中的至少一种；
（2）所述涡街发生体在所述多孔扩散层本体上的正投影为等腰三角形；
（3）所述多孔扩散层本体的材质为钛纤维和钛合金纤维中的至少一种；
（4）所述涡街发生体的材质包括钛、聚砜和聚萘二甲酸乙二醇酯中的至少一种。
3.根据权利要求1所述的多孔扩散层，其特征在于，沿所述第一方向，所述涡街发生体的长度为3mm~8mm。
4.根据权利要求1所述的多孔扩散层，其特征在于，所述涡街发生体凸出于所述多孔扩散层本体第一表面的高度为0.2mm~0.3mm。
5.根据权利要求1所述的多孔扩散层，其特征在于，所述涡街发生体在所述多孔扩散层本体第一表面上的正投影的总面积与所述多孔扩散层本体第一表面的面积之比为（0.25~0.5）：1。
6.根据权利要求1所述的多孔扩散层，其特征在于，所述多孔扩散层本体的第一表面具有第一区域及与所述第一区域相邻的第二区域，所述涡街发生体设置在所述第二区域内，其中，所述第一区域指向第二区域的方向为所述第一方向。
7.一种水电解装置，其特征在于，包括：
膜电极、分别设置在所述膜电极两侧的多孔扩散层以及设置在所述多孔扩散层背离所述膜电极一侧的双极板，所述多孔扩散层包括权利要求1~6任一项所述的多孔扩散层；
所述双极板朝向所述多孔扩散层本体第一表面的一侧具有若干个流道，当所述双极板与所述多孔扩散层抵接时，所述涡街发生体嵌入所述流道内。
8.根据权利要求7所述的水电解装置，其特征在于，所述涡街发生体沿第二方向的长度小于所述流道沿第二方向的长度，所述第二方向与所述第一方向相互垂直，且所述第二方向与所述第一方向所在的平面与所述多孔扩散层本体（101）的第一表面平行。
9.根据权利要求7所述的水电解装置，其特征在于，所述涡街发生体沿第三方向的长度小于所述流道沿第三方向的长度，所述第三方向垂直于所述多孔扩散层本体（101）的第一表面所在平面。
10.根据权利要求7所述的水电解装置，其特征在于，嵌入同一所述流道内的所述涡街发生体沿所述第一方向的长度均相同。
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