CN217788456U - 一种圆形双极板流道结构及电解池 - Google Patents
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Abstract
本实用新型的目的在于改进现有电解制氢双极板流道设计的不足，提供一种更优化的流道设计，以改进流体流动的均匀性，从而提高电解效率和电解槽的使用寿命。考虑到现有双极板因流道尺寸不一导致大量流体从导流槽流出，且流场极不均匀，为此对流道进行改进，消除了双极板流体入口和流体出口连线垂直方向两侧的部分导流槽，使得流体只能从双极板上的流道流出，得到一种优化的电解槽流道结构。
Description
技术领域
本实用新型涉及电化学领域，具体地说，涉及一种优化的圆形双极板流道结构，特别适用于电解制氢。
背景技术
PEM电解水是匹配波动性可再生能源制氢的最优技术路线，可将纯水直接电解生成氢气和氧气，具有良好的动态响应特性和高电流密度，非常适合分布式可再生能源制氢。PEM电解槽是实现电解水制氢的核心设备，其中双极板起到了导通电子、隔绝阴阳极物料、输配流体等作用。由于PEM 电解水需要在较大的工作电流密度才能实现较好的经济性，双极板的优化起到了决定性作用。流体输配效果差的双极板不仅导致电流密度分布不均匀，长期不均匀的电流密度会导致局部膜电极快速失效，易发生阴阳极串气、短路等情况，极端情况下甚至造成局部烧结甚至爆炸。圆形电解槽因其具有良好的密封适应性，是PEM电解槽中一种常见的结构。但是其流场设计加工复杂，目前报道的有矩阵式点状流场、蛇形流场等结构，加工程序复杂，难以实现量产。
目前，商业应用中常见的电解槽双极板流道结构如图1所示。其中，流体从流体入口1进入，通过双极板上的沟槽(分流歧管2)进入在双极板外周呈环状的导流槽3中，从导流槽3分流进入双极板流道4，在流体出口侧再次进入导流槽3中汇集，并通过分流歧管2进入流体出口5流出。由于导流槽3在双极板外周形成为环状，并且导流槽3的尺寸相比双极板上的双极板流道4更深更宽，因此，流体在导流槽3中的流动阻力相比于在双极板流道中的流动阻力要小很多，导致流体更倾向于从流体入口1通过导流槽3直接流向流体出口5。对于现有技术中的这种流道结构，通过计算模拟分析可以得到双极板流道的流场流速分布，如图2所示。可以看到，双极板的中间流道因与流体入口和流体出口贯通，流速要高得多，而两侧部分的流道中的流体流速则很低。与此同时，导流槽3本身也构成了流体通路，并且流动阻力相对较小，流体在导流槽3中也保持了比双极板两侧流道中的流体流速要高得多的流速，导致大量流体从流体入口经由导流槽3从流体出口5流出，未能参与反应。
因此，在现有技术的双极板流道结构中，双极板两侧流道中用于电解的流体可能在下游不足，而中间流道中的流体在离开双极板前则未能充分电解，而在导流槽3中的流体可能基本没有进行电解就流出了双极板。
目前，尚需要对双极板的流道结构进行改进，以提供在整个双极板表面更为均匀的流体流速分布。
实用新型内容
针对现有技术的不足，本实用新型提供了一种优化的圆形双极板流道结构，该优化结构可改善现有技术中双极板上的流场流动的不均匀性，使得流场流速分布更加均匀，可有效避免现有技术流道结构存在局部流道水电解不充分及局部水供应不足，避免双极板局部失效引发的频繁更换，进一步提高电解效率，该流道设计可促进电解制氢的商业化应用。
根据本实用新型的一个方面，提供一种圆形双极板流道结构，包括流体入口、流体出口、导流槽和流道，其特征在于，导流槽设置于圆形双极板的外周，流体入口连通入口侧导流槽，流体出口连通出口侧导流槽，流道从入口侧向出口侧延伸，并在两端分别连通入口侧导流槽和出口侧导流槽，入口侧导流槽与出口侧导流槽不直接连通。
