CN211112248U

CN211112248U - 一种用于纯水spe电解水器的兼具供水和冷却双功能的极板及流场

Info

Publication number: CN211112248U
Application number: CN201921244579.0U
Authority: CN
Inventors: 廖世军; 宋慧宇; 王西奎
Original assignee: South China University of Technology SCUT; Guangzhou Institute of Modern Industrial Technology
Current assignee: South China University of Technology SCUT; Guangzhou Institute of Modern Industrial Technology
Priority date: 2019-08-02
Filing date: 2019-08-02
Publication date: 2020-07-28
Anticipated expiration: 2029-08-02

Abstract

本实用新型公开了一种用于纯水SPE电解水器的兼具供水和冷却双功能的极板及流场。极板材料选用石墨板或金属板，阳极流场设计采用单道或者多道蛇形流场，每条流场通道从阳极的流体导入口蛇形至阳极出口，流体通过时，流体沿着蛇形通道，布满整个阳极表面，使电解水器阳极极板流体与薄膜电极充分接触，达到稳定供水，从而使得电解稳定，同时实现电极的有效冷却。阴极采用栅栏型并行通道设计，产生的氢气可从阴极出口快速排出并带走部分热量。极板边缘设置固定槽，方便用于极板与膜电极的组装及电解水器的扩展。应用本极板及流场的SPE电解水器，在同样电流密度下，能显著提高电解水器的电解性能，实现温度的有效控制。

Description

一种用于纯水SPE电解水器的兼具供水和冷却双功能的极板及流场

技术领域

本实用新型涉及纯水固体聚合物电解质（SPE）电解制氢技术领域，具体是涉及一种用于纯水SPE电解水器的兼具供水和冷却双功能的极板及流场。

背景技术

纯水SPE电解制氢技术是指纯水在电解水器中电解产生氢气的技术。由于使用固体聚合物膜作为电解质，因此，无需添加碱或者酸作为电解质。通常是将催化剂粘结在固体聚合物电解质的正反两面构成电极的阳极和阴极。将薄膜电极置于两块极板（阳极和阴极）之间，通电即可分解水，在阴极得到氢气，在阳极得到氧气。

在电解纯水的过程中，纯水能够均匀和充分地供应到电极的每一个区域，对于提高电解水器的效率和实现电极的长寿命非常重要；同时，通过阳极侧纯水的循环也是实现电极及电池有效冷却和电池温度控制的有效途径。

电解水器的极板及流场设计直接影响纯水的充足供应、薄膜电极与纯水的有效接触、氧气和氢气的及时排出及电解水器的有效冷却，从而影响电解水器的电解性能。通常在极板及流场设计中需要满足如下要求：

1 纯水进出口有较小的压降，可以降低对电解水器外围设备的性能要求，有效减少能量的消耗，如可以选用功率小的液泵。

2 电解水器极板及流场在阳极极板流场、阴极极板流场、阳极流场进口、阳极流场出口、阴极流场出口的流场通道布局合理，既可以达到稳定供水使得电解稳定，又可以实现电极的有效冷却，防止电极温度过高而损坏。

3 电解水器的极板及流场的氢气侧和氧气侧要隔离，防止产生的氢氧气体混合，在保证SPE电解水器的安全的同时，又能保证氢气的纯度。

4 电解水器的极板及流场要保证各个极板的独立性，可以根据需要增加和减少极板的数量而不影响电解水器的整体结构性能。

在有大量气流产生的情况下，目前的极板及流场设计常常不能保证纯水在电极表面的均匀分布及充分供给，使得电极表面出现“空白区”，严重降低了电极及电解池的电解效能。另一方面，目前的电解器中阳极侧的水流常常也扮演冷却介质的角色，通过水的循环带出电解池中的热量，而目前的流场设计中，水流不能均匀地流过整个电极，出现大量滞留区，使得电极不能得到均匀和有效的冷却，导致电解池性能下降。

中国发明专利105839136 A公开了一种用于SPE电解的中心对称式辐射状双极板流场结构，但是，这种流场在有大量气体产生的情况下，气体不能及时有效地排出；气体的占位阻碍纯水在电极表面的均匀分布，形成“空白区”，进而影响电极的有效散热。中国发明专利 103806014A采用改进的平行流场弯头设计可以改进流场散热，但同样存在由于产生气体不能及时排出而造成纯水在电极表面不能均匀分布的缺陷。

