CN117448860A - 双极板、电解槽及制氢系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及电解水制氢技术领域，提供一种双极板、电解槽及制氢系统，其中，双极板包括双极板本体，双极板本体上设置有进水口、水氧出口和水氧流场；进水口和水氧出口在双极板本体上呈斜对角设置；水氧流场包括第一凹槽和多行第一扰流柱，第一凹槽设置于双极板本体的第一表面且沿双极板本体的长度方向设置于进水口与水氧出口之间，进水口和水氧出口均与第一凹槽相连通；多行第一扰流柱设置于第一凹槽内，任意相邻的两行第一扰流柱交错分布。如此设置，提高了水在双极板的阳极侧的均匀性。
Description
技术领域
本发明涉及电解水制氢技术领域，尤其涉及一种双极板、电解槽及制氢系统。
背景技术
氢气是一种清洁、环保、可再生的新兴能源，具有较高的转换效率。PEM电解槽是一种将电能转换为氢能的装置，以质子交换膜作为电解质，具有体积小、功率运行范围宽、启停时间短、维护成本低等优势。PEM电解槽主要包括膜电极、扩散层、双极板、集流板、绝缘板、端板等。在直流电源下，将水通过电化学反应分解为氢气与氧气排出。
双极板是电解槽的关键部件，主要起到传质、导电以及固定支撑的作用。双极板具有阳极侧和阴极侧，阳极侧和阴极侧都刻有相应流道，对电解槽内部两相流和温度分布具有重要影响。尤其是双极板的阳极侧，主要是液态水和氧气的传输，需要保证水的均匀分布和未反应水以及生成的氧气的快速排出。
因此，如何使水在双极板的阳极侧均匀分布的问题，成为本领域技术人员所要解决的重要技术问题。
发明内容
本发明提供一种双极板、电解槽及制氢系统，用以提高水在双极板的阳极侧的均匀性。
本发明提供一种双极板，包括双极板本体，所述双极板本体上设置有进水口、水氧出口和水氧流场；
所述进水口和所述水氧出口在所述双极板本体上呈斜对角设置；
所述水氧流场包括第一凹槽和多行第一扰流柱，所述第一凹槽设置于所述双极板本体的第一表面且沿所述双极板本体的长度方向设置于所述进水口与所述水氧出口之间，所述进水口和所述水氧出口均与所述第一凹槽相连通；
多行所述第一扰流柱设置于所述第一凹槽内，任意相邻的两行所述第一扰流柱交错分布。
根据本发明提供的一种双极板，所述第一凹槽具有第一区域、第二区域和第三区域，所述第一区域、所述第二区域和所述第三区域沿所述双极板本体的长度方向分布；
所述第一扰流柱的轴向垂直于所述双极板本体，所述第一区域和所述第三区域内的所述第一扰流柱的横截面形状为圆形，所述第二区域内的所述第一扰流柱的横截面形状为正六边形。
根据本发明提供的一种双极板，所述双极板本体上还设置有氢气流场和一对氢气出口，一对所述氢气出口在所述双极板本体上呈斜对角设置，所述氢气流场设置于所述双极板本体的第二表面，所述氢气流场沿所述双极板本体的长度方向设置于一对所述氢气出口之间，一对所述氢气出口与所述氢气流场相连通。
根据本发明提供的一种双极板，所述氢气流场包括第二凹槽、多行第二扰流柱和多条导流筋；
所述第二凹槽具有第四区域、第五区域和第六区域，所述第四区域、第五区域和第六区域沿所述双极板本体的长度方向分布；
所述第二扰流柱设置于所述第四区域和所述第六区域，所述导流筋设置于所述第五区域，多条所述导流筋沿所述双极板本体的宽度方向间隔分布。
根据本发明提供的一种双极板，所述导流筋为具有波峰和波谷的波浪形。
根据本发明提供的一种双极板，所述第一扰流柱沿所述双极板本体的厚度方向的尺寸小于所述第一凹槽沿所述双极板本体的厚度方向的尺寸；