根据本实用新型的另一个方面，提供一种用于电解制氢的电解池，其使用本实用新型所述的圆形双极板流道结构。
本实用新型具有如下技术效果：
1、通过改进流道布置，提高了双极板上流体流动的均匀性；
2、流场结构加工简单，降低了双极板生产成本；
3、由于流体流动更加均匀，可进一步提高双极板和效率和电解槽使用寿命。
附图说明
图1为现有技术的圆形双极板流道结构，其中1为流体入口，2为分流歧管，3为导流槽，4为双极板流道，5为流体出口。
图2为现有技术的圆形双极板流道的流场流速分布，其中1为流体入口， 2为分流歧管，3为导流槽，4为双极板流道，5为流体出口。
图3为本实用新型改进后的圆形双极板流道结构，其中1’为流体入口， 2’为分流歧管，3’为入口侧导流槽，4’为双极板流道，5’为流体出口，6’为出口侧导流槽。
图4本实用新型改进后的圆形双极板流道的流场流速分布，其中1’为流体入口，2’为分流歧管，3’为入口侧导流槽，4’为双极板流道，5’为流体出口，6’为出口侧导流槽。
具体实施方式
下面通过附图和实施例对本实用新型进一步详细说明。通过这些说明，本实用新型的特点和优点将变得更为清楚明确。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本实用新型，并不限制本实用新型。
在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。
此外，下面所描述的本实用新型不同实施方式中涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
本实用新型的目的在于改进现有电解制氢双极板流道设计的不足，提供一种更优化的流道设计，以改进流体流动的均匀性，从而提高电解效率和电解槽的使用寿命。考虑到现有双极板因流道尺寸不一导致大量流体从导流槽流出，且流场极不均匀，为此对流道进行改进，消除了双极板流体入口和流体出口连线垂直方向两侧的部分导流槽，使得流体只能从双极板上的流道流出，得到一种优化的电解槽流道结构。
根据本实用新型的一种实施方式，提供一种圆形双极板流道结构，包括流体入口、流体出口、导流槽和流道，其特征在于，导流槽设置于圆形双极板的外周，流体入口连通入口侧导流槽，流体出口连通出口侧导流槽，流道从入口侧向出口侧延伸，并在两端分别连通入口侧导流槽和出口侧导流槽，入口侧导流槽与出口侧导流槽不直接连通。
作为本实用新型的优选实施方式，入口侧导流槽和出口侧导流槽，自流体入口和流体出口连线向两侧方向作渐浅设置。更优选地，入口侧导流槽和出口侧导流槽，自流体入口和流体出口连线向两侧方向作渐窄设置。
作为本实用新型的优选实施方式，可以将圆形双极板在与流体入口和流体出口连线相垂直两个方向上分别截去一段弓形面积，从而使入口侧的导流槽与出口侧的导流槽不直接连通。通过这种方式，使得从流体入口进入的流体通过双极板上的流道而从流体出口流出，双极板的导流槽由于不连通而只能提供流体导流和分配的功能，无法成为流体流通的路径。优选地，被截去的弓形面积的圆心角为90度。
根据本实用新型的一种实施方式，在圆形双极板的流体入口和入口侧导流槽之间设置入口侧分流歧管，其两端分别连通流体入口和入口侧导流槽。通过设置入口侧分流歧管，有利于进入流体入口的流体更易于进入入口侧导流槽，并提高流道中流体流速分布的均匀性。相应地，在圆形双极板的流体出口和出口侧导流槽之间设置出口侧分流歧管，其两端分别连通流体出口和出口侧导流槽。通过设置出口侧分流歧管，有利于汇集于出口侧导流槽中的流体更顺畅地从流体出口流出。
根据本实用新型的一种实施方式，相比于双极板中流道的尺寸，导流槽的深度更深，宽度更宽，这有利于流体在流道中的均匀分布。