实用新型内容

针对现有流场存在的不足, 本实用新型提出用于纯水SPE电解水器的兼具供水和冷却双功能的极板及流场。

本分明技术方案如下。

本实用新型中阳极流场设计采用单道或者多道蛇形通道流场设计，每条流场通道从阳极流体导入口蛇形蜿蜒延伸至阳极出口，流体通过时，流体沿着蛇形通道，布满整个阳极表面，使电解水器阳极流体与薄膜电极阳极充分接触进行电解反应，实现供水稳定，同时带走电解过程中产生的热量，防止电极局部过热，实现电极的有效冷却，从而使电解水器电解稳定。阴极采用栅栏型并行通道设计，产生的氢气能很快的从阴极出口排出，同时带走部分电解产生的热量。

一种用于纯水SPE电解水器的兼具供水和冷却双功能的极板及流场，极板为单极板或者双极板（即一面为阳极，另一面为阴极）；极板材料为不锈钢、钛板或者石墨板；极板表面包括：阳极阴极流场、流体导入口、阳极出口、阴极出口密封面及固定螺丝孔；所述阳极阴极流场包括阳极流场和阴极流场；阳极流体兼具电解原料（水）的供给及冷却（通过流体带出电解池中生成的热量）的功能，阳极流场采用单通道或者多通道的蛇形设计；阴极流场采用栏栅式设计；极板整体设计为圆形，极板边缘设置有固定螺丝孔，极板表面除设计流场外，还设置了流体导入口、阳极出口、阴极出口，所述流场设于所述极板正反两面的中部，所述阳极流体导入口、阳极出口设于阳极流场的两边，呈对称分布，所述阴极出口设于阴极极板边侧，与阳极流体导入口、阳极出口错位分布；所述阳极出口通过连接通道与阳极流场连接，所述阴极出口通过连接通道与阴极流场连接。

进一步地，所述阳极流场采用单道或者多道全域蛇形设计，每一个通道都贯穿整个极板，确保了在大量气体生成的情况下对薄膜电极的原料水的有效供应，以及对阳极生成的大量热量的有效移除。

进一步地，所述阴极流场采用栏栅式流场设计，可确保生成的氢气能够及时排出，并带走部分热量。

进一步地，所述阴极出口设于所述阴极流场平行栅栏型沟槽的一端，同时与阳极进出口呈现错位分布。阴极出口与阳极流体导入口、阳极出口通过极板密封件间隔。

进一步地，所述阳极极板流体流场、所述阴极极板流体流场设于所述极板的两侧。

通过以上设计的极板及流场，用于纯水SPE电解水器，具有供水稳定，可以实现对温度的有效控制，使得纯水SPE电解水器的整体性能稳定。

同时还具有以下优点：

1. 纯水进出口有较小的压降，降低了对电解水器外围设备的性能要求，可有效的减少能耗；

2. 可有效隔离产生的氢气和氧气，保证SPE电解水器的安全，同时也保证了输出氢气的纯度。

3. 具有便捷的可扩充性：极板与流场的独立性设计保证了电解水器的便捷扩展性，可以根据需要，方便的增加或减少极板的数量而不影响电解水器的整体结构性能。

4. 阳极侧供水稳定且均匀，为电极均匀产氢提供保证；水流动不存在死角，可有效均匀地冷却电极。

附图说明：

图1为本实用新型的一种用于兼顾供水和冷却双功能的纯水SPE电解水器的极板与流场的装配示意图；

图2为本实用新型的一种用于兼顾供水和冷却双功能的纯水SPE电解水器的极板与流场的分解示意图，

图3为本实用新型的一种用于兼顾供水和冷却双功能的纯水SPE电解水器的极板与流场的阳极流场示意图；

图4为本实用新型的一种用于兼顾供水和冷却双功能的纯水SPE电解水器的极板与流场的阴极流场示意图。

图中各个部件如下：阳极单极板1、密封件2、薄膜电极3、双极板电极4、阴极单极板5。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型进行详细说明，但本实用新型的实施方式不限于此。

一种用于兼顾供水和冷却双功能的纯水SPE电解水器的极板与流场（阳极和阴极流场图分别参看附图3和附图4），以及采用本实用新型的极板与流场组装而成的电解水器（组装图和分解图分别参看附图1和附图2）。