所述第二扰流柱沿所述双极板本体的厚度方向的尺寸和所述导流筋沿所述双极板本体的厚度方向的尺寸均小于所述第二凹槽沿所述双极板本体的厚度方向的尺寸。
根据本发明提供的一种双极板，所述双极板本体的第一表面设置有第一密封槽，所述第一密封槽沿所述进水口、所述水氧出口和所述水氧流场所在区域的周向延伸，且所述第一密封槽沿所述氢气出口的周向延伸；
所述双极板本体的第二表面设置有第二密封槽，所述第二密封槽沿所述氢气出口和所述氢气流场所在区域的周向延伸，且所述第二密封槽沿所述进水口和所述水氧出口的周向延伸。
根据本发明提供的一种双极板，所述第一密封槽和所述第二密封槽中的至少一者的截面形状为梯形，所述第一密封槽的槽口尺寸大于所述第一密封槽的槽底尺寸，所述第二密封槽的槽口尺寸大于所述第二密封槽的槽底尺寸。
本发明还提供一种电解槽，包括上述的双极板。
本发明还提供一种制氢系统，包括上述的双极板，或者，包括上述的电解槽。
本发明提供的双极板，包括双极板本体，双极板本体上设置有进水口、水氧出口和水氧流场，水氧流场包括第一凹槽和多行第一扰流柱，第一凹槽设置于双极板本体的第一表面，进水口和水氧出口均与第一凹槽相连通。水通过进水口进入第一凹槽内，通过电化学反应产生的氧气和未反应的水再通过水氧出口排出。多行第一扰流柱设置于第一凹槽内，任意相邻的两行第一扰流柱交错分布，任意相邻的第一扰流柱之间的空间视为流道，水在第一凹槽内流通的过程中能够随机地从任意相邻的两个第一扰流柱之间通过，能够提高水在第一凹槽内分布的均匀性。进水口和水氧出口在双极板本体上呈斜对角设置，第一凹槽沿双极板本体的长度方向设置于进水口与水氧出口之间，具有沿双极板本体的长度方向的速度，还具有沿双极板本体的宽度方向的速度，而且增加了水在第一凹槽内的流通距离，能够进一步提高水分布的均匀性。
进一步，在本发明提供的电解槽中，由于具备如上所述的双极板，因此同样具备如上所述的各种优势。
进一步，在本发明提供的制氢系统中，由于具备如上所述的双极板或者电解槽，因此同样具备如上所述的各种优势。
附图说明
为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，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地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，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是本发明提供的双极板在一种视角时的结构示意图；
图2是本发明提供的双极板的第一表面的结构示意图；
图3是本发明提供的双极板第一表面所形成的蜂窝结构示意图；
图4是本发明提供的双极板在另一种视角时的结构示意图；
图5是本发明提供的双极板的第二表面的结构示意图；
图6是本发明提供的第一密封槽和第二密封槽的结构示意图。
附图标记：
1、双极板本体；2、进水口；3、水氧出口；4、第一扰流柱；5、第一区域；6、第二区域；7、第三区域；8、氢气出口；9、第二扰流柱；10、导流筋；11、第四区域；12、第五区域；13、第六区域；14、第一密封槽；15、第二密封槽；16、连接孔；17、基体。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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作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。
下面结合图1至图6描述本发明的双极板。
