一种圆形花瓣仿生流场结构的制作方法

本发明属于电化学，具体是一种圆形花瓣仿生流场结构。

背景技术：

1、传统的化石能源是人类赖以生存的基础，但化石能源储量有限，且对环境有不利影响，迫使人们不得不寻求替代能源，来维持长期发展。氢能具有热值高、来源广、清洁高效等特点，已成为理想的替代能源，目前，可以通过煤气化、甲醇重整、水电解、光催化分解水等方法生产氢气，在众多氢气的生产方法中，电解水制氢是一种可持续的氢气生产方式，质子交换膜电解槽在电解水制氢过程中产生的氢气纯度高，无污染，因此，具有良好的发展前景。

2、质子交换膜电解槽电解水制氢过程中，借助流场良好的传质特性，为催化层提供足够的反应液体，以积累化学反应所产生的产物气体，从而立即去除多余的气体，并输送大量的质子和电子，一旦流场的传质受到阻碍，会出现反应物分布不均、温度分布不均匀和水堵塞等问题，导致质子交换膜电解池的性能就会迅速下降，甚至损坏电解池系统。

3、因此，通过合理设计流场结构，以加强传质过程，对质子交换膜电解槽的长期、高效、稳定运行具有重要意义。

技术实现思路

1、针对现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种圆形花瓣仿生流场结构，反应物、温度和电流密度分布更加均匀。

2、为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

3、一种圆形花瓣仿生流场结构，包括均匀分布于圆形流场板本体表面的多个关于其圆心对称的花瓣形流道，且多个花瓣形流道靠近流场板本体圆心的一端相互连通，相邻两个花瓣形流道之间设有与其连通的环形流道；

4、所述流场板本体的外圆周开设有与花瓣形流道另一端相连通的反应物入口或产物出口。

5、进一步地，所述反应物入口的数量大于产物出口的数量。

6、进一步地，所述花瓣形流道包括按照顺时针依次排布的第一花瓣形流道、第二花瓣形流道、第三花瓣形流道、第四花瓣形流道和第五花瓣形流道；

7、所述反应物入口包括与第一花瓣形流道连通的第一反应物入口、与第二花瓣形流道连通的第二反应物入口以及与第五花瓣形流道连通的第三反应物入口；

8、所述产物出口包括与第三花瓣形流道连通的第一产物出口以及与第四花瓣形流道连通的第二产物出口。

9、进一步地，所述花瓣形流道由若干条关于流场板本体的半径对称设置的弧形流道构成。

10、进一步地，所述弧形流道的宽度为1mm，且相邻两条弧形流道之间的间距为1mm。

11、进一步地，所述环形流道由若干条与流场板本体同心设置的圆弧形流道构成，且圆弧形流道的长度朝着流场板本体的圆心方向逐渐变小。

12、进一步地，所述圆弧形流道的宽度为1mm，且相邻两条圆弧形流道之间的间距为1mm。

13、进一步地，所述流场板本体由石墨、不锈钢或泡沫金属制成。

14、本发明与现有技术相比，具有如下技术效果：

15、本发明以花朵为对象进行仿生设计，通过多个关于流场板本体圆心对称的花瓣形流道以及连接于相邻两个花瓣形流道之间的直环形流道，构建出仿生流场结构，花瓣流道增加了反应液流通路径的数量，多通路结构相对于传统的单一通路而言，具有更小的流动阻力，更利于降低压降；加之，利用环形流道使相邻花瓣形流道之间存在压力差，加强了花瓣形流道之间反应物流动与传质，增大了肋下横流强度，提升了反应物肋下传质水平、反应物浓度均匀性和电流密度均匀性，从而提高了质子交换膜电解槽的运行效率。可见，本发明的流场结构可以在降低压降的同时，提升传质水平，因此，既适用于质子交换膜电解槽，也适用于燃料电池和液流电池等电化学装置，具有良好的通用性。

16、利用反应物入口数量大于产物出口数量，使流体在流场中的流通面积呈现减小趋势，提高了流体在流道中的流速，可以促使产物气体快速排出流场，防止气体堵塞，有效提高了电流密度分布的均匀性，使电解槽的性能得以提升。

17、将均匀设置于流场板本体的外圆周的反应物入口或产物出口直接与花瓣形流道连通，且利用三个反应物入口供反应物流入，并通过两个产物出口使产物流出，缩短了反应物流动路径，助于进一步降低压降，减小了反应物入口与产物出口之间的压差，促使反应液在流场中的充分混合，保证了反应物浓度分布以及温度分布的均匀性，有效提升了质子交换膜电解槽的运行效率。

18、通过若干个弧形流道以流场板本体的半径为对称轴构成的类似于平行流道的花瓣形流道，使反应物液体能通过多通道以较快的流速流至电极处并发生电化学反应，加之，利用花瓣形流道与反应物入口、产物出口直接相连接，有利于降低流场总体压降水平，从而降低了电解槽的泵功损耗。

技术特征：

1.一种圆形花瓣仿生流场结构，其特征在于，包括分布于圆形流场板本体(1)表面的多个关于其圆心对称的花瓣形流道，且多个花瓣形流道靠近流场板本体(1)圆心的一端相互连通，相邻两个花瓣形流道之间设有与其连通的环形流道(7)；

2.根据权利要求1所述的圆形花瓣仿生流场结构，其特征在于，所述反应物入口的数量大于产物出口的数量。

3.根据权利要求1或2所述的圆形花瓣仿生流场结构，其特征在于，所述花瓣形流道包括按照顺时针依次排布的第一花瓣形流道(2)、第二花瓣形流道(3)、第三花瓣形流道(4)、第四花瓣形流道(5)和第五花瓣形流道(6)；

4.根据权利要求1或2所述的圆形花瓣仿生流场结构，其特征在于，所述花瓣形流道由若干条关于流场板本体(1)的半径对称设置的弧形流道构成。

5.根据权利要求4所述的圆形花瓣仿生流场结构，其特征在于，所述弧形流道的宽度为1mm，且相邻两条弧形流道之间的间距为1mm。

6.根据权利要求1或2所述的圆形花瓣仿生流场结构，其特征在于，所述环形流道(7)由若干条与流场板本体(1)同心设置的圆弧形流道构成，且圆弧形流道的长度朝着流场板本体(1)的圆心方向逐渐变小。

7.根据权利要求6所述的圆形花瓣仿生流场结构，其特征在于，所述圆弧形流道的宽度为1mm，且相邻两条圆弧形流道之间的间距为1mm。

8.根据权利要求1或2所述的圆形花瓣仿生流场结构，其特征在于，所述流场板本体(1)由石墨、不锈钢或泡沫金属制成。

技术总结本发明公开了一种圆形花瓣仿生流场结构，包括均匀分布于圆形流场板本体表面的多个关于其圆心对称的花瓣形流道，且多个花瓣形流道靠近流场板本体圆心的一端相互连通，相邻两个花瓣形流道之间设有与其连通的环形流道；所述流场板本体的外圆周开设有与花瓣形流道另一端相连通的反应物入口或产物出口。本发明的流场中反应物、温度和电流密度分布更加均匀，提升了质子交换膜电解槽的运行效率。技术研发人员：李印实,刘伟团,郎文平受保护的技术使用者：陕西清能动力科技有限公司技术研发日：技术公布日：2024/5/12