CN118007149A - 具有梯度点阵与平行流道结合流场结构的流场板及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有梯度点阵与平行流道结合流场结构的流场板及其应用，该流场板包括正方形板体，正方形板体正面其中一个对角线对应的两端顶点上各设置有一个反应物入口，另一个对角线对应的两端顶点上各设置有一个产物出口；正方形板体的正面沿两条对角线设置有点阵流场，所述的点阵流场之外的三角区域均设置有平行流道，平行流道的方向均与其相邻的正方形板体侧边方向相同；同时采用平行流道和梯度点阵流场，并按照流场区域的流动阻力大小进行分布，与对角线端点上的出入口相对应，这样的流场设计在降低泵功损耗的同时能够有效地提升反应物的传质水平，将降低压降和提升传质做到有效的平衡，适用于质子交换膜电解槽、液流电池和燃料电池。
Description
技术领域
本发明属于电解槽技术领域，涉及流场板，具体涉及具有梯度点阵与平行流道结合流场结构的流场板及其应用。
背景技术
近年来，氢气因其高热值、环保和灵活的储能能力而引起了人们的广泛关注并得到了广泛应用。氢气可以从各种来源生产，如通过蒸汽重整、气化的化石燃料、通过热解、气化的生物质和通过电解、热解、光解的水。在上述技术中，由可再生能源驱动的质子交换膜(PEM)电解水技术因其卓越的制氢能力而被认为是减少碳排放和环境污染的有发展前景的技术，从而提高了能源效率和生产能力。
在质子交换膜电解池运行的过程中，反应物水和产物气体的管理问题严重影响质子交换膜电解池的性能和运行安全。一旦产物气体在质子交换膜电解池内积聚，导致扩散面积减小以及化学反应活性面积的减少可能导致电池性能甚至寿命下降。所以，质子交换膜电解池流场设计不仅影响反应物的分布，而且影响水和产物气体的分布，这是质子交换膜电解池设计的关键问题之一。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种具有梯度点阵与平行流道结合流场结构的流场板及其应用，应用于质子交换膜电解槽装置中实现反应物浓度与电流密度均匀分布、增强传质以提高电解槽的性能。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
一种具有梯度点阵与平行流道结合流场结构的流场板，包括正方形板体，所述的正方形板体的正面其中一个对角线对应的两端顶点上各设置有一个反应物入口，另一个对角线对应的两端顶点上各设置有一个产物出口；
所述的正方形板体的正面沿两条对角线设置有点阵流场，所述的点阵流场之外的三角区域均设置有平行流道，所述的平行流道的方向均与其相邻的正方形板体侧边方向相同。
本发明还具有以下技术特征：
优选的，所述的点阵流场包括若干圆形短柱，所述的圆形短柱的直径沿正方形板体顶点至中心方向依次减小，设置有三级梯度。
进一步的，所述的点阵流场以正方形板体中心为对称点对称设置为菱形或矩形。
进一步的，所述的圆形短柱采用交叉排布或阵列排布方式。
优选的，所述的平行流道设置为相互平行的弧形流道。
优选的，所述的正方形板体采用高导电性石墨材料或耐腐蚀的不锈钢材料制成。
本发明还保护一种如上所述的具有梯度点阵与平行流道结合流场结构的流场板作为电化学能源转换装置流场板的应用方法，所述的电化学能源转换装置包括质子交换膜电解槽、液流电池和燃料电池。
本发明与现有技术相比，具有如下技术效果：
本发明的流场板为对称的正方形流场结构，入口位置和出口位置位于流场的四个角点上并且分别分布于正方形流场两条对角线端点处；采取两个反应物入口和两个产物出口交替分布的流动组织形式，这样的设计缩短了反应物流动路径，保证了反应物浓度分布以及温度分布均匀性，有效减小了入口与出口之间的压差，可提升装置的运行效率；
