一種用于spe電解的中心對(duì)稱式輻射狀雙極板流場(chǎng)結(jié)構(gòu)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種用于SPE電解的中心對(duì)稱式輻射狀雙極板流場(chǎng)結(jié)構(gòu)，包括帶有入料水口和出口的雙極板本體，由沿雙極板本體徑向并呈中心對(duì)稱的多條內(nèi)環(huán)脊構(gòu)成的內(nèi)輻射流道和多條外環(huán)脊構(gòu)成的外輻射流道，設(shè)置于內(nèi)外輻射流道之間的均壓過(guò)渡帶，與外輻射流道末端連通的出口槽，以及與出口槽和出口均連通的連通域，所述入料水口位于雙極板本體的中心處并與內(nèi)輻射流道連通。本發(fā)明通過(guò)中心對(duì)稱式輻射狀的脊構(gòu)成流道，縮短了流道行程，通過(guò)均壓過(guò)渡帶使各個(gè)流道單元內(nèi)的壓力分布均勻，在不增加原料水入口數(shù)量的條件下保持流場(chǎng)內(nèi)壓力和水分布均勻性，使其制成SPE電解池可通過(guò)增加MEA催化劑負(fù)載面積或/和疊合數(shù)量而增大氫氣產(chǎn)量，提高了電解效率和使用壽命。
【專利說(shuō)明】
一種用于SPE電解的中心對(duì)稱式輻射狀雙極板流場(chǎng)結(jié)構(gòu)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及SPE電解技術(shù)領(lǐng)域，具體地講，是涉及一種用于SPE電解的中心對(duì)稱式輻射狀雙極板流場(chǎng)結(jié)構(gòu)。
【背景技術(shù)】
[0002]固體聚合物電解質(zhì)(Solid Polymer Electrolyte, SPE)電解以純水為原料，核心部件為由雙極板分隔的零間隙三明治結(jié)構(gòu)膜電極組件疊合而成，相較于傳統(tǒng)堿水電解具有結(jié)構(gòu)緊湊、電解效率高、氣體純度高、使用壽命長(zhǎng)等顯著優(yōu)點(diǎn)。
[0003]流場(chǎng)作為SPE電解池雙極板的核心部件，直接影響電堆的電解效率及使用壽命。電解時(shí)，水通過(guò)陽(yáng)極雙極板入料口經(jīng)流場(chǎng)分配質(zhì)子交換膜陽(yáng)極側(cè)，0H—與陽(yáng)極催化劑接觸產(chǎn)生氧氣，生成的氧氣與未反應(yīng)的水一道經(jīng)陽(yáng)極雙極板流場(chǎng)從水-氧出口排出，H+穿過(guò)質(zhì)子交換膜與陰極側(cè)催化劑接觸產(chǎn)生氫氣，經(jīng)陰極雙極板流場(chǎng)從氫氣出口排出。為了充分降低原料水從多個(gè)入口引入造成的渦流，陽(yáng)極雙極板通常只設(shè)一個(gè)原料水入口，這對(duì)于流場(chǎng)設(shè)計(jì)要求極高，設(shè)計(jì)不合理的流場(chǎng)不僅會(huì)產(chǎn)生較高的傳質(zhì)阻力，引起氣體及熱量滯留，還會(huì)造成水壓在流場(chǎng)內(nèi)不均勻分布，使質(zhì)子交換膜上部分區(qū)域催化劑不能與水充分接觸反應(yīng)，在降低電堆使用壽命的同時(shí)還會(huì)造成電解效率低下，不利于大流量SPE單電堆的研發(fā)。
[0004]常見(jiàn)流場(chǎng)包括平行、蛇形及交指流場(chǎng)，以上流場(chǎng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，加工容易，應(yīng)用于小電堆(催化劑面積小，MEA堆疊數(shù)量少)時(shí)導(dǎo)流散熱能力較好，但隨著電堆膜電極組件(Membrane Electrode Assemblies, MEA)催化劑面積的增大或(和)堆疊數(shù)量增加，其傳質(zhì)阻力顯著上升。為改善上述缺陷，平衡設(shè)計(jì)與加工的矛盾，部分專利對(duì)常見(jiàn)流場(chǎng)進(jìn)行了局部?jī)?yōu)化，如專利CN 103806014A采用改進(jìn)的平行流場(chǎng)采用的彎頭設(shè)計(jì)可以改進(jìn)流場(chǎng)散熱，但存在流道行程長(zhǎng)，氣體無(wú)法及時(shí)排出的傳質(zhì)缺陷。