一种分区域环形流道流场结构及应用该流场结构的电解槽

本发明属于电解制氢，具体涉及一种分区域环形流道流场结构及应用该流场结构的电解槽。

背景技术：

1、如今，世界各地对能源的需求正以非常高的速度增长，人类的生活质量越来越取决于能源资源的可用性；全球能源需求主要依赖化石燃料，这最终将导致有限的化石能源资源可预见的枯竭。在当今使用化石燃料的几乎每一种应用中，氢气都可以作为燃料发电，但如果使用得当，就不会产生有害排放；因此，氢被认为是一种很有前途的候选者，可以弥补化石燃料的消耗及其环境违法行为，减少空气污染和温室气体排放，并为燃料电池提供燃料；然而，氢气不是一种能源，而是一种能量载体。尽管氢是宇宙中最丰富的元素之一，但它通常不会以元素或分子的形式单独出现在自然界中。因此，氢气必须被生产出来，才能将其用于各种应用。特别地，它是氢燃料电池所需的燃料；目前常见的几种生产氢气的方法有煤气化、甲醇重整、水电解、光催化分解水等方法；在这些方法中，使用质子交换膜电解水被认为是一种很有前途的方法，因为它具有简单、能效高、比生产能力强的优势。

2、在电解槽中，流场的设计至关重要，合适的结构保证了流场中电解液浓度分布以及温度分布的均匀性，从而进一步保证了电流密度的均匀性；在电解槽中能促进生成气体的有效排出，有效避免气体堵塞，提高电解槽装置的性能表现；目前在电解槽中常采用的流场有蛇形流场、叉指流场和平行流场。

3、传统的流场设计各有优缺点，均不能较好的满足流场设计所需的要求，所以需要开发新型电解槽流场。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种分区域环形流道流场结构及应用该流场结构的电解槽，本发明可以降低流场压降水平、提高流场气体快速排出能力、实现反应物浓度与电流密度均匀分布、增强传质以提高电极利用效率。

2、为了实现上述目的，本发明的技术方案为一种分区域环形流道流场结构及应用该流场结构的电解槽，包括流场板本体9，在流场板本体9上下边缘处分别设置有反应物入口1和产物出口5，在流场板本体9上设置有由若干条同心半圆环形流道组的上游环形流道区域3以及与上游环形流道区域3结构相同翻转后轴对称的下游环形流道区域7；

3、上游环形流道区域3的各条流道通过入口集管2与反应物入口1连通，下游环形流道区域7的各条流道通过出口集管6与产物出口5连通，上游环形流道区域3的各条流道和下游环形流道区域7各条流道之间通过连接流动区域4内的与同心半圆环形流道数量对应的流道一一连通，连接流动区域4连通后的从反应物入口1到产物出口5的各流道流程长度一致。

4、进一步地所述流场板本体9为圆形流场板。

5、进一步地所述同心半圆环形流道的最小半径为4.5mm，宽度和间隔均为1mm。

6、进一步地所述入口集管2和出口集管6为相互平行的直管。

7、进一步地所述连接流动区域4的各条流道为相互平行的直流道且与入口集管2和出口集管6平行。

8、进一步地所述连接流动区域4连通的具体方式为上游环形流道区域3最短同心半圆环形流道通过连接流动区域4的流道与下游环形流道区域7最长同心半圆环形流道连通，上游环形流道区域3次短同心半圆环形流道通过连接流动区域4的流道与下游环形流道区域7次长同心半圆环形流道连通，依次类推。

9、进一步地其特征在于：包括电解槽本体以及分别位于电解槽本体上两侧的阳极区域和阴极区域，电解槽本体上阳极区域内包括依次连通的采用分区域环形流道流场结构的阳极流场10、阳极扩散层11和阳极催化层12，电解槽本体上阴极区域内包括依次连通的采用分区域环形流道流场结构的阴极流场16、阴极扩散层15和阴极催化层14，阳极催化层12通过质子交换膜13与阴极催化层14连通。

10、进一步地所述阳极区域内的阳极流场10与阳极扩散层11的连通具体为通过阳极流场10的连接流动区域4与阳极扩散层11连通，所述阴极区域内的阴极流场16与阴极扩散层15的连通具体为通过阴极流场10的连接流动区域4与阴极扩散层15连通。