发明的流场板采用了梯度点阵流场，该流场分布于对角线的流动主流区域，并且点阵圆形的半径采用梯度设计，能够增强扰流与传质过程，并且在流道出口处分散气泡，有效提高电流密度分布的均匀性；提高温度分布的均匀性以及反应物浓度的均匀性，进而有效提高电解槽的性能；在距离主流方向较远处采用平行流道，能够有效降低该处的流动阻力，减少流动死区的面积，使得反应物流体能更均匀的在流场范围内分布；同时，也能降低在该区域生成的生成物气体的传质阻力，避免产物气泡堵塞流道，影响电池性能表现；
同时采用平行流道和梯度点阵流场，并按照流场区域的流动阻力大小进行分布，与对角线端点上的出入口相对应，这样的流场设计在降低泵功损耗的同时能够有效地提升反应物的传质水平，将降低压降和提升传质做到有效的平衡；
本发明的具有梯度点阵与平行流道结合流场结构的流场板用作包括质子交换膜电解槽、液流电池和燃料电池等电化学能源转换装置均能够实现降低压降和提升传质的有效的平衡，提升其性能，具有通用性。
附图说明
图1是本发明的流场板的平面结构示意图；
图2是本发明的流场板的立体结构示意图；
图3是本发明在电解槽中的应用示意图；
图中各标号的含义为：1-正方形板体，2-反应物入口，3-点阵流场，4-平行流道，5-产物出口，6-阳极流场，7-阳极扩散层，8-阳极催化层，9-质子交换膜，10-阴极催化层，11-阴极扩散层，12-阴极流场。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明的具体内容做进一步详细解释说明。
如图1至图2所示，本实施例给出一种具有梯度点阵与平行流道结合流场结构的流场板，包括正方形板体1，正方形板体1的正面其中一个对角线对应的两端顶点上各设置有一个反应物入口2，另一个对角线对应的两端顶点上各设置有一个产物出口5；
正方形板体1的正面沿两条对角线设置有点阵流场3，点阵流场3之外的三角区域均设置有平行流道4，平行流道4的方向均与其相邻的正方形板体1侧边方向相同。
方形流场的内部根据流动阻力的大小进行分区。流体流动的组织形式为，反应物从反应物入口2流入，一部分流体沿主流方向流入点阵流场3流动，另一部分流体沿平行流道4流动，随后经产物出口5流出；流动组织形式可根据实际需求进行调整。
流场内的对角线区域流程短，所以流场对角线区域被划分为点阵流场3，能够增强该区域的反应物传质水平；被对角线划分的四个三角形区域与主流方向有一定距离，流动较弱且容易形成流动死区，所以此区域被划分为平行流道4从而有效降低流动阻力，该流场保证了流场中浓度分布以及温度分布的均匀性，从而进一步保证了电流密度的均匀性；在电解池中能促进生成气体的有效排出，有效避免气体堵塞，提高电解槽装置的性能表现。
点阵流场3包括若干圆形短柱，圆形短柱的直径沿正方形板体1顶点至中心方向依次减小，设置有三级梯度。设置点阵流场3的目的为增大对角线流动主流方向对流体的扰动，同时破坏电解水的过程中产物气泡的生长，将产物气体分散为小气泡促进产物气体的快速排出，进而提高电解槽的电流密度和总体性能；圆形短柱的直径有三种半径大小，沿流动方向递减，分别为1.5mm、0.75mm和位于中心的圆形短柱直径采用的0.5mm；圆形短柱的数量和形状可以根据实际使用需要灵活进行调整，也可使用方形、圆形等形状。
点阵流场3以正方形板体1中心为对称点对称设置为菱形或矩形。
圆形短柱采用交叉排布或阵列排布方式，有利于流道内反应产物与气体沿流线排出。
平行流道4设置为相互平行的弧形流道。平行流道4由相互平行的7条相互平行的弧形流道组成，直流道的具体数量和几何尺寸可以根据实际使用情况灵活调整；直流道的作用在于沟通对角线主流区域之间的区域，减少流动死区面积，提高反应物分布的均匀性；同时，平行流道4的压降水平较低，在流场中安排平行流场有利于降低流场总体压降水平，从而降低电解槽泵功损耗，提高能量转化效率。