采用仿生學(xué)原理(如樹(shù)葉葉脈、人體肺部血管網(wǎng))設(shè)計(jì)的流場(chǎng)亦可在一定程度上改善上述缺陷，但存在加工難度大，制造成本高的缺點(diǎn)，短期難以實(shí)際應(yīng)用。囿于流場(chǎng)設(shè)計(jì)的缺陷，為增加氫氣流量，現(xiàn)有商品化SPE電解池大都采取多個(gè)小電堆(小面積膜電極組件低數(shù)量堆疊)串聯(lián)或混聯(lián)的布局，系統(tǒng)復(fù)雜，可靠性較低，后期維護(hù)成本較高。為同時(shí)提高SPE電解池氫氣產(chǎn)量及可靠性，降低維護(hù)成本，須在不降低(或不顯著降低)電堆電解效率及傳質(zhì)阻力的前提下增加單電堆MEA催化劑負(fù)載面積或(和)疊合數(shù)量，這客觀上要求對(duì)雙極板流道進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供一種流道行程短、內(nèi)部均壓的用于SPE電解的中心對(duì)稱式輻射狀雙極板流場(chǎng)結(jié)構(gòu)。
[0006]為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下:
一種用于SPE電解的中心對(duì)稱式輻射狀雙極板流場(chǎng)結(jié)構(gòu)，包括帶有入料水口和出口的雙極板本體，由沿其徑向帶一弧度延展并中心對(duì)稱地設(shè)置于雙極板本體正面的多條內(nèi)環(huán)脊構(gòu)成的內(nèi)輻射流道，由沿其徑向帶一弧度延展并中心對(duì)稱地設(shè)置于雙極板本體正面的多條外環(huán)脊構(gòu)成的外輻射流道，呈環(huán)狀地設(shè)置于內(nèi)輻射流道和外輻射流道之間的均壓過(guò)渡帶，設(shè)置于雙極板本體邊緣范圍內(nèi)并與外輻射流道末端連通的出口槽，以及設(shè)置于雙極板本體內(nèi)并分別與出口槽和出口均連通的連通域，其中，所述入料水口位于雙極板本體的中心處并與內(nèi)輻射流道連通。
[0007]具體地，所述雙極板本體呈圓形或正多邊形。
[0008]進(jìn)一步地，所述內(nèi)環(huán)脊或/和外環(huán)脊兩側(cè)的曲率半徑相同。
[0009]進(jìn)一步地，所述內(nèi)環(huán)脊的截面積由入料水口端向均壓過(guò)渡帶端逐漸增大;在入料水口處，內(nèi)輻射流道的寬度為內(nèi)環(huán)脊寬度的2?4倍，在均壓過(guò)渡帶處，內(nèi)輻射流道與內(nèi)環(huán)脊的寬度之比不小于2。
[0010]進(jìn)一步地，所述外環(huán)脊的截面積由均壓過(guò)渡帶端向出口槽端逐漸增大;在均壓過(guò)渡帶處，外輻射流道的寬度為外環(huán)脊寬度的I?2倍，在出口槽處，外輻射流道與外環(huán)脊的寬度之比大于I。
[0011]進(jìn)一步地，所述均壓過(guò)渡帶的環(huán)寬與入料水口的半徑相當(dāng)。
[0012]進(jìn)一步地，所述均壓過(guò)渡帶的內(nèi)環(huán)半徑為出口槽到雙極板本體中心處的平均距離的I/3?2/3。
[0013]進(jìn)一步地，所述出水槽沿雙極板本體邊緣環(huán)繞一周，且其環(huán)形面積不大于入料水口的進(jìn)水面積。
[0014]進(jìn)一步地，所述連通域呈環(huán)形，且其在雙極板本體正反面方向上的厚度與出水槽在雙極板本體徑向方向上的寬度相當(dāng)。
[0015]進(jìn)一步地，所述出水口至少為兩個(gè)，所有出水口均布于雙極板本體反面，且所有出水口的總面積不大于入料水口的面積。
[0016]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果:
(I)本發(fā)明構(gòu)思巧妙，通過(guò)在雙極板本體上中心對(duì)稱地設(shè)計(jì)呈輻射狀的多條內(nèi)環(huán)脊和外環(huán)脊以構(gòu)成流場(chǎng)流道，有效縮短了流道行程，通過(guò)均壓過(guò)渡帶的設(shè)計(jì)，有效使各個(gè)流道單元內(nèi)的壓力分布均勻，在不增加原料水入口數(shù)量的條件下保持流場(chǎng)內(nèi)壓力和水分布均勻性，而且其充分降低SPE電堆傳質(zhì)阻力，有效改善因MEA催化劑負(fù)載面積增大或/和疊合數(shù)量增加造成的原料水-催化劑接觸不充分及導(dǎo)流、散熱障礙，顯著提高電解池電解效率及使用壽命，對(duì)大流量SPE單電堆的研發(fā)奠定了重要基礎(chǔ)，并且本發(fā)明應(yīng)用性好，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于制造，成本低廉，具有廣泛的應(yīng)用前景，適合推廣應(yīng)用。
[0017](2)本發(fā)明所設(shè)計(jì)的流場(chǎng)流道行程短，顯著降低了傳質(zhì)阻力，可使電解生成的氫氣、氧氣快速充分排出，有效防止電解池憋壓。
[0018](3)本發(fā)明所設(shè)計(jì)的流道設(shè)計(jì)采用徑向走向，原料水在通過(guò)的流道時(shí)隨著電解生成的氫、氧，能很好的保持流道內(nèi)的壓力，為原料水進(jìn)入質(zhì)子交換膜提供足夠的壓力。
[0019](4)本發(fā)明所設(shè)計(jì)的流場(chǎng)流道無(wú)大角度彎轉(zhuǎn)，有效減小了水、氧或氫在流動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生的湍流，從而降低了因湍流引起的局部壓力過(guò)低現(xiàn)象，使原料水水壓在整個(gè)流場(chǎng)內(nèi)均勻分布，使原料水充分與質(zhì)子交換膜上的電解催化劑接觸，在提高影響電解效率的同時(shí)還可有效防止膜部分區(qū)域潤(rùn)濕不足造成的過(guò)熱損壞。
[0020](5)本發(fā)明在外環(huán)脊與內(nèi)環(huán)脊之間設(shè)計(jì)的均壓過(guò)渡帶能有效的使各流道單元的壓力分布均勻，減小同徑向距離不同周向位置的壓力差，防止局部壓力過(guò)低影響原料水到達(dá)質(zhì)子交換膜。
[0021](6)本發(fā)明在不增加原料水入口數(shù)量的條件下水分布均勻性不易因流場(chǎng)面積增大而降低，因此采用此種流場(chǎng)的SPE電解池可通過(guò)增加質(zhì)子交換膜催化劑負(fù)載面積而增大氫氣產(chǎn)量，降低了膜電極組件的疊合數(shù)量，降低傳質(zhì)阻力，防止散熱不均。
【附圖說(shuō)明】
[0022]圖1為本發(fā)明的正面結(jié)構(gòu)示意圖。
[0023]圖2為本發(fā)明的側(cè)面剖視圖。
[0024]圖3為本發(fā)明的反面結(jié)構(gòu)示意圖。
[0025]圖4為本發(fā)明中流道在單一介質(zhì)工作下的壓力分布圖。
[0026]圖5為本發(fā)明中流道在單一介質(zhì)工作下的流速分布圖。
【具體實(shí)施方式】
[0027]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明，本發(fā)明的實(shí)施方式包括但不限于下列實(shí)施例。
實(shí)施例
[0028]如圖1至圖3所示，該中心對(duì)稱式輻射狀雙極板流場(chǎng)結(jié)構(gòu)，主要用于SPE電解，包括呈圓形或正多邊形的雙極板本體1，設(shè)置于雙極板本體上的入料水口 2和出口 9，其中入料水口位于雙極板本體的中心處，即圓形或正多邊形的形心位置。雙極板本體的正面由內(nèi)到外依次設(shè)置為入料水口、內(nèi)環(huán)脊3、均壓過(guò)渡帶5、外環(huán)脊6、出水槽8、雙極板本體外邊緣。
[0029]所述內(nèi)環(huán)脊有多條，以入料水口為中心在雙極板本體上呈中心對(duì)稱分布，從而構(gòu)成具有相應(yīng)數(shù)量個(gè)流道單元的內(nèi)輻射流道4，該內(nèi)輻射流道一端連通入料水口，另一端連通均壓過(guò)渡帶;所述內(nèi)環(huán)脊在入料水口端處的截面積較小，內(nèi)輻射流道的寬度為內(nèi)環(huán)脊寬度的2?4倍，沿徑向方向內(nèi)環(huán)脊的截面積逐漸增大，在在均壓過(guò)渡帶處，內(nèi)輻射流道與內(nèi)環(huán)脊的寬度之比不小于2。優(yōu)選地，內(nèi)環(huán)脊兩側(cè)的曲率半徑相同。