如图1至图6所示，本发明实施例提供的双极板，包括双极板本体1。
具体来说，在双极板本体1上设置有进水口2、水氧出口3和水氧流场。水氧流场包括第一凹槽和多行第一扰流柱4，第一凹槽设置于双极板本体1的第一表面，进水口2和水氧出口3均与第一凹槽相连通。水通过进水口2进入第一凹槽内，通过电化学反应产生的氧气和未反应的水再通过水氧出口3排出。
进水口2的大小可以根据实际需要确定，通常情况下，进水口2越大，越有利于水流在第一凹槽内的均匀分布。
多行第一扰流柱4设置于第一凹槽内，任意相邻的两行第一扰流柱4交错分布，任意相邻的第一扰流柱4之间的空间视为流道，水在第一凹槽内流通的过程中能够随机地从任意相邻的两个第一扰流柱4之间通过，也就是水能够随机地进入任意流道内，能够提高水在第一凹槽内分布的均匀性。
进水口2和水氧出口3在双极板本体1上呈斜对角设置，第一凹槽沿双极板本体1的长度方向设置于进水口2与水氧出口3之间，水从进水口2向水氧出口3流通的过程中，具有沿双极板本体1的长度方向的速度，还具有沿双极板本体1的宽度方向的速度，而且增加了水在第一凹槽内的流通距离，能够进一步提高水分布的均匀性。
本发明实施例中，对第一凹槽分区设置，具体包括第一区域5、第二区域6和第三区域7，第一区域5、第二区域6和第三区域7沿双极板本体1的长度方向分布，且第一区域5、第二区域6和第三区域7依次连通。
第一扰流柱4的轴向垂直于双极板本体1，在第一区域5、第二区域6和第三区域7内均设置有第一扰流柱4，各个区域内的第一扰流柱4均匀分布。第一区域5与进水口2相连通，第三区域7与水氧出口3相连通，第一区域5及其内部的第一扰流柱4的设置能够使水均匀进入第二区域6，第三区域7及其内部的第一扰流柱4的设置能够使第二区域6各个位置的未反应水和氧气均匀地汇集。
在第一区域5靠近进水口2的位置处以及在第三区域7靠近水氧出口3的位置处均设置有导流槽。
第一区域5和第三区域7内的第一扰流柱4的横截面形状设置为圆形，第二区域6内的第一扰流柱4的横截面形状可以为圆形，也可以为正六边形。
参照图1和图2，将第一区域5和第三区域7内的第一扰流柱4设置为圆柱体状，第一区域5和第三区域7内的第一扰流柱4的直径小于相邻两个第一扰流柱4之间的距离，相邻两个第一扰流柱4之间形成的流道的尺寸相对较大，能够确保水流速度。
将第二区域6内的第一扰流柱4设置为六棱柱状，第二区域6内的第一扰流柱4的横截面积大于第一区域5和第三区域7内的第一扰流柱4的横截面积。第二区域6内的第一扰流柱4的横截面形状为正六边形，且各个正六边形的边长完全相同，生成的流场水力直径相等，水从任意入口到出口所经过的行程是相同的，所受阻力相同，更有利于水的均匀分布，有利于提升电解槽的效率，避免电化学反应过程中膜电极上局部热点的出现。
参照图3，第二区域6内的流道呈蜂窝结构，相当于以正六边形为基体17，等比例缩小，形成第二区域6内的第一扰流柱4。假设基体17的边长为a，即CD＝a，第一扰流柱4的横截面的边长为a0，即FG＝a0。
一般第二区域6的开孔率为50％左右，以下以50％的开孔率为例，对a0和a的关系确定进行阐述。
第二区域6的开孔率为50％时，第二区域6的各个第一扰流柱4之间的面积之和与第二区域6的各个第一扰流柱4的横截面积之和相等，也就是，四边形ABCD的面积S等于四边形BEFG的面积S0的两倍，
即，从而，/>
本发明实施例中，在双极板本体1上还设置有氢气流场和一对氢气出口8，一对氢气出口8在双极板本体1上呈斜对角设置，如图4和图5所示。进水口2和水氧出口3位于双极板本体1的一条对角线上，一对氢气出口8位于双极板本体1的另一条对角线上，氢气出口8独立于进水口2和水氧出口3，使氢气出口8、进水口2和水氧出口3互不影响。