极板可使用石墨、不锈钢及钛板制作。对于单极板，阳极极板上设置“流体导入孔”、“阳极出口”及用于电堆组装的“固定螺丝孔”，并在极板一侧上设计加工“阳极流场”；阴极极板上设置“阴极出口”及“固定螺丝孔”，并在极板一侧上设计加工“阴极流场”；对于双极板，除了在极板上设置“流体导入孔”、“阳极出口”、“阴极出口”及用于电堆组装的“固定螺丝孔”外，还需要在极板的两面分别设计和加工阳极流场和阴极流场；

图3为蛇形单通道阳极极板和流场示意图（阳极流场除了可为单通道蛇形流场，也可为平行多通道蛇形流场）。极板形状设计为圆形（不限于圆形），距离极板边界5-6mm用于设置“流体导入孔”、“阳极出口”和“固定螺丝孔”（即极板边界5-6mm不设置流场），阳极的流体导入口和阳极出口设于极板的两边，呈对称分布，同时对称设置“固定螺丝孔”10个。流场设计于极板正中，流槽宽度为2mm，流槽深度为2mm，肋宽为1.5mm，“阳极流场”的槽肋比约为4;3; 阳极流体导入口、阳极出口通过沟槽连通，流道从阳极流体导入口一直蜿蜒延伸至出口；电解池工作时，纯水可被均匀供给膜电极的整个活性区域，实现电解池的高效供水和有效冷却；

图4为阴极极板和流场的示意图，阴极无需导入流体，因此不设计流体导入口。极板形状设计为圆形（不限于圆形），距离极板边界5-6mm用于设置“阴极出口”和“固定螺丝孔”（即极板边界5-6mm不设置流场），阴极出口设置成与阳极流体导入口、阳极出口错位分布，使得阴极出口与阳极的流体导入口、阳极出口隔离；同时对称设置“固定螺丝孔”10个（与阳极极板固定螺丝孔吻合）。流场设计于极板正中，阴极流场采用平行栏栅流场，方向指向阴极出口，流槽宽度2mm，深度1mm，肋宽1.5mm，“阴极流场”的槽肋比约为4;3。栏栅流场周围设置导流槽，与阴极出口连通，汇聚阴极产生的氢气，并从阴极出口排出。

采用本实用新型设计流场的极板、组装而成的典型的电解水器包括：阳极端单极板1和阴极端单极板5，在阳极端单极板1和阴极端单极板5之间可根据需要设置若干阴阳双极板4。薄膜电极3置于两片（单，双）极板的阳极和阴极之间（如：双极板4的阳极侧和阴极单极板的阴极侧之间，阳极单极板1的阳极侧和双极板4的阴极侧等），添加密封圈组装成为含有一个或者多个电极的单电解池的电解池堆。

Claims

1.一种用于纯水SPE电解水器的兼具供水和冷却双功能的极板及流场，其特征在于，极板为单极板或者双极板；极板材料为不锈钢、钛板或者石墨板；极板表面包括：阳极阴极流场、流体导入口、阳极出口、阴极出口密封面及固定螺丝孔；所述阳极阴极流场包括阳极流场和阴极流场；阳极流场采用单通道或者多通道的蛇形设计；阴极流场采用栏栅式设计；极板整体设计为圆形，极板边缘设置有固定螺丝孔，极板表面除设计流场外，还设置了流体导入口、阳极出口、阴极出口；所述流场设于所述极板正反两面的中部，所述流体导入口、阳极出口设于阳极流场的两边，呈对称分布，所述阴极出口设于阴极极板边侧，与流体导入口、阳极出口错位分布；所述阳极出口通过连接通道与阳极流场连接，所述阴极出口通过连接通道与阴极流场连接。

2.如权利要求1所述用于纯水SPE电解水器的兼具供水和冷却双功能的极板及流场，其特征在于，所述阳极流场采用单道或者多道全域蛇形设计，每一个通道都贯穿整个极板。

3.如权利要求1所述用于纯水SPE电解水器的兼具供水和冷却双功能的极板及流场，其特征在于，所述阴极流场采用栏栅式流场设计。

4.根据权利要求3所述用于纯水SPE电解水器的兼具供水和冷却双功能的极板及流场，其特征在于：所述阴极出口设于所述阴极流场平行栅栏型沟槽的一端，同时与阳极进出口呈现错位分布。

5.根据权利要求1所述用于纯水SPE电解水器的兼具供水和冷却双功能的极板及流场，其特征在于：所述阳极流场、所述阴极流场设于所述极板的两侧。