[0030]所述均壓過(guò)渡帶呈環(huán)狀，其環(huán)寬與入料水口的半徑相當(dāng)，內(nèi)環(huán)半徑為出口槽到雙極板本體中心處的平均距離的1/3?2/3，合適的均壓過(guò)渡帶不僅能重新實(shí)現(xiàn)各流道單元的壓力平衡，防止局部壓力過(guò)低，同時(shí)能調(diào)節(jié)各流道單元流速，使流道單元內(nèi)氫或水、氧在經(jīng)過(guò)過(guò)度帶后具有較小的流速差異，實(shí)現(xiàn)質(zhì)子交換膜的充分均勻潤(rùn)濕。
[0031 ] 所述外環(huán)脊也有多條，也以入料水口為中心在雙極板本體上呈中心對(duì)稱分布，從而構(gòu)成具有相應(yīng)數(shù)量個(gè)流道單元的外輻射流道7，其一端連通均壓過(guò)渡帶，另一端連通出口槽;該外環(huán)脊在均壓過(guò)渡帶一端的截面積較小，外輻射流道的寬度為外環(huán)脊寬度的I?2倍，沿徑向方向外環(huán)脊的截面積逐漸增大，在出口槽處，外輻射流道與外環(huán)脊的寬度之比大于I ο優(yōu)選地，所述外環(huán)脊兩側(cè)的曲率半徑相同。
[0032]所述出口槽位于雙極板本體邊緣附件且在其范圍內(nèi)并與外輻射流道末端連通，用于將水、氧或氫排向出口。為了便于水、氧或氫的進(jìn)入，所述出水槽沿雙極板本體邊緣環(huán)繞一周，且其環(huán)形面積不大于入料水口的進(jìn)水面積。
[0033]為了便于水、氧或氫的排放，整個(gè)雙極板本體的板壁內(nèi)還設(shè)置有呈環(huán)形狀的連通域10，其連通整個(gè)環(huán)形的出口槽，同時(shí)與設(shè)置于雙極板本體反面的出水口連通，用于通過(guò)由出水槽進(jìn)入的水、氧或氫，且其在雙極板本體正反面方向上的厚度與出水槽在雙極板本體徑向方向上的寬度相當(dāng)。而出水口至少為兩個(gè)，其均布于雙極板本體反面，一般分為水氧出口和水氫出口，并且所有出水口的總面積不大于入料水口的面積。
[0034]如圖4和圖5所示，分別在設(shè)置有均壓過(guò)渡帶的整個(gè)流道的壓力分布和流速分布，可以看出，經(jīng)過(guò)均壓過(guò)渡帶后的雙極板的流道壓力和流速分布能夠很好滿足雙極板的均壓和低瑞流要求。
[0035]上述實(shí)施例僅為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，并非對(duì)本發(fā)明保護(hù)范圍的限制，但凡采用本發(fā)明的設(shè)計(jì)原理，以及在此基礎(chǔ)上進(jìn)行非創(chuàng)造性勞動(dòng)而作出的變化，均應(yīng)屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種用于SPE電解的中心對(duì)稱式輻射狀雙極板流場(chǎng)結(jié)構(gòu)，包括帶有入料水口和出口的雙極板本體，其特征在于，還包括由沿其徑向帶一弧度延展并中心對(duì)稱地設(shè)置于雙極板本體正面的多條內(nèi)環(huán)脊構(gòu)成的內(nèi)輻射流道，由沿其徑向帶一弧度延展并中心對(duì)稱地設(shè)置于雙極板本體正面的多條外環(huán)脊構(gòu)成的外輻射流道，呈環(huán)狀地設(shè)置于內(nèi)輻射流道和外輻射流道之間的均壓過(guò)渡帶，設(shè)置于雙極板本體邊緣范圍內(nèi)并與外輻射流道末端連通的出口槽，以及設(shè)置于雙極板本體內(nèi)并分別與出口槽和出口均連通的連通域，其中，所述入料水口位于雙極板本體的中心處并與內(nèi)輻射流道連通。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于SPE電解的中心對(duì)稱式輻射狀雙極板流場(chǎng)結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述雙極板本體呈圓形或正多邊形。