具体地，将氢气流场设置于双极板本体1的第二表面，双极板本体1的第一表面和双极板本体1的第二表面为双极板本体1沿厚度方向分布的两个表面。
氢气流场沿双极板本体1的长度方向设置于一对氢气出口8之间，一对氢气出口8与氢气流场相连通。水电解生成的氢离子通过质子交换膜之后进入第二凹槽内，从而在第二凹槽内生成氢气，产生的氢气在压力驱动下，可以随机地汇集至任意一个氢气出口8。一对氢气出口8均可以供氢气排出，可以提高氢气的排出效率。
具体实施例中，氢气流场包括第二凹槽、多行第二扰流柱9和多条导流筋10。
对第二凹槽分区设置，第二凹槽具有第四区域11、第五区域12和第六区域13，第四区域11、第五区域12和第六区域13沿双极板本体1的长度方向分布，且第四区域11、第五区域12和第六区域13依次连通。
在第四区域11靠近氢气出口8的位置处以及在第六区域13靠近氢气出口8的位置处均设置有导流槽。
第二扰流柱9设置于第四区域11和第六区域13，第四区域11和第六区域13中的每个区域内均设置有多行第二扰流柱9。第二扰流柱9的结构与第一区域5和第三区域7内的第一扰流柱4的结构相同，第二扰流柱9的轴向垂直于双极板本体1，第二扰流柱9的横截面形状为圆形，第二扰流柱9的直径小于相邻两个第二扰流柱9之间的距离，相邻两个第二扰流柱9之间形成的流道的尺寸相对较大，能够确保氢气的流速，有利于对氢气的快速收集、排出。
导流筋10设置于第五区域12，多条导流筋10沿双极板本体1的宽度方向间隔分布，相邻两条导流筋10之间的空间形成流道，供氢气流通。
本发明实施例中，将导流筋10设置为具有波峰和波谷的波浪形，相应地，相邻两条导流筋10之间形成的流道也呈波浪形。波浪形的流道具有介质压降小、介质流速快的优点，有利于氢气的收集与排出。而且，波浪形流道相比于平行流道，对双极板本体1的面积的利用率更高，介质压降小的优点，更适用于双极板的阴极侧的氢气析出的需求。
具体实施例中，可以将导流筋10设置为正弦曲线状。
导流筋10沿双极板本体1的宽度方向的尺寸为1～1.2毫米，相邻两条导流筋10沿双极板本体1的宽度方向的间距等于导流筋10沿双极板本体1的宽度方向的尺寸。
本发明实施例中，第一扰流柱4沿双极板本体1的厚度方向的尺寸小于第一凹槽沿双极板本体1的厚度方向的尺寸，此时，在第一凹槽的槽口位置处形成能够容纳扩散层的空间，将扩散层设置于第一凹槽的槽口位置处，且扩散层与所有第一扰流柱4远离第一凹槽的槽底的一端相接触，各个第一扰流柱4的端部和第一凹槽的侧壁可以对扩散层进行定位。
类似地，第二扰流柱9沿双极板本体1的厚度方向的尺寸和导流筋10沿双极板本体1的厚度方向的尺寸均小于第二凹槽沿双极板本体1的厚度方向的尺寸，此时，在第二凹槽的槽口位置处形成能够容纳扩散层的空间，将扩散层设置于第二凹槽的槽口位置处，且扩散层与所有第二扰流柱9和导流筋10远离第二凹槽的槽底的一端相接触，各个第二扰流柱9的端部、导流筋10和第二凹槽的侧壁可以对扩散层进行定位。
具体实施例中，将第一凹槽沿双极板本体1的厚度方向的尺寸和第二凹槽沿双极板本体1的厚度方向的尺寸设置为0.6毫米，将第一扰流柱4沿双极板本体1的厚度方向的尺寸、第二扰流柱9沿双极板本体1的厚度方向的尺寸和导流筋10沿双极板本体1的厚度方向的尺寸均设置为0.4毫米。
本发明实施例中，在双极板本体1的第一表面设置有第一密封槽14，在双极板本体1的第二表面设置有第二密封槽15。
