CN219342320U - 一种具有泪滴型阵列流场的电解水极板 - Google Patents

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Abstract

一种具有泪滴型阵列流场的电解水极板，其属于电解水制氢技术领域。该电解水极板主要由外圈框架和极板形成；外圈框架上设置有多个气液出口、多个电解液进口、用于固定的金属压片、用于安装的定位孔、用于放置隔膜材料及电极材料对应的下陷台阶和起密封作用的密封水线；电解水极板的双侧面均设有泪滴型阵列流场。泪滴型流场包括泪滴型凸起和阵列流道；泪滴型凸起间分别以横向、纵向交错排布构成气液流道，泪滴尖端方向应当与整体气液流动方向一致。调节凸起规格和横纵向间距，可以有效地控制气液混流流向，提升流场空间内的气液混流流速，减少流体动能损耗，从而提高流体流动传热传质效率，降低电解槽工作能耗，实现高效绿色制氢。

Description

一种具有泪滴型阵列流场的电解水极板
技术领域
本实用新型属于电解水制氢技术领域，具体地涉及一种具有泪滴型阵列流场的电极板。
背景技术
电解水制氢包括碱性电解水制氢、质子交换膜电解水制氢、固体氧化物电解水制氢。碱性水电解制氢相对于其他两种电解制氢技术来说具有商业化广泛、技术成熟度高、设备成本低、产氢规模大、使用寿命长等优点。碱性水电解制氢的工作温度适中，同时对材料的选择、密封和运行控制的要求没有那么苛刻。
目前国内外碱性电解水槽均是采用流场双极板+阴极集电极+电解隔膜+阳极集电极+流场双极板这种压滤式结构作为电解单元。采用聚四氟乙烯（PTFE）作为密封材料，在大型电解槽中大多使用波纹集电极和凹凸冲压板构成流场结构两种设计策略。波纹电极板是集波纹型流场与集电极于一体的集电极，其与平面极板组装可形成一片完整极板，具有成品率高、装配方便等特点，是一种面向商业化的方式；而凹凸冲压板是一种独特的球型凹凸阵列排布的流场极板，其与外圈框架焊接形成一片完整极板，其改善了碱液流速、电流密度及温度分布的均匀度。然而，这两种方式均存在由于流向混乱所产生的漩涡造成的动能削弱现象（如图7），导致碱液流速低、滞气现象严重，且与集电极连接面积过小所导致的导电效率低、电流密度低、单位能耗高等缺点限制碱水制氢技术的发展。
实用新型内容
基于上述碱性电解水制氢中极板所带来的技术问题，本实用新型以现有电解水极板外框结构为基础，提出一种新型的内部具有泪滴型阵列流场的电解水极板；它具有泪滴型阵列流场，以有效提高内部气液流速，减少滞气现象，提高极板与集电极导电面积，进而在同等条件下降低电解小室电压，提升设备电解效率，降低单位能耗。
为实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：
一种具有泪滴型阵列流场的电解水极板，它包括外圈框架和密封水线，所述外圈框架上设置气液出口和电解液进口，极板上设置设有泪滴型阵列流场；
泪滴型阵列流场包括泪滴型凸起和凸起之间形成的阵列流道；泪滴型凸起以横向、纵向交错排布，泪滴型凸起的尖端方向与气液流动方向一致，平行于气液出口的中线；
所述泪滴型凸起下部半圆形半径为R，泪滴型凸起的总长为3R-4R，宽为2R；凸起纵向间距为相邻两个泪滴型凸起纵向尖端顶点之间的距离L，L为8R-10R；凸起横向间距为横向相邻两个泪滴型凸起尖端顶点之间的距离W，W为1.5R-3R。
所述极板的两侧均设有泪滴型阵列流场。
所述泪滴型凸起包括凸起顶面和凸起壁面，凸起顶面与凸起壁面之间设有圆弧过渡面。
所述外圈框架上设置1-5个气液出口，气液出口的中线为所有气液出口所占扇形的中线。
所述外圈框架上设置1-5个电解液进口。
该电解水极板上还设有用于安装的定位孔。
气液出口和电解液进口处设有金属压片。
具体的电解水极板主要由外圈框架和极板形成；外圈框架上设置有多个气液出口、多个电解液进口、用于固定的金属压片、用于安装的定位孔、用于放置隔膜材料及电极材料对应的下陷台阶和起密封作用的密封水线；电解水极板7的双侧面均设有泪滴型阵列流场。
泪滴型流场主要由排布在极板上的泪滴型凸起阵列形成的气液流道构成；单个泪滴型凸起下部半圆形半径为R，泪滴型凸起的总长为3.5R，宽为2R，突起高度可调。特别的是凸起顶面与壁面间应当有圆弧过渡面，以防止组装过程中的挤压导致集电极受损变形。泪滴型凸起间分别以横向、纵向交错排布构成气液流道，凸起纵向间距为9R，横向间距为1.6R，特别的是，泪滴尖端方向应当与整体气液流动方向一致，即应当与气液出口中线平行。
