具有梯度点阵与平行流道结合流场结构的流场板及其应用的制作方法

本发明属于电解槽，涉及流场板，具体涉及具有梯度点阵与平行流道结合流场结构的流场板及其应用。

背景技术：

1、近年来，氢气因其高热值、环保和灵活的储能能力而引起了人们的广泛关注并得到了广泛应用。氢气可以从各种来源生产，如通过蒸汽重整、气化的化石燃料、通过热解、气化的生物质和通过电解、热解、光解的水。在上述技术中，由可再生能源驱动的质子交换膜(pem)电解水技术因其卓越的制氢能力而被认为是减少碳排放和环境污染的有发展前景的技术，从而提高了能源效率和生产能力。

2、在质子交换膜电解池运行的过程中，反应物水和产物气体的管理问题严重影响质子交换膜电解池的性能和运行安全。一旦产物气体在质子交换膜电解池内积聚，导致扩散面积减小以及化学反应活性面积的减少可能导致电池性能甚至寿命下降。所以，质子交换膜电解池流场设计不仅影响反应物的分布，而且影响水和产物气体的分布，这是质子交换膜电解池设计的关键问题之一。

技术实现思路

1、针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种具有梯度点阵与平行流道结合流场结构的流场板及其应用，应用于质子交换膜电解槽装置中实现反应物浓度与电流密度均匀分布、增强传质以提高电解槽的性能。

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、一种具有梯度点阵与平行流道结合流场结构的流场板，包括正方形板体，所述的正方形板体的正面其中一个对角线对应的两端顶点上各设置有一个反应物入口，另一个对角线对应的两端顶点上各设置有一个产物出口；

4、所述的正方形板体的正面沿两条对角线设置有点阵流场，所述的点阵流场之外的三角区域均设置有平行流道，所述的平行流道的方向均与其相邻的正方形板体侧边方向相同。

5、本发明还具有以下技术特征：

6、优选的，所述的点阵流场包括若干圆形短柱，所述的圆形短柱的直径沿正方形板体顶点至中心方向依次减小，设置有三级梯度。

7、进一步的，所述的点阵流场以正方形板体中心为对称点对称设置为菱形或矩形。

8、进一步的，所述的圆形短柱采用交叉排布或阵列排布方式。

9、优选的，所述的平行流道设置为相互平行的弧形流道。

10、优选的，所述的正方形板体采用高导电性石墨材料或耐腐蚀的不锈钢材料制成。

11、本发明还保护一种如上所述的具有梯度点阵与平行流道结合流场结构的流场板作为电化学能源转换装置流场板的应用方法，所述的电化学能源转换装置包括质子交换膜电解槽、液流电池和燃料电池。

12、本发明与现有技术相比，具有如下技术效果：

13、本发明的流场板为对称的正方形流场结构，入口位置和出口位置位于流场的四个角点上并且分别分布于正方形流场两条对角线端点处；采取两个反应物入口和两个产物出口交替分布的流动组织形式，这样的设计缩短了反应物流动路径，保证了反应物浓度分布以及温度分布均匀性，有效减小了入口与出口之间的压差，可提升装置的运行效率；

14、发明的流场板采用了梯度点阵流场，该流场分布于对角线的流动主流区域，并且点阵圆形的半径采用梯度设计，能够增强扰流与传质过程，并且在流道出口处分散气泡，有效提高电流密度分布的均匀性；提高温度分布的均匀性以及反应物浓度的均匀性，进而有效提高电解槽的性能；在距离主流方向较远处采用平行流道，能够有效降低该处的流动阻力，减少流动死区的面积，使得反应物流体能更均匀的在流场范围内分布；同时，也能降低在该区域生成的生成物气体的传质阻力，避免产物气泡堵塞流道，影响电池性能表现；

15、同时采用平行流道和梯度点阵流场，并按照流场区域的流动阻力大小进行分布，与对角线端点上的出入口相对应，这样的流场设计在降低泵功损耗的同时能够有效地提升反应物的传质水平，将降低压降和提升传质做到有效的平衡；

16、本发明的具有梯度点阵与平行流道结合流场结构的流场板用作包括质子交换膜电解槽、液流电池和燃料电池等电化学能源转换装置均能够实现降低压降和提升传质的有效的平衡，提升其性能，具有通用性。

技术特征：

1.一种具有梯度点阵与平行流道结合流场结构的流场板，其特征在于，包括正方形板体(1)，所述的正方形板体(1)的正面其中一个对角线对应的两端顶点上各设置有一个反应物入口(2)，另一个对角线对应的两端顶点上各设置有一个产物出口(3)；

2.如权利要求1所述的具有梯度点阵与平行流道结合流场结构的流场板，其特征在于，所述的点阵流场(3)包括若干圆形短柱，所述的圆形短柱的直径沿正方形板体(1)顶点至中心方向依次减小，设置有三级梯度。

3.如权利要求2所述的具有梯度点阵与平行流道结合流场结构的流场板，其特征在于，所述的点阵流场(3)以正方形板体(1)中心为对称点对称设置为菱形或矩形。

4.如权利要求2所述的具有梯度点阵与平行流道结合流场结构的流场板，其特征在于，所述的圆形短柱采用交叉排布或阵列排布方式。

5.如权利要求1所述的具有梯度点阵与平行流道结合流场结构的流场板，其特征在于，所述的平行流道(4)设置为相互平行的弧形流道。

6.如权利要求1所述的具有梯度点阵与平行流道结合流场结构的流场板，其特征在于，所述的正方形板体(1)采用高导电性石墨材料或耐腐蚀的不锈钢材料制成。

7.一种如权利要求1至6中任一项所述的具有梯度点阵与平行流道结合流场结构的流场板作为电化学能源转换装置流场板的应用方法，其特征在于，所述的电化学能源转换装置包括质子交换膜电解槽、液流电池和燃料电池。

技术总结本发明公开了一种具有梯度点阵与平行流道结合流场结构的流场板及其应用，该流场板包括正方形板体，正方形板体正面其中一个对角线对应的两端顶点上各设置有一个反应物入口，另一个对角线对应的两端顶点上各设置有一个产物出口；正方形板体的正面沿两条对角线设置有点阵流场，所述的点阵流场之外的三角区域均设置有平行流道，平行流道的方向均与其相邻的正方形板体侧边方向相同；同时采用平行流道和梯度点阵流场，并按照流场区域的流动阻力大小进行分布，与对角线端点上的出入口相对应，这样的流场设计在降低泵功损耗的同时能够有效地提升反应物的传质水平，将降低压降和提升传质做到有效的平衡，适用于质子交换膜电解槽、液流电池和燃料电池。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