第一密封槽14沿进水口2、水氧出口3和水氧流场所在区域的周向延伸，在第一密封槽14处设置密封圈，将双极板本体1与集流板相连接之后，密封圈既能够确保进水口2、水氧出口3和水氧流场相连通，又能够使进水口2、水氧出口3和水氧流场独立于外部环境，避免进水口2、水氧出口3和水氧流场受外部环境的影响。
由于氢气出口8为设置于双极板本体1上的通孔，第一密封槽14还需要沿氢气出口8的周向延伸，以将氢气出口8隔离于进水口2、水氧出口3和水氧流场，避免氢气渗透至双极板本体1的第一表面或者外部环境中。
第二密封槽15沿氢气出口8和氢气流场所在区域的周向延伸，在第二密封槽15处设置密封圈，将双极板本体1与集流板相连接之后，密封圈既能够确保氢气出口8和氢气流场相连通，又能够使氢气出口8和氢气流场独立于外部环境，避免氢气出口8和氢气流场受外部环境的影响。
由于进水口2和水氧出口3均为设置于双极板本体1上的通孔，第二密封槽15还需要沿进水口2和水氧出口3的轴向延伸，以将进水口2和水氧出口3隔离于氢气出口8和氢气流场，避免水流至双极板本体1的第二表面或者外部环境中。
进一步实施例中，将第一密封槽14和第二密封槽15中的至少一者的横截面形状设置为梯形，第一密封槽14的槽口尺寸大于第一密封槽14的槽底尺寸，第二密封槽15的槽口尺寸大于第二密封槽15的槽底尺寸。
如此设置，密封圈与第一密封槽14能够获得较大的摩擦力，密封圈与第二密封槽15能够获得较大的摩擦力，梯形结构能够承受更大的横向剪切力，密封圈能够承受更高的工作压力，使双极板本体1与集流板之间的有效密封压力可达5～8Mpa。
密封圈的材质可以选用橡胶或者聚四氟乙烯(外文名为Polytetrafluoroethylene，简写为PTFE)等，可以通过注胶的形式注在双极板本体1上，也可以单独制作密封圈，然后将密封圈与第一密封槽14或第二密封槽15进行贴合。
本实施例中，双极板本体1为金属材质，可以选用金属钛或者不锈钢，通过在双极板本体1的表面设置镀层，来保护双极板本体1，防止双极板本体1在电化学反应过程中被快速腐蚀。金属材质的双极板，具有机械性能好，导电、导热效果佳的优点，而且可以通过冲压成型或者蚀刻的工艺方式来加工双极板，相比于传统技术中的石墨双极板，金属材质的双极板本体1更便于加工，且整体质量更轻便。
在双极板本体1上设置的镀层的材质可以为金、铂或者复合材料。
在双极板本体1的边缘位置设置有连接孔16，利用连接螺栓可以将双极板与电解槽的其他零部件装配连接在一起。可选实施例中，也可以不在双极板本体1上开设连接孔16，通过对电解槽的端板施加压紧力，通过端部压紧的方式实现对双极板的固定，有利于减少双极板本体1的外形尺寸，节省材料。
需要说明的是，双极板本体1中的各个结构中，有倒圆角需求的部分均可以加工圆角，本申请不作特殊说明。
本发明实施例提供的双极板，水从进水口2进入第一凹槽，经第一区域5的分配作用后，均匀进入第二区域6内，未反应的水和生成的氧气经由水氧出口3流出双极板。第二凹槽内生成的氢气在第五区域12内集中，并向两端的氢气出口8流通，直至流出双极板。根据阳极和阴极的反应特性以及传质需求，将阳极侧流场和阴极侧流场设置为不同的结构，有效地改善了阳极侧流场和阴极侧流场的性能，能够分别满足阳极和阴极不同工作条件下的传热、传质需要。
综上所述，本发明实施例提供的双极板具有机械性能好、导热导电性能优良、整体质量轻便的优点。而且，本发明实施例提供的双极板的流场的传热传质效果更佳，有利于带走电解槽内积累的热量，提升电解槽的效率。
另一方面，本发明实施例还提供一种电解槽，包括上述任一实施例提供的双极板。上述实施例提供的双极板能够提高水在阳极侧的分布均匀性。故，本实施例中的电解槽具有电解效率高的优点。本发明实施例中的电解槽的有益效果的推导过程与上述双极板的有益效果的推导过程大体类似，故此处不再赘述。
