CN219117580U - 具有树形仿生流道的电解水制氢双极板 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种具有树形仿生流道的电解水制氢双极板，包括主进口、主出口和至少一组流道，每组流道包括进口流道、出口流道和树形流道，树形流道的进口端与进口流道连通，树形流道的出口端与出口流道连通，其中，树形流道包括若干一级流道、若干二级流道、...，若干n级流道，一级流道的进口端与进口流道连通，n级流道的出口端与出口流道连通，树形流道的总横截面积沿流体的流动方向逐渐增大。本实用新型提出的双极板通过增加流体沿程流道截面积，有效降低流体沿程流阻，从而降低整个流道面内阻力，降低流道入口处所需压力，有利于双极板大面积、长流道尺寸的设计，从而有利于质子交换膜电解水制氢双极板大面积尺寸和质子交换膜电解槽大型化发展。

Description

具有树形仿生流道的电解水制氢双极板

技术领域

本实用新型涉及燃料电池技术领域，尤其是涉及一种具有树形仿生流道的电解水制氢双极板。

背景技术

为缓解环境污染问题，人们在能源供应方面进行了探索。由于可再生能源地域发展不均衡、波动性大、消纳间歇等问题未能得到实质性解决，而电解水制氢通过能量转换，很好的解决了上述问题。质子交换膜电解水制氢技术是目前比较成熟的电解水制氢技术，质子交换膜电解槽主要由膜电极、气体扩散层、流场板等主要部件构成。为了提高质子交换膜电解水制氢单槽输入功率和产氢速率，需要提高电解槽单池有效制氢面积。流场板作为电解槽核心部件之一，起到传输电子、疏导气液混合物等作用。随着极板面积的增加，流场板上液体流道变长，流动阻力随之增加，并产生流动死区，严重时局部产生热点造成膜电极等部件损坏，降低电解槽使用效率，缩短电解槽使用寿命。

此外，质子交换膜电解槽制氢技术具有电流密度大的特点，电解槽内氧水比较高，过高的流动阻力会限制气体的顺利排出，从而限制电解槽操作电流密度。尤其是在使用大面积流场和极板时，随着极板面积的增大和流道的延长，流动阻力持续升高，气水混合物无法及时有效排出，电解槽性能随之下降，甚至可能出现局部过热，损坏电解槽的危险。

实用新型内容

实用新型旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本实用新型的实施例提出一种流动阻力较低的具有树形仿生流道的电解水制氢双极板。

本实用新型实施例的具有树形仿生流道的电解水制氢双极板包括主进口、主出口和至少一组流道，每组流道包括进口流道、出口流道和树形流道，所述进口流道与所述主进口连通，所述出口流道与所述主出口连通，所述树形流道的进口端与所述进口流道连通，所述树形流道的出口端与所述出口流道连通，

其中，所述树形流道包括若干一级流道、若干二级流道、...，若干n级流道，n大于等于3，所述一级流道的进口端与所述进口流道连通，多个所述一级流道的出口端与一个所述二级流道的进口端连通，...，多个所述n-1级流道的出口端与一个所述n级流道的进口端连通，所述n级流道的出口端与所述出口流道连通，所述树形流道的总横截面积沿流体的流动方向逐渐增大。

本实用新型针对大面积质子交换膜电解水制氢双极板流道阻力大、压降大，局部可能产生流动死区，气体无法及时排出的问题，提出通过增加流体沿程流道(即树形流道)截面积，有效降低流体沿程流阻，从而降低整个流道面内阻力，降低流道入口处所需压力。整个流道面内流动阻力的降低，有利于双极板大面积、长流道尺寸的设计，从而有利于质子交换膜电解水制氢双极板大面积尺寸和质子交换膜电解槽大型化发展。

此外，本实用新型实施例提供的具有树形仿生流道的电解水制氢双极板可以根据实际活性面积设计需求，增加树形流道的子流道级数，即增加树形流道内流体的汇合次数，实现增加流道长度，而同时流体的流阻不会相应增加。并且，还可以根据设计活性面积需求，设置多组流道，使双极板面积成倍的增加，而同时流体的流阻不会相应增加。