11、本发明与现有技术相比，有益效果如下：

12、(1)本发明将流场划分为上游环形流道区域、下游环形流道区域和连接区域三个区域，各区域的流道排列均匀且紧密，提高了流场的空间利用率，有效提高了反应物浓度分布与电流密度分布均匀性，同时流场结构简单，减少了机械制造加工的难度，适用于大规模生产。

13、(2)本发明的相对设置的上游环形流道区域和下游环形流道区域，由于采用半圆环形流道，同一区域内相邻流道流程长度不同，所以流道之间存在一定的压力差，能够促进相邻流道间的传质效率，高传质效率可以提高反应速率以提高在当前流道中的反应物浓度，从而提升电流密度水平和电解槽性能，最终提升电极利用效率与电池性能。

14、(3)本发明连通的各条流道在流场中的流程长度一致，因而压降水平基本相同，在应用时能有效保证泵功和电解槽的输入功率的平稳，提升电解槽使用寿命。

15、(4)本发明的流场结构具有普适性，可应用于电解槽装置，也可以应用于燃料电池和液流电池等电化学装置。

技术特征：

1.一种分区域环形流道流场结构，其特征在于：包括流场板本体(9)，在流场板本体(9)上下边缘处分别设置有反应物入口(1)和产物出口(5)，在流场板本体(9)上设置有由若干条同心半圆环形流道组成的上游环形流道区域(3)以及与上游环形流道区域(3)结构相同翻转后轴对称的下游环形流道区域(7)；

2.如权利要求1所述的分区域环形流道流场结构，其特征在于：所述流场板本体(9)为圆形流场板。

3.如权利要求1所述的分区域环形流道流场结构，其特征在于：所述同心半圆环形流道的最小半径为4.5mm，宽度和间隔均为1mm。

4.如权利要求1所述的分区域环形流道流场结构，其特征在于：所述入口集管(2)和出口集管(6)为相互平行的直管。

5.如权利要求4所述的分区域环形流道流场结构，其特征在于：所述连接流动区域(4)的各条流道为相互平行的直流道且与入口集管(2)和出口集管(6)平行。

6.如权利要求1所述的分区域环形流道流场结构，其特征在于：所述连接流动区域(4)连通的具体方式为上游环形流道区域(3)最短同心半圆环形流道通过连接流动区域(4)的流道与下游环形流道区域(7)最长同心半圆环形流道连通，上游环形流道区域(3)次短同心半圆环形流道通过连接流动区域(4)的流道与下游环形流道区域(7)次长同心半圆环形流道连通，依次类推。

7.一种应用权利要求1-6任一项的分区域环形流道流场结构的电解槽，其特征在于：包括电解槽本体以及分别位于电解槽本体上两侧的阳极区域和阴极区域，电解槽本体上阳极区域内包括依次连通的采用分区域环形流道流场结构的阳极流场(10)、阳极扩散层(11)和阳极催化层(12)，电解槽本体上阴极区域内包括依次连通的采用分区域环形流道流场结构的阴极流场(16)、阴极扩散层(15)和阴极催化层(14)，阳极催化层(12)通过质子交换膜(13)与阴极催化层(14)连通。

8.如权利要求7所述的应用分区域环形流道流场结构的电解槽，其特征在于：所述阳极区域内的阳极流场(10)与阳极扩散层(11)的连通具体为通过阳极流场(10)的连接流动区域(4)与阳极扩散层(11)连通，所述阴极区域内的阴极流场(16)与阴极扩散层(15)的连通具体为通过阴极流场(10)的连接流动区域(4)与阴极扩散层(15)连通。

技术总结本发明公开了一种分区域环形流道流场结构及应用该流场结构的电解槽，包括流场板本体，在本体上下边缘处分别设置有反应物入口和产物出口，在本体上有由若干条同心半圆环形流道组成的上游环形流道区域以及与上游环形流道区域结构相同翻转后轴对称的下游环形流道区域；上游区域的各条流道通过入口集管与反应物入口连通，下游区域的各条流道通过出口集管与产物出口连通，上游区域的各条流道和下游区域各条流道之间通过连接流动区域内的与同心半圆环形流道数量对应的流道一一连通，连通后的从反应物入口到产物出口的各流道流程长度一致。本发明可以降低流场压降水平、提高流场气体快速排出能力、实现反应物浓度与电流密度均匀分布、增强传质。技术研发人员：李印实,汤钦睿受保护的技术使用者：西安交通大学技术研发日：技术公布日：2024/5/8