本实用新型改进后的圆形双极板流道结构如图3所示，其中，圆形双极板在与流体入口和流体出口连线相垂直两个方向上分别截去一段圆心角为 90度的弓形面积。流体从流体入口1’进入，通过双极板上的入口侧分流歧管2’进入在双极板外周的入口侧导流槽3’中，从导流槽3’分流进入双极板流道4’，在流体出口侧再次进入双极板外周的出口侧导流槽6’中汇集，并通过分流歧管2’进入流体出口5’流出。入口侧的导流槽3’与出口侧的导流槽6’不直接连通，无法成为流体流通的路径。通过这种方式，使得从流体入口1’进入的流体只能通过双极板上的流道而从流体出口流出。而且，相比于双极板中流道4’的尺寸，导流槽3’和6’的深度更深，宽度更宽，这有利于流体在流道中的均匀分布。
对本实用新型改进后的圆形双极板流道结构的流场流速分布进行计算模拟分析，结果如图4所示。从图4可以看到，从流体入口1’流入的流体无法仅通过导流槽而从流体出口5’流出，必须通过双极板上的流道。在相同的流量下，改进后的流道结构使得流速分布更加均匀，相比于现有技术，位于流体入口和流体出口连线垂直方向两侧的流道中的流体流速得到较大提高。尽管中部流场流速仍较高，但各个流道的流速差异均较小，从而显著提高了流场流速的均匀性，降低了双极板生产成本，并可以进一步提高双极板的效率和电解槽使用寿命，具有显著的创新性。
在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”、“前”、“后”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于本实用新型工作状态下的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，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实用新型的限制。
以上结合了优选的实施方式对本实用新型进行了说明，不过这些实施方式仅是范例性的，仅起到说明性的作用。在此基础上，可以对本实用新型进行多种替换和改进，这些均落入本实用新型的保护范围内。
Claims (10)
1.一种圆形双极板流道结构，包括流体入口、流体出口、导流槽和流道，其特征在于，导流槽设置于圆形双极板的外周，流体入口连通入口侧导流槽，流体出口连通出口侧导流槽，流道从入口侧向出口侧延伸，并在两端分别连通入口侧导流槽和出口侧导流槽，入口侧导流槽与出口侧导流槽不直接连通。
2.如权利要求1所述的圆形双极板流道结构，入口侧导流槽和出口侧导流槽，自流体入口和流体出口连线向两侧方向作渐浅设置。
3.如权利要求1或2所述的圆形双极板流道结构，入口侧导流槽和出口侧导流槽，自流体入口和流体出口连线向两侧方向作渐窄设置。
4.如权利要求1至3任一项所述的圆形双极板流道结构，其特征在于，导流槽的深度相比于流道更深。
5.如权利要求1至4任一项所述的圆形双极板流道结构，其特征在于，导流槽的宽度相比于流道更宽。
6.如权利要求1至5任一项所述的圆形双极板流道结构，其特征在于，在流体入口和入口侧导流槽之间设置入口侧分流歧管，其两端分别连通流体入口和入口侧导流槽。
7.如权利要求1至6任一项所述的圆形双极板流道结构，其特征在于，在流体出口和出口侧导流槽之间设置出口侧分流歧管，其两端分别连通流体出口和出口侧导流槽。
8.如权利要求1至7任一项所述的圆形双极板流道结构，其特征在于，圆形双极板在与流体入口和流体出口连线相垂直两个方向上分别截去一段弓形面积，从而使入口侧的导流槽与出口侧的导流槽不直接连通。
9.如权利要求7所述的圆形双极板流道结构，其特征在于，弓形面积的圆心角为90度。
10.一种用于电解制氢的电解池，其使用如权利要求1-9任一项所述的圆形双极板流道结构。
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