CN220724363U - 一种质子交换膜电解槽的缓冲型流场结构 - Google Patents

Abstract

一种质子交换膜电解槽的缓冲型流场结构，其属于电解水制氢技术领域。它包括入水口、入口歧管、平行流道、辐射形流道、出口歧管、出水口；入水口位于流场结构的一端进水处、出水口位于流场结构的另一端出水处；辐射形流道由三个相同半径的辐射形半圆阵列组成，连通主体流道，将主体流道中部流体再均匀分配给侧流道，对平行流道中部气液的堆积进行“缓冲”，出入口歧管用于连接出入水口和主体流道。该结构够有效提高电解槽流道内气液流速，促进流体在流道内的均匀分布，减少滞气现象，避免电解过程中“热点”的产生，提升质子交换膜电解槽的电解效率，降低单位能耗。

Description

一种质子交换膜电解槽的缓冲型流场结构

技术领域

本实用新型属于电解水制氢技术领域，具体地涉及一种质子交换膜电解槽的缓冲型流场结构。

背景技术

电解水制氢技术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、阴离子交换膜电解水制氢。质子交换膜电解水技术的电流密度高、能耗低、产氢压力高、电解槽体积小、运行灵活、利于快速变载，与风电、光伏等可再生能源具有良好的匹配性，是电解水制氢的适宜方案。

双极板是电解槽的核心零部件，主要作用为支撑膜电极、提供流体通道并分隔氢气和氧气、收集电子、传导热量，其成本约占质子交换膜电解槽的53%。双极板合理的流道设计能够促进流体的均匀分布，有利于制氢过程中热量的均匀分散，能够降低单位能耗，提高电解效率，降低质子交换膜电解槽的成本。

目前国内质子交换膜电解槽的双极板流场主要采用平行流场和蛇形流场两种结构。其中，平行流场作为质子交换膜电解槽最常见的流场，具有易加工成型、反应物分布均匀、流体流动时压力损失较小等优点，但各通道流速分布不均，流体流动性较差，易出现回流问题，严重影响电解槽的工作性能。蛇形流场温度分布比较均匀，但在弯道处易发生气液堆积，使电流密度降低，限制了质子交换膜电解水制氢技术的进一步发展。

实用新型内容

基于上述质子交换膜电解槽极板流道所带来的技术问题，本实用新型提出一种质子交换膜电解槽的缓冲型流场结构。本实用新型能够有效提高电解槽流道内气液流速，促进流道内流体的均匀分布，减少滞气现象，强化了传热传质过程，有效地避免了电解槽内热量堆积造成 “热点”的出现，提高质子交换膜电解槽的电解效率，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：

一种质子交换膜电解槽的缓冲型流场结构，它包括极板和密封圈，所述极板中间设置流场，流场采用平行流道连通入口歧管和出口歧管，入口歧管上设置入水口，出口歧管上设置出水口；

流场中还设置辐射形流道，辐射形流道为半圆形，它设置在流场第一侧边和流场第二侧边之间，连通平行流道。

所述辐射形流道包括第一辐射流道、第二辐射流道和第三辐射流道。

所述第一辐射流道、第二辐射流道和第三辐射流道的半径相同。

所述第一辐射流道的圆心位于流场的中心处，第二辐射流道和第三辐射流道的圆心位于流场中心的下方。

所述流场中设置10-20道平行流道。

本实验新型的有益效果：

它包括入水口、入口歧管、主体流道、缓冲流道、出口歧管、出水口。入水口位于流场结构的一端进水处、出水口位于流场结构的另一端出水处，流场结构中设有主体流道和缓冲流道，主体流道由传统的平行流道组成，缓冲流道由三个相同半径的辐射形半圆阵列组成，连通主体流道，将主体流道中部流体再均匀分配给侧流道，对平行流道中部气液的堆积进行“缓冲”，出入口歧管用于连接出入水口和主体流道。

本实用新型基于对传统质子交换膜电解槽的平行流场仿真模拟结果，着重于解决传统质平行流场存在的流体堆积和热量分布不均匀等问题，根据电解液流体流动特性及流体传热传质效果，创新地使用由三个相同半径的辐射形半圆阵列组成的缓冲流道，连通主体流道，利用流道内流体存在的压力差和流速差，将主体流道中部流体均匀再分配给侧流道，对平行流道中部气液的堆积进行“缓冲”，有效的防止了滞流和回流现象。

附图说明

图1是本实用新型实施例的缓冲型流场结构示意图。

图2是双极板传统平行流场的仿真模拟模型及气体分布模拟结果示意图。

图3是本实用新型的仿真模拟模型及气体分布模拟结果示意图。

图4是双极板传统平行流场中部沿Z轴通道中的速度分布。

图5是本实用新型的的流场中部沿Z轴通道中的速度分布。

图中：1、极板，2、密封圈，3、入水口，4、入口歧管，5、平行流道，6、辐射形流道，6a、第一辐射流道，6b、第二辐射流道，6c、第三辐射流道，7、出口歧管，8、出水口，9、第一流场侧边，9a、第二流场侧边。