在一些实施例中，所述二级流道的横截面积大于与其连通的多个所述一级流道的横截面积之和，所述n级流道的横截面积大于与其连通的多个所述n-1级流道的横截面积之和。

在一些实施例中，所述二级流道的横截面积为与其连通的多个所述一级流道的横截面积之和的1.4-1.6倍，和/或，所述n级流道的横截面积为与其连通的多个所述n-1级流道的横截面积之和的1.4-1.6倍。

在一些实施例中，所述一级流道、所述二级流道、...，和/或所述n级流道的单个横截面积沿流体的流动方向逐渐增大。

在一些实施例中，所述一级流道、所述二级流道、...，和/或所述n级流道的出口端的横截面积为其进口端的横截面积的1.1-1.2倍。

在一些实施例中，所述进口流道和所述出口流道相互平行且均沿第一方向延伸，每组流道中所述进口流道的长度大于所述出口流道的长度。

在一些实施例中，所述树形流道呈轴对称结构，所述树形流道的对称轴与所述第一方向相互垂直。

在一些实施例中，双极板包括多组流道，多组流道在所述第一方向上间隔排布，相邻两组流道呈中心对称，一组流道中的进口流道与相邻流道中的出口流道在所述第一方向上相对。

在一些实施例中，所述进口流道的延伸方向与所述树形流道的进口端朝向之间的角度为75度-105度。

在一些实施例中，所述出口流道的延伸方向与所述树形流道的出口端朝向之间的角度为75度-105度。

附图说明

图1是本实用新型实施例提供的具有树形仿生流道的电解水制氢双极板的示意图。

图2是本实用新型实施例提供的具有树形仿生流道的电解水制氢双极板中一组流道的示意图。

附图标记：

进口流道1、第一进口流道101、第二进口流道102、出口流道2、第一出口流道201、第二出口流道202、树形流道3、一级流道31、二级流道32、三级流道33、第一树形流道301、第二树形流道302。

具体实施方式

下面详细描述本实用新型的实施例，所述实施例的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本实用新型，而不能理解为对本实用新型的限制。

下面根据图1和图2描述本实用新型实施例提供的具有树形仿生流道的电解水制氢双极板，双极板包括主进口、主出口和至少一组流道。其中每组流道均包括进口流道1、出口流道2和树形流道3，进口流道1与主进口连通，出口流道2与主出口连通。树形流道3具有进口端和出口端，树形流道3的进口端与进口流道1连通，树形流道3的出口端与出口流道2连通。

其中，树形流道3包括沿流体的流动方向依次相连的多级子流道。具体地，树形流道3包括若干一级流道31、若干二级流道32、...，若干n级流道，n大于等于3。一级流道31、二级流道32、...，n级流道在流体的流动方向上依次连通，一级流道31的进口端作为树形流道3的进口端，与进口流道1连通。多个一级流道31的出口端与一个二级流道32的进口端连通，以便多个一级流道31中的气液混合物汇入一个二级流道32中，...，多个n-1级流道的出口端与一个n级流道的进口端连通，以便多个n-1级流道中的气液混合物汇入一个n级流道中。n级流道的出口端作为树形流道3的出口端，与出口流道2连通。

并且，树形流道3的总横截面积沿流体的流动方向逐渐增大，流体的流动方向为从一级流道31、二级流道32、...向n级流道的流动方向，树形流道3的总横截面积为在该位置处的所有子流道的横截面积的总和。例如，树形流道3的进口附近的总横截面积为若干一级流道31在该处的横截面积之和，树形流道3的出口附近的总横截面积为若干n级流道在该处的横截面积之和。由于树形流道3的总横截面积沿流体的流动方向逐渐增大，因此树形流道3的出口端的总横截面大于进口端的总横截面积。

在电解槽中，气液混合物从双极板的主进口进入进口流道1，并通过树形流道3的进口端进入树形流道3中，沿着树形流道3流通，从树形流道3的出口端进入出口流道2中，最终从双极板的主出口流出。在树形流道3内，气液混合物依次沿一级流道31汇入二级流道32，...，从n-1级流道汇入n级流道，并最终从n级流道的出口端流出。

本实用新型针对大面积质子交换膜电解水制氢双极板流道阻力大、压降大，局部可能产生流动死区，气体无法及时排出的问题，提出通过增加流体沿程流道(即树形流道)截面积，有效降低流体沿程流阻，从而降低整个流道面内阻力，降低流道入口处所需压力。整个流道面内流动阻力的降低，有利于双极板大面积、长流道尺寸的设计，从而有利于质子交换膜电解水制氢双极板大面积尺寸和质子交换膜电解槽大型化发展。