正方形板体1采用高导电性石墨材料或耐腐蚀的不锈钢材料制成。
本发明的具有梯度点阵与平行流道结合流场结构的流场板适用于质子交换膜电解槽、液流电池和燃料电池，应用在质子交换膜电解槽中的结构如图3所示，工作步骤如下：
步骤S100、电解液泵入流道：在质子交换膜电解槽的阳极和阴极，电解液从阳极流场6和阴极流场12的流场板的正方形板体1同一对角线两端的反应物入口2同时以主动或被动的方式流入流场，经过阳极扩散层6和阴极扩散层11传质最终抵达阳极催化层8和阴极催化层10。
步骤S200、电化学反应：液态水在阳极催化层8析出氧气、氢离子，并释放电子，电子通过外电路转移至阴极催化层10，氢离子通过质子交换膜9扩散至阴极催化层10并与电子结合生成氢气。
步骤S300、产物排出过程：随着电化学反应过程的进行，阳极反应产物氧气和液态水的混合物由阳极的产物出口5排出，阴极反应产物氢气和液态水的混合物由阴极的产物出口5排出。
流场板为平行流道4和点阵流场3相结合的流场结构，反应物入口2与产物出口5位于正方形流场的四个顶点上，且入口与出口分别分布于两条对角线的端点上；反应物由反应物入口2处进入流场，流经平行流道4和点阵流场3，发生电化学反应，最后生成物从产物出口5流出流场，该反应物流动设计能够缩短反应物入口2与产物出口5之间的流程，降低电解槽的泵功损耗，提高能量转换效率；同时，该流场也保证了流场中浓度分布以及温度分布的均匀性，进一步保证了电流密度的均匀性；在电解池中能促进生成气体的有效排出，有效避免气体堵塞，提高电解槽装置的性能表现。
最后应该说明的是：以上实施例仅用于说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本权利要求范围当中。
Claims (7)
1.一种具有梯度点阵与平行流道结合流场结构的流场板，其特征在于，包括正方形板体(1)，所述的正方形板体(1)的正面其中一个对角线对应的两端顶点上各设置有一个反应物入口(2)，另一个对角线对应的两端顶点上各设置有一个产物出口(3)；
所述的正方形板体(1)的正面沿两条对角线设置有点阵流场(3)，所述的点阵流场(3)之外的三角区域均设置有平行流道(4)，所述的平行流道(4)的方向均与其相邻的正方形板体(1)侧边方向相同。
2.如权利要求1所述的具有梯度点阵与平行流道结合流场结构的流场板，其特征在于，所述的点阵流场(3)包括若干圆形短柱，所述的圆形短柱的直径沿正方形板体(1)顶点至中心方向依次减小，设置有三级梯度。
3.如权利要求2所述的具有梯度点阵与平行流道结合流场结构的流场板，其特征在于，所述的点阵流场(3)以正方形板体(1)中心为对称点对称设置为菱形或矩形。
4.如权利要求2所述的具有梯度点阵与平行流道结合流场结构的流场板，其特征在于，所述的圆形短柱采用交叉排布或阵列排布方式。
5.如权利要求1所述的具有梯度点阵与平行流道结合流场结构的流场板，其特征在于，所述的平行流道(4)设置为相互平行的弧形流道。
6.如权利要求1所述的具有梯度点阵与平行流道结合流场结构的流场板，其特征在于，所述的正方形板体(1)采用高导电性石墨材料或耐腐蚀的不锈钢材料制成。
7.一种如权利要求1至6中任一项所述的具有梯度点阵与平行流道结合流场结构的流场板作为电化学能源转换装置流场板的应用方法，其特征在于，所述的电化学能源转换装置包括质子交换膜电解槽、液流电池和燃料电池。
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