又一方面，本发明实施例还提供一种制氢系统，包括上述任一实施例提供的双极板或者电解槽。具有上述双极板或者电解槽的全部优点，在此不再赘述。本发明实施例中的制氢系统的有益效果的推导过程与上述双极板的有益效果的推导过程大体类似，故此处不再赘述。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (10)
1.一种双极板，其特征在于，包括双极板本体，所述双极板本体上设置有进水口、水氧出口和水氧流场；
所述进水口和所述水氧出口在所述双极板本体上呈斜对角设置；
所述水氧流场包括第一凹槽和多行第一扰流柱，所述第一凹槽设置于所述双极板本体的第一表面且沿所述双极板本体的长度方向设置于所述进水口与所述水氧出口之间，所述进水口和所述水氧出口均与所述第一凹槽相连通；
多行所述第一扰流柱设置于所述第一凹槽内，任意相邻的两行所述第一扰流柱交错分布。
2.根据权利要求1所述的双极板，其特征在于，所述第一凹槽具有第一区域、第二区域和第三区域，所述第一区域、所述第二区域和所述第三区域沿所述双极板本体的长度方向分布；
所述第一扰流柱的轴向垂直于所述双极板本体，所述第一区域和所述第三区域内的所述第一扰流柱的横截面形状为圆形，所述第二区域内的所述第一扰流柱的横截面形状为正六边形。
3.根据权利要求1所述的双极板，其特征在于，所述双极板本体上还设置有氢气流场和一对氢气出口，一对所述氢气出口在所述双极板本体上呈斜对角设置，所述氢气流场设置于所述双极板本体的第二表面，所述氢气流场沿所述双极板本体的长度方向设置于一对所述氢气出口之间，一对所述氢气出口与所述氢气流场相连通。
4.根据权利要求3所述的双极板，其特征在于，所述氢气流场包括第二凹槽、多行第二扰流柱和多条导流筋；
所述第二凹槽具有第四区域、第五区域和第六区域，所述第四区域、第五区域和第六区域沿所述双极板本体的长度方向分布；
所述第二扰流柱设置于所述第四区域和所述第六区域，所述导流筋设置于所述第五区域，多条所述导流筋沿所述双极板本体的宽度方向间隔分布。
5.根据权利要求4所述的双极板，其特征在于，所述导流筋为具有波峰和波谷的波浪形。
6.根据权利要求4所述的双极板，其特征在于，所述第一扰流柱沿所述双极板本体的厚度方向的尺寸小于所述第一凹槽沿所述双极板本体的厚度方向的尺寸；
所述第二扰流柱沿所述双极板本体的厚度方向的尺寸和所述导流筋沿所述双极板本体的厚度方向的尺寸均小于所述第二凹槽沿所述双极板本体的厚度方向的尺寸。
7.根据权利要求3所述的双极板，其特征在于，所述双极板本体的第一表面设置有第一密封槽，所述第一密封槽沿所述进水口、所述水氧出口和所述水氧流场所在区域的周向延伸，且所述第一密封槽沿所述氢气出口的周向延伸；
所述双极板本体的第二表面设置有第二密封槽，所述第二密封槽沿所述氢气出口和所述氢气流场所在区域的周向延伸，且所述第二密封槽沿所述进水口和所述水氧出口的周向延伸。
8.根据权利要求7所述的双极板，其特征在于，所述第一密封槽和所述第二密封槽中的至少一者的截面形状为梯形，所述第一密封槽的槽口尺寸大于所述第一密封槽的槽底尺寸，所述第二密封槽的槽口尺寸大于所述第二密封槽的槽底尺寸。
9.一种电解槽，其特征在于，包括如权利要求1至8任一项所述的双极板。
10.一种制氢系统，其特征在于，包括如权利要求1至8任一项所述的双极板，或者，包括如权利要求9所述的电解槽。
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