此外，本实用新型实施例提供的具有树形仿生流道的电解水制氢双极板可以根据实际活性面积设计需求，增加树形流道的子流道级数，即增加树形流道内流体的汇合次数，实现增加流道长度，而同时流体的流阻不会相应增加。并且，还可以根据设计活性面积需求，设置多组流道，使双极板面积成倍的增加，而同时流体的流阻不会相应增加。

在一些实施例中，二级流道32的横截面积大于与其连通的多个一级流道31的横截面积之和，...，n级流道的横截面积大于与其连通的多个n-1级流道的横截面积之和，从而实现树形流道3的总横截面积沿流体的流动方向逐渐增大。具体地，在树形流道3的子流道为变截面流道的实施例中，二级流道32最小处的横截面积应该大于多个一级流道31的横截面积之和的最大值，n级流道最小处的横截面积应该大于多个n-1级流道的横截面积之和的最大值。

可选地，二级流道32的横截面积为与其连通的多个一级流道31的横截面积之和的1.4-1.6倍，和/或，n级流道的横截面积为与其连通的多个n-1级流道的横截面积之和的1.4-1.6倍。

优选地，子流道的横截面积为与其连通的多个上级流道的横截面积之和的1.4-1.6倍。若子流道的横截面积和与其连通的多个上级流道的横截面积之和的比值小于1.4，易导致树形流道3的流体沿程受阻，气体排出不及时，若子流道的横截面积和与其连通的多个上级流道的横截面积之和的比值大于1.6，流道内部沿程阻力损失过大，造成出口端流体压力较小，不利于流道内流体向下游继续汇合，还易导致子流道所占面积过大，造成双极板面积的浪费。因此，使子流道的横截面积为与其连通的多个上级流道的横截面积之和的1.4-1.6倍，既可以有效降低流体沿程流阻，降低流道入口处所需压力，还可以避免沿程阻力损失过大，并可以有效利用双极板的面积，提高双极板利用率。

进一步优选地，二级流道32的横截面积为与其连通的多个一级流道31的横截面积之和的1.5倍，...，n级流道的横截面积为与其连通的多个n-1级流道的横截面积之和的1.5倍。

在一些实施例中，一级流道31、二级流道32、...，和/或n级流道为变截面流道。一级流道31、二级流道32、...，和/或n级流道的单个横截面积沿流体的流动方向逐渐增大，导致一级流道31、二级流道32、...，和/或n级流道的进口端横截面积小于出口端横截面积。使树形流道3的子流道宽度随着流体沿程而逐渐变宽，有利于进一步降低流体沿程流阻，从而降低整个流道面内阻力，降低流道入口处所需压力。

优选地，一级流道31、二级流道32、...和n级流道的单个横截面积沿流体的流动方向逐渐增大。

可选地，一级流道31、二级流道32、...，和/或n级流道的出口端的横截面积为其进口端的横截面积的1.1-1.2倍。若树形流道3的子流道的出口端的横截面积与其进口端的横截面积之比小于1.1，易导致流体沿程受阻，气体排出不及时，若树形流道3的子流道的出口端的横截面积与其进口端的横截面积之比大于1.2，流道内部沿程阻力损失过大，造成出口端流体压力较小，不利于流道内流体向下游继续汇合。因此，使树形流道3的子流道的出口端的横截面积与其进口端的横截面积之比在1.1-1.2范围内，既可以有效降低流体沿程流阻，降低流道入口处所需压力，还可以避免沿程阻力损失过大，并可以有效利用双极板的面积，提高双极板利用率。

在一些实施例中，如图1和图2所示，进口流道1和出口流道2相互平行且均沿第一方向延伸，且双极板的每组流道中进口流道1的长度大于出口流道2的长度。由于树形流道3的进口端数量大于其出口端数量，使双极板的每组流道中进口流道1的长度大于出口流道2的长度，有利于提高双极板的面内空间利用率和利用的合理性，通过在在整个流场板内设置多组宽度渐变形流道成倍地扩大流场面积和极板面积。