电极材料和极板表面之间形成的腔内构成流场的垂直空间，泪滴型凸起之间构成流道的水平空间，电解液通过多个进口进入流场空间进行电解反应，最终气液从所述多个出口流出构成了一个小室的电解反应过程。
本实用新型的有益效果：
该电解水极板主要由外圈框架和极板形成；外圈框架上设置有多个气液出口、多个电解液进口、用于固定的金属压片、用于安装的定位孔、用于放置隔膜材料及电极材料对应的下陷台阶和起密封作用的密封水线；电解水极板的双侧面均设有泪滴型阵列流场。泪滴型流场包括泪滴型凸起和阵列流道；泪滴型凸起间分别以横向、纵向交错排布构成气液流道，泪滴尖端方向应当与整体气液流动方向一致。调节凸起规格和横纵向间距，可以有效地控制气液混流流向，提升流场空间内的气液混流流速，减少流体动能损耗，从而提高流体流动传热传质效率，降低电解槽工作能耗，实现高效绿色制氢。
本实用新型开创性地使用了泪滴型阵列流场，根据电解液流体流动特性及流体传热传质效果，极板通过泪滴型凸起间以横纵向交错排布构成气液流道，泪滴尖端方向与整体气液流动方向一致。结合仿真模拟分析结果调整合适的凸起规格和横纵向间距，可以有效地控制气液混流流向，提升流场空间内的气液混流流速，减少流体动能损耗，从而提高流体流动传热传质效率，降低电解槽工作能耗，实现高效绿色制氢。
如图1所示，本实用新型把流场流道设计成泪滴型阵列流道，在有循环泵驱动的电解液流过时，与进出液口方向匹配的泪滴型凸起阵列会对电解液进行分流，沿在纵向交错凸起进行加速，驱动电解产生的气泡快速脱离电极表面；独特的凸起阵列会对电解过程中产生的气液混流进行定向加速，有效地减少了混流中由于流向混乱的卡门涡街效应产生的漩涡导致的动能削弱现象。
进一步地，本实用新型通过巧妙的流场设计，增加了与所述电极材料的导电面积，增大电解液的流速的同时，提高了流体流动传热传质效率，降低了电解槽工作能耗。如图2所示，我们通过COMSOL Multiphysics仿真模拟软件对部分泪滴型流场结构进行分析，结果显示：流速提升20%，且流向均一、流速分布均匀。
附图说明
图1是本实用新型实现局部单向加速流体作用的原理示意图。
图2是本实用新型的仿真模拟模型及模拟结果示意图。
图3是本实用新型的电极板整体结构正视图。
图4是本实用新型泪滴型凸起阵列流场的部分放大图。
图5是本实用新型凸起剖面示意图。
图6是本实用新型泪滴型凸起阵列流场的纵向横向排列示意图。
图7是传统凹凸冲压板中流体漩涡所造成的动能削弱现象示意图。
图中：1、外圈框架，2、气液出口，2a、背面气液出口，3、金属压片，4、定位孔，5、下陷台阶，6、密封水线，7、极板，8、电解液进口，8a、背面电解液进口，9、泪滴型凸起，9a、凸起顶面，9b、凸起壁面，10、阵列流道，11、圆弧过渡面。
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。
如图3到图6所示，一种具有泪滴型阵列流场的电极板，其中所述外圈框架1设置有多个气液出口2和多个电解液进口8，此外还设置有用于固定的金属压片3、用于安装的定位孔4、用于放置隔膜电极材料对应的下陷台阶5和起密封作用的密封水线6。
泪滴型阵列流场极板7设置有横纵向交错排布的泪滴型凸起9阵列所组成的流道10来构成流场空间。双侧均设置有辐射型流场、氢氧分离的气液出口和电解液进口，可以实现压滤式布局电解小室组合结构。
极板7两侧均设置泪滴型阵列流场，包括泪滴型凸起9和凸起之间形成的阵列流道10；泪滴型凸起9以横向、纵向交错排布，泪滴型凸起9的尖端方向与气液流动方向一致，平行于气液出口2的中线；泪滴型凸起9包括凸起顶面9a和凸起壁面9b，凸起顶面9a与凸起壁面9b之间设有圆弧过渡面11。
泪滴型凸起9下部半圆形半径为R，泪滴型凸起的总长为3.5R，宽为2R；凸起纵向间距为纵向相邻两个泪滴型凸起尖端顶点之间的距离L，凸起横向间距为横向相邻两个泪滴型凸起尖端顶点之间的距离W。
外圈框架与泪滴型阵列流场极板可以采用一体模具法、冲压焊接法、机床加工法等多种加工方式，独特的泪滴型阵列流场的泪滴尖端朝向应当与电解腔内气液流动方向保持一致，即朝向应当与气液出口中线平行。根据实施方式要求，可以对电极板整体尺寸做适应性调整，以满足电解槽结构的多元化设计。