具体实施方式

以下通过实施例的形式对本发明的上述内容作进一步的详细说明，所述实施例的示例在附图中示出。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明上述内容所实现的技术均属于本发明的范围。

一种质子交换膜电解槽的缓冲型流场结构，极板1上设置进水口3、出水口8、平行流道5、辐射形流道6、用于连接进出水口与流道的入口歧管4和出口歧管7，以及起密封作用的密封圈2。进水口3位于流场结构的一端进水处、出水口8位于流场结构的另一端出水处；主流道由出口歧管、入口歧管和平行流道构成，辐射形流道由三组相同内外径的圆环构成，连通主体流道，将主体流道中部流体均匀再分配给侧流道，对平行流道中部气液的堆积进行“缓冲”，可以有效地控制气液混流流向，防止滞流、回流的出现，提升流场内的气液流速和气液分布的均匀性，从而提高流体流动传热传质效率，降低质子交换膜电解槽能耗，实现高效绿色制氢。

实施例1

如图1所示，本实施例提供了一种质子交换膜电解槽的缓冲型流场结构，包括入水口3、入口歧管4、平行流道5、辐射形流道6、出口歧管7、出水口8。入水口位于流场结构的一端进水处、出水口位于流场结构的另一端出水处，主体流道5由传统的平行流道组成，辐射形流道6由三个相同半径的辐射形半圆阵列第一辐射流道6a、第二辐射流道6b和第三辐射流道6c组成，辐射形流道连通主体流道，将主体流道中部流体再均匀分配给侧流道，对平行流道5中部气液的堆积进行“缓冲”，出口歧管3和入口歧管4用于连接出入水口和流道。

在此实施例中，流道技术参数为：正方形极板边长为636 mm，主体流道5由16道平行分布的直形流道组成，每条直形流道宽度为10 mm，长度为290 mm，流道间隔10 mm。缓冲流道6由三个内径为145 mm，外径为155 mm的半圆环阵列组成，半圆环6-1，6-2，6-3的圆心依次为流场中心，流场中心以下40 mm，流场中心以下80 mm。实施例的流道高度为10 mm。

采用上述技术方案工作时：

高纯水通过外部循环泵的驱动从入水口3进入流场空间内，辐射型流道6促进了气液在流道内的均匀分配，利用流道内流体存在的压力差和流速差，将主体流道中部流体再均匀分配给侧流道，对平行流道5中部气液的堆积进行“缓冲”，有效的防止了滞流和回流现象（对传统质子交换膜电解槽的平行流场和本申请流场仿真模拟结果如图2、3所示）。气液混流最终通过出水口8从流场中排出汇聚到外部管路，形成一个循环。在本实施例中，在极板1上凹设有包围流场的密封槽，该密封槽内设置密封圈2，以防止纯水的外泄。

本实用新型通过巧妙的流场设计，促进了流体的均匀分布，提高了流体传热传质效率，降低了电解槽工作能耗。如图4和图5所示，我们通过COMSOL Multiphysics仿真模拟软件对缓冲型流场结构进行分析，结果显示：在保持入口水流速不变的情况下，相较于传统的平行流场，缓冲型流场中部沿Z轴通道中流速提升约18%，同时流场内流体分布更加均匀，流道内流速分布更加均匀，没有出现滞流、回流现象，强化了传热传质过程，有效地避免了电解槽内热量堆积造成 “热点”的出现。

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 (5)

1.一种质子交换膜电解槽的缓冲型流场结构，它包括极板和密封圈，其特征在于：所述极板中间设置流场，流场采用平行流道连通入口歧管和出口歧管，入口歧管上设置入水口，出口歧管上设置出水口；

流场中还设置辐射形流道，辐射形流道为半圆形，它设置在流场第一侧边和流场第二侧边之间连通平行流道。

2.根据权利要求1所述的一种质子交换膜电解槽的缓冲型流场结构，其特征在于：所述辐射形流道包括第一辐射流道、第二辐射流道和第三辐射流道。

3.根据权利要求2所述的一种质子交换膜电解槽的缓冲型流场结构，其特征在于：所述第一辐射流道、第二辐射流道和第三辐射流道的半径相同。

4.根据权利要求2所述的一种质子交换膜电解槽的缓冲型流场结构，其特征在于：所述第一辐射流道的圆心位于流场的中心处，第二辐射流道和第三辐射流道的圆心位于流场中心的下方。

5.根据权利要求1所述的一种质子交换膜电解槽的缓冲型流场结构，其特征在于：所述流场中设置10-20道平行流道。