进一步地，为了改善面内流体流动均匀性，使树形流道3呈轴对称结构，且树形流道3的对称轴与第一方向相互垂直。

在一些实施例中，如图1所示，本实用新型实施例提供的具有树形仿生流道的电解水制氢双极板包括多组流道，多组流道在第一方向上间隔排布，相邻两组流道呈中心对称，如图1所示，一组流道中的进口流道1与相邻流道中的出口流道2在第一方向上相对，而一组流道中的出口流道2与相邻流道中的进口流道1在第一方向上相对。多组树形仿生流道的设计可以有效提高电解槽内电流密度分布、摩尔氧浓度分布、温度分布的均匀性，从而有效提升电解槽电解效率，降低能耗，降低成本。

在一些实施例中，如图1和图2所示，进口流道1的延伸方向(第一方向)与树形流道3的进口端朝向之间的角度为75度-105度。也可以说，如图2所示，树形流道3在第二方向上位于进口流道1和出口流道2之间，第一方向与第二方向相互垂直，为了使流体流向过渡平缓，且尽可能的利用极板面积形成流道，树形流道3的进口端朝向与第二方向之间的夹角α小于等于15度。

进一步地，如图1和图2所示，出口流道2的延伸方向(第一方向)与树形流道3的出口端朝向之间的角度为75度-105度。

下面根据图1和图2描述本实用新型提供的一个具体实施例中的具有树形仿生流道的电解水制氢双极板。

如图1所示，双极板包括第一组流道和第二组流道，第一方向为左右方向。如图1所示，第一组流道位于第二组流道的左侧，第一组流道包括第一进口流道101、第一出口流道201和第一树形流道301，第一树形流道301的进口端与第一进口流道101连通，第一树形流道301的出口端与第一出口流道201连通，第一进口流道101和第一出口流道201均沿左右方向连通。第二组流道包括第二进口流道102、第二出口流道202和第二树形流道302。第二树形流道302的进口端与第二进口流道102连通，第二树形流道302的出口端与第二出口流道202连通，第二进口流道102和第二出口流道202均沿左右方向连通。

如图1所示，第一组流道和第二组流道成中心对称。第一进口流道101的长度大于第一出口流道201的长度，第二进口流道102大于第二出口流道202的长度。第一进口流道101与第二出口流道202在左右方向上相对，第一出口流道201与第二进口流道102在左右方向上相对。第一进口流道101的进水方向与第二进水流道102的进水方向相反，第一出口流道201与第二出口流道202的出水方向相反。

下面以第一组流道为例，第一组流道的第一树形流道301包括12个一级流道31、六个二级流道32和三个三级流道33。两个一级流道31与一个二级流道32连通，两个二级流道32与一个三级流道33连通。并且二级流道32的横截面积大于与其对应的两个一级流道31的横截面积之和，三级流道33的横截面积大于与其对应的两个二级流道32的横截面积之和。

在本实施例中，一级流道31、二级流道32和三级流道33的流道横截面积均随着流体沿程而逐渐变大。气液混合物从第一进口流道101进入树形流道3后，沿着12个一级流道31流动，并且流道沿程逐渐变宽，变宽到一定程度后，两个一级流道31汇合入二级流道32。二级流道32进一步变宽，两个二级流道32进一步汇合入三级流道33，最终进入第一出口流道201，从主出口流出。

优选地，一级流道31、二级流道32和三级流道33的出口端横截面积为其进口端横截面积的1.1-1.2倍。可选地，可以通过流道宽度上变化为原始宽度的1.1-1.2倍，也可以通过流道深度上变化为原始深度的1.1-1.2倍。

优选地，二级流道32的横截面积为与其对应的两个一级流道31的横截面积之和的1.4-1.6倍，三级流道33的横截面积为与其对应的两个二级流道32的横截面积之和的1.4-1.6倍。可选地，可以通过流道宽度上变化为原始宽度的1.1-1.2倍，也可以是流道深度上变化为原始深度的1.1-1.2倍。

由于流道宽度沿着流体流动方向逐渐增加，流动阻力随之降低。本实施例提供的双极板及其流道设计，其树形仿生的流道渐变设计具有沿程阻力小、易于水和反应产生的气体流动排出的优势，避免局部流阻过高形成死区，可有效提高反应效率，降低电解水制氢能耗。

此外，本实施例中通过在整个极板面内设计两组流道，两组流动采用反向进出水的方式，增大流道面积，有利于大面积流场和极板的设计。为了保证流道面积尽可能大，两组流道之间的距离应尽可能的小。