实施例
外圈框架1上焊接极板7，极板7的两侧均设置泪滴型阵列流场。外圈框架1上设置两个气液出口2和两个背面气液出口2a，气液出口2的中线为所有气液出口2所占扇形的中线。外圈框架1上设置一个电解液进口8和一个背面电解液进口8a。气液出口2和电解液进口8用于正面的阵列流场，背面气液出口2a和背面电解液进口8a用于背面的阵列流场。
技术参数为：极板7的半径为600mm，单个泪滴型凸起9下部半圆形半径R为10mm，泪滴型凸起的总长为35mm，宽为20mm，突起高度为5mm。特别的是凸起顶面9a与凸起壁面9b间有2mm半径圆弧过渡面11，以防止组装过程中的挤压导致集电极受损变形。泪滴型凸起间分别以横向、纵向交错排布构成气液流道，凸起纵向间距L为90mm，横向间距W为16mm，特别的是，泪滴尖端方向做了匹配处理以达到朝向与气液出口中线平行。
采用上述技术方案工作时，电解液通过外部循环泵的驱动从中线方向电解液进口8进入流场空间内，与进出液口方向匹配的泪滴型凸起阵列流道10会对进口电解液进行分流，增大电解液流速，沿在纵向交错凸起进行加速，驱动电解产生的气泡快速脱离电极表面；独特的凸起阵列会对电解过程中产生的气液混流进行定向加速，有效地减少了混流中由于流向混乱的卡门涡街效应产生的漩涡导致的动能削弱现象。气液混流最终通过两个气液出口2从流场中排出汇聚到外部管路，形成一个循环。
采用上述装置在75℃的工作温度下，电流密度即可达到5000A·m-2，最高能耗低至4.2kWh/Nm3@3000A·m-2，明显小于市面上普遍极板的能耗（≥ 4.3kWh/Nm3@2000A·m-2）。
可以理解的是，以上关于本实用新型的具体描述，仅用于说明本实用新型而并非受限于本实用新型实施方式所描述的技术方案，本领域的普通技术人员应当理解，仍然可以对本实用新型进行修改或等同替换，以达到相同的技术效果；只要满足使用需要，都在本实用新型的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种具有泪滴型阵列流场的电解水极板，它包括外圈框架（1）和密封水线（6），其特征在于：所述外圈框架（1）上设置气液出口（2）和电解液进口（8），外圈框架（1）内侧设置极板（7），极板（7）上设置设有泪滴型阵列流场；
泪滴型阵列流场包括泪滴型凸起（9）和凸起之间形成的阵列流道（10）；泪滴型凸起（9）横向、纵向交错排布，泪滴型凸起（9）的尖端方向与气液流动方向一致，平行于气液出口（2）的中线；
所述泪滴型凸起（9）下部半圆形半径为R，泪滴型凸起的总长为3R-4R，宽为2R；凸起纵向间距为纵向相邻两个泪滴型凸起尖端顶点之间的距离L，L为8R-10R；凸起横向间距为横向相邻两个泪滴型凸起尖端顶点之间的距离W，W为1.5R-3R。
2.根据权利要求1所述的一种具有泪滴型阵列流场的电解水极板，其特征在于：所述极板（7）的两侧均设有泪滴型阵列流场。
3.根据权利要求1所述的一种具有泪滴型阵列流场的电解水极板，其特征在于：所述泪滴型凸起（9）包括凸起顶面（9a）和凸起壁面（9b），凸起顶面（9a）与凸起壁面（9b）之间设有圆弧过渡面（11）。
4.根据权利要求1所述的一种具有泪滴型阵列流场的电解水极板，其特征在于：所述外圈框架（1）上设置1-5个气液出口（2），气液出口（2）的中线为所有气液出口（2）所占扇形的中线。
5.根据权利要求1所述的一种具有泪滴型阵列流场的电解水极板，其特征在于：所述外圈框架（1）上设置1-5个电解液进口（8）。
6.根据权利要求1所述的一种具有泪滴型阵列流场的电解水极板，其特征在于：该电解水极板上还设有用于安装的定位孔（4）。
7.根据权利要求1所述的一种具有泪滴型阵列流场的电解水极板，其特征在于：气液出口（2）和电解液进口（8）处设有金属压片（3）。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN117448856A (zh) * 2023-11-27 2024-01-26 三一氢能有限公司 极框组件、电解槽及制氢系统

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