CN220767194U - 一种水电解槽用带流场结构的极板 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种水电解槽用带流场结构的极板，极板是由固定贴合成一体的多孔材料层和平板层构成；多孔材料层的一面开设有多个平行的直沟槽或波浪线沟槽，这一面与平板层贴合后形成流道；流道的一端是封闭端，另一端是贯通端，贯通端与极板外部供水或排水管道相连接，相邻的两个流道的封闭端与贯通端的方向相反；多孔材料的内部孔隙能够透过液体和气体；多孔材料层的另一面为平面，与膜电极贴合。本实用新型装配简单，适用于碱性电解槽和质子交换膜电解槽，也同时适用于电解槽的阴极部分和阳极部分，可提高多孔材料层内部的去离子水或电解液的流动速度，将生成的气体有效排除，消除气体累积的死区。
Description
技术领域
本实用新型水电解槽结构生产领域，具体涉及一种水电解槽用带流场结构的极板。
背景技术
氢能具备清洁低碳、热值高、来源多样等优势，正逐步成为全球能源转型发展的重要载体。
电解水制氢技术可以利用风、光等可再生能源过剩电量来电解制氢，同时缓解电网压力。水电解制氢具有众多优势，电解效率高、耐功率波动、制氢过程中仅需水做原料，产物氢气和氧气纯度高，氢氧互渗情况轻微；电解过程高效、安全、无毒无害，设备结构紧凑，可实现就地制氢。
水电解槽是水电解制氢的关键电化学装置。水电解槽内部的极板形成多孔的或具有流道的流场，当水电解槽阳极通入反应用水后，通过阳极扩散层传到阳极催化层界面，电将水分解为氢气和氧气；反应后氧气与电子通过阳极扩散层传出电解槽，电子则通过外电路在阴极催化层处与质子产生氢气，氢气通过阴极扩散层传出电解槽。
水电解槽的主要部件之一是极板，极板中的流场结构在于使得去离子水能够均匀在流场内流道，同时有效地将产生的气体带出；极板及流场结构设计是影响电解槽产气率的制约因素之一。其设计直接影响反应物的均匀分布和气体的有效运输，决定电解槽内的电化学和流体动力学响应。理想的流场结构具有以下特点：反应物向催化剂层有效传质、反应产物从流道向流道外排放、低压降和有效的热管理。
现有技术一般通过无流道的多孔流场、具有平行沟槽或点状凸起的流场，来实现供水和排气。
例如：专利文献CN114703494A公开了一种PEM水电解槽阳极极板，包括连接于极板一侧的多个凸起部，凸起部之间形成阳极流道，凸起部设置有分流结构、引流结构和汇流结构，分流结构呈楔形尖角；极板设置有出口流道和入口流道，出口流道和入口流道与阳极流道连通。但是，这种流场中水和气体混合在一起，局部气体容易累积无法排除，导致局部供水不足，影响水电解槽的效率和寿命。
专利文献CN115149021A公开了一种双极板，包括成型为流场结构的层状复合带材和设置在所述层状复合带材表面的涂层；自下而上，层状复合带材包括基材层、覆材层和表面涂层，涂层表面侧为轧制成型的平行流场区域；基材层包括不锈钢层、Al层、Cu层和Ni层中的至少一层，覆材层包括Ti层、Zr层、Ta层和Nb层中的至少一层，涂层包括过渡金属氮化物层、过渡金属碳化物层、过渡金属氮碳化物层或碳基涂层。但这种平行流场中各个通道内流速分布不均，压差比较小，容易造成气体堵塞，流动性差等问题。
实用新型内容
本实用新型的目的是提供一种水电解槽用带流场结构的极板，通过在极板上设计电解槽流场，增强了扩散层内部的水流量，消除了气体累积的死区，提高水电解槽的效率和寿命。
本实用新型的目的通过以下技术方案来实现：
本实用新型一种水电解槽用带流场结构的极板，其特征在于，所述极板是由固定贴合成一体的多孔材料层和平板层构成；所述多孔材料层的一面开设有多个平行的直沟槽或波浪线沟槽，这一面与平板层贴合后形成流道；所述流道的一端是封闭端，另一端是贯通端，所述贯通端与极板外部供水或排水管道相连接，相邻的两个流道的封闭端与贯通端的方向相反；所述多孔材料的内部孔隙能够透过液体和气体；所述多孔材料层的另一面为平面，与膜电极贴合。
优选地，多孔材料层和平板层通过粘接、焊接、烧结方式固定连接成一体。
优选地，所述平板层的材质为不锈钢、纯钛或钛合金中的至少一种；厚度为0.1～0.5mm。
优选地，所述多孔材料层的材质为不锈钢、纯钛或钛合金中的至少一种；所述多孔材料层的孔隙率为30%～60%，孔径大小为10～50微米。多孔材料层的孔隙既可以为均匀孔隙，也可以为不均匀或梯度孔隙；如果是梯度孔隙，则接触平板层的一面开始，孔隙从大逐渐缩小，接触膜电极的一面孔隙最小。
优选地，所述流道的宽度d为0.5～2mm，深度h为0.5～1mm；相邻流道中心间距为流道宽度的1.5～3倍；多孔材料层的总厚度是流道深度的1.2～2倍。
本实用新型的水电解槽用带流场结构的极板，在工作时去离子水或电解液通入第一方向的一组流道，离子水或电解液经过所述多孔材料渗透到第二方向的另一组流道，同时产生的气体被离子水或电解液流道强制带出，进入第二方向流道内部。
本实用新型具有以下有益效果：
本实用新型装配简单，适用于碱性电解槽和质子交换膜电解槽，也同时适用于电解槽的阴极部分和阳极部分，可提高多孔材料层内部的去离子水或电解液的流动速度，将生成的气体有效排除，消除气体累积的死区。
附图说明
图1是本实用新型实施例1的横截面结构示意图；
图2是本实用新型实施例1的竖截面结构和流体流动示意图；