在其他可替换实施例中，树形流道3的一级流道31、二级流道32和三级流道33可以为其他。双极板的一组流道模拟树干形状，进口流道1为一条，进口流道1分成n个一级流道，n为偶数。沿着流体流动方向，每个一级流道逐渐变宽后汇合成一个宽度更宽的二级流道，二级流道总数目为n/2，进一步地，n/2的二级流道逐步汇合称为n/4个三级流道，逐步汇合至出口流道2。通过增加流道的汇合次数，即增加分支流道的级数，可增加流道设计长度。

在其他可替换实施例中，三级流道还可以汇合形成四级流道，并根据所设计的极板面积，依次汇合形成五级流道、六级流道等等。

可选地，本实用新型实施例提供的双极板的流道结构可使用机械加工、刻蚀成型以及3D打印成型的方式获得。

综上所述，本实用新型实施例提供的双极板通过流道宽度渐变的方式，有效降低流体沿程阻力，流道面内流阻降低，入口所需水压降低，泵能耗降低；树形流道分级的方式，进口处流道逐渐汇合并依次类推最后流出，通过增加汇合次数，有效延长流道设计，而不相应增加流阻，利于流道长度的延长；通过设置多组流道的方式，有利于质子交换膜电解水制氢极板的大面积设计和质子交换膜电解水制氢电解槽的大型化开发。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，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。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本实用新型的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或彼此可通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本实用新型中，术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本实用新型的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本实用新型的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本实用新型的限制，本领域的普通技术人员在本实用新型的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种具有树形仿生流道的电解水制氢双极板，其特征在于，包括主进口、主出口和至少一组流道，每组流道包括进口流道、出口流道和树形流道，所述进口流道与所述主进口连通，所述出口流道与所述主出口连通，所述树形流道的进口端与所述进口流道连通，所述树形流道的出口端与所述出口流道连通，

其中，所述树形流道包括若干一级流道、若干二级流道、...，若干n级流道，n大于等于3，所述一级流道的进口端与所述进口流道连通，多个所述一级流道的出口端与一个所述二级流道的进口端连通，...，多个所述n-1级流道的出口端与一个所述n级流道的进口端连通，所述n级流道的出口端与所述出口流道连通，所述树形流道的总横截面积沿流体的流动方向逐渐增大。

2.根据权利要求1所述的具有树形仿生流道的电解水制氢双极板，其特征在于，所述二级流道的横截面积大于与其连通的多个所述一级流道的横截面积之和，所述n级流道的横截面积大于与其连通的多个所述n-1级流道的横截面积之和。

3.根据权利要求2所述的具有树形仿生流道的电解水制氢双极板，其特征在于，所述二级流道的横截面积为与其连通的多个所述一级流道的横截面积之和的1.4-1.6倍，和/或，所述n级流道的横截面积为与其连通的多个所述n-1级流道的横截面积之和的1.4-1.6倍。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的具有树形仿生流道的电解水制氢双极板，其特征在于，所述一级流道、所述二级流道、...，和/或所述n级流道的单个横截面积沿流体的流动方向逐渐增大。

5.根据权利要求4所述的具有树形仿生流道的电解水制氢双极板，其特征在于，所述一级流道、所述二级流道、...，和/或所述n级流道的出口端的横截面积为其进口端的横截面积的1.1-1.2倍。

6.根据权利要求1-3中任一项所述的具有树形仿生流道的电解水制氢双极板，其特征在于，所述进口流道和所述出口流道相互平行且均沿第一方向延伸，每组流道中所述进口流道的长度大于所述出口流道的长度。

7.根据权利要求6所述的具有树形仿生流道的电解水制氢双极板，其特征在于，所述树形流道呈轴对称结构，所述树形流道的对称轴与所述第一方向相互垂直。

8.根据权利要求6所述的具有树形仿生流道的电解水制氢双极板，其特征在于，包括多组流道，多组流道在所述第一方向上间隔排布，相邻两组流道呈中心对称，一组流道中的进口流道与相邻流道中的出口流道在所述第一方向上相对。

9.根据权利要求1所述的具有树形仿生流道的电解水制氢双极板，其特征在于，所述进口流道的延伸方向与所述树形流道的进口端朝向之间的角度为75度-105度。

10.根据权利要求1所述的具有树形仿生流道的电解水制氢双极板，其特征在于，所述出口流道的延伸方向与所述树形流道的出口端朝向之间的角度为75度-105度。

Images