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于SPE電解的中心對(duì)稱式輻射狀雙極板流場(chǎng)結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述內(nèi)環(huán)脊或/和外環(huán)脊兩側(cè)的曲率半徑相同。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于SPE電解的中心對(duì)稱式輻射狀雙極板流場(chǎng)結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述內(nèi)環(huán)脊的截面積由入料水口端向均壓過(guò)渡帶端逐漸增大;在入料水口處，內(nèi)輻射流道的寬度為內(nèi)環(huán)脊寬度的2?4倍，在均壓過(guò)渡帶處，內(nèi)輻射流道與內(nèi)環(huán)脊的寬度之比不小于2。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于SPE電解的中心對(duì)稱式輻射狀雙極板流場(chǎng)結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述外環(huán)脊的截面積由均壓過(guò)渡帶端向出口槽端逐漸增大;在均壓過(guò)渡帶處，外輻射流道的寬度為外環(huán)脊寬度的I?2倍，在出口槽處，外輻射流道與外環(huán)脊的寬度之比大于16.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于SPE電解的中心對(duì)稱式輻射狀雙極板流場(chǎng)結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述均壓過(guò)渡帶的環(huán)寬與入料水口的半徑相當(dāng)。7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于SPE電解的中心對(duì)稱式輻射狀雙極板流場(chǎng)結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述均壓過(guò)渡帶的內(nèi)環(huán)半徑為出口槽到雙極板本體中心處的平均距離的1/3?2/3。8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于SPE電解的中心對(duì)稱式輻射狀雙極板流場(chǎng)結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述出水槽沿雙極板本體邊緣環(huán)繞一周，且其環(huán)形面積不大于入料水口的進(jìn)水面積。9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于SPE電解的中心對(duì)稱式輻射狀雙極板流場(chǎng)結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述連通域呈環(huán)形，且其在雙極板本體正反面方向上的厚度與出水槽在雙極板本體徑向方向上的寬度相當(dāng)。10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于SPE電解的中心對(duì)稱式輻射狀雙極板流場(chǎng)結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述出水口至少為兩個(gè)，所有出水口均布于雙極板本體反面，且所有出水口的總面積不大于入料水口的面積。
【文檔編號(hào)】C25B11/02GK105839136SQ201610215463
【公開(kāi)日】2016年8月10日
【申請(qǐng)日】2016年4月8日
【發(fā)明人】文明, 何康昊, 李佩龍, 宋江鋒, 楊雷, 鄧立, 姜飛, 周帥
【申請(qǐng)人】中國(guó)工程物理研究院材料研究所