图3是本实用新型实施例1的流体在多孔材料层中流向示意图；
图4是本实用新型实施例2的竖截面结构示意图；
其中：1-多孔材料层，2-平板层，301-第一方向流道，302-第二方向流道，4-膜电极，501-进液流路，502-排液流路。
具体实施方式
本技术领域的一般技术人员应当认识到本实施例仅是用来说明本实用新型，而并非用作对本实用新型的限定。
实施例1
如图1-3所示。一种水电解槽用带流场结构的极板，所述极板是由固定贴合成一体的多孔材料层1和平板层2构成；所述多孔材料层1的一面开设有多个平行的直沟槽，这一面与平板层2贴合后形成第一方向流道301和第二方向流道302；流道的宽度d为2mm，深度h为1mm；相邻流道中心间距为流道宽度的2倍；第一方向流道301和第二方向流道302的一端是封闭端，另一端是贯通端，所述贯通端与极板外部供水或排水管道相连接，相邻的两个流道的封闭端与贯通端的方向相反；所述多孔材料的内部孔隙能够透过液体和气体；所述多孔材料层1的另一面为平面，与膜电极4贴合；
所述多孔材料层1和所述平板层2通过粘接方式固定连接成一体，平板层的材质为不锈钢，多孔材料层的材质为纯钛；多孔材料层的孔隙率为45%，梯度孔隙，从接触平板层的一面开始，孔径从50微米逐渐缩小至10微米，接触膜电极的一面孔隙最小。
在工作时，去离子水或电解液按照进液流路501通入第一方向流道301，平板层2阻隔液体和气体不泄漏，去离子水或电解液透过多孔材料层接触膜电极4，从而发生电化学反应，同时剩余的去离子水或电解液渗透到相邻的第二方向流道302；电解槽发生电化学反应时，气体（阳极为氧气，阴极为氢气）在膜电极4产生，通过膜电极4和多孔材料层1之间的界面进入多孔材料层；多孔材料层中不同位置的气体均可以被去离子水或电解液的流动带出，去离子水和电解液的流通路径见附图3中的箭头。产生的气体被离子水或电解液强制流道带出多孔材料后，与反应剩余的去离子水或电解液进入第二方向流道内部，经由排液流路502排出流场区域。
实施例2
如图4所示。一种水电解槽用带流场结构的极板，所述极板是由固定贴合成一体的多孔材料层1和平板层2构成；所述多孔材料层1的一面开设有多个平行的波浪线沟槽，这一面与平板层2贴合后形成第一方向流道301和第二方向流道302；流道的宽度d为1mm，深度h为0.6mm；相邻流道中心间距为流道宽度的3倍；第一方向流道301和第二方向流道302的一端是封闭端，另一端是贯通端，所述贯通端与极板外部供水或排水管道相连接，相邻的两个流道的封闭端与贯通端的方向相反；所述多孔材料的内部孔隙能够透过液体和气体；所述多孔材料层1的另一面为平面，与膜电极4贴合；
所述多孔材料层1和所述平板层2通过粘接方式固定连接成一体，平板层的材质为不锈钢，多孔材料层的材质为纯钛；多孔材料层的孔隙率为60%，均匀孔隙，孔径为25微米。
Claims (6)
1.一种水电解槽用带流场结构的极板，其特征在于，所述极板是由固定贴合成一体的多孔材料层和平板层构成；所述多孔材料层的一面开设有多个平行的直沟槽或波浪线沟槽，这一面与平板层贴合后形成流道；所述流道的一端是封闭端，另一端是贯通端，所述贯通端与极板外部供水或排水管道相连接，相邻的两个流道的封闭端与贯通端的方向相反；所述多孔材料的内部孔隙能够透过液体和气体；所述多孔材料层的另一面为平面，与膜电极贴合。
2.根据权利要求1所述的水电解槽用带流场结构的极板，其特征在于，多孔材料层和平板层通过粘接、焊接、烧结方式固定连接成一体。
3.根据权利要求1所述的水电解槽用带流场结构的极板，其特征在于，所述平板层的材质为不锈钢、纯钛或钛合金中的至少一种；厚度为0.1～0.5mm。
4.根据权利要求1所述的水电解槽用带流场结构的极板，其特征在于，所述多孔材料层的材质为不锈钢、纯钛或钛合金中的至少一种；所述多孔材料层的孔隙率为30%～60%，孔径大小为10～50微米。
5.根据权利要求1所述的水电解槽用带流场结构的极板，其特征在于，所述多孔材料层的孔隙为均匀孔隙、不均匀或梯度孔隙；如果是梯度孔隙，则接触平板层的一面开始，孔隙从大逐渐缩小，接触膜电极的一面孔隙最小。
6.根据权利要求1所述的水电解槽用带流场结构的极板，其特征在于，所述流道的宽度d为0.5～2mm，深度h为0.5～1mm；相邻流道中心间距为流道宽度的1.5～3倍；多孔材料层的总厚度是流道深度的1.2～2倍。
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Cited By (1)
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|---|---|---|---|---|
| CN118814192A (zh) * | 2024-09-14 | 2024-10-22 | 湖南大学 | 一体化流场-多孔传输层及其制备方法和应用、一种pem电解槽 |
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2023
- 2023-08-18 CN CN202322224482.6U patent/CN220767194U/zh active Active
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