一种方形花瓣仿生流场结构的制作方法

本发明属于电化学，具体是一种方形花瓣仿生流场结构。

背景技术：

1、随着经济的发展，全球能源需求增加，生态环境问题日益严重，绿色低碳发展成为各国发展经济的新举措。近年来，氢气因其发热量高、环境友好和储能灵活等特点，受到人们的关注，并逐步得到广泛的应用。氢气作为二次能源，可以通过煤气化、甲醇重整、水电解和光催化水裂解等方式生产。在光催化水裂解所使用的质子交换膜电解槽(pemec)具有无碳排放、电流密度大、气体交叉率低、操作高压、结构紧凑、生产纯度高和操作维护简单等优点，而质子交换膜电解槽中，流场的结构对电解性能有重要影响，具体体现在：一则，流场结构不合理导致反应物分布不均匀，致使催化剂活性区域利用不足，氢气去除效果不佳；二则，流场结构不合理导致温度分布不均匀，产生的热应力加速质子交换膜(pem)的降解；三则，流场结构不合理导致电流密度不均匀，加速了电解槽的老化速度。

2、现有的流场主要包括蛇形流场、叉指流场、平行流场和新型仿生流场，但是，它们都存在一些不足，其中：对于平行流场，各通道流速分布不均、压差较小，导致反应物的流动性较差，浓度分布不均匀；对于叉指流场，存在压降损失较大的问题；对于蛇形流场，反应物流动过程中，会在弯道处产生气液堆积，具有较高的压降；新型仿生流场结构流道相对比较复杂，制造加工困难。

3、总之，现有流场在减缓气液两相流带来的负面影响、保证反应物浓度分布均匀性或制造加工等方面具有一定的局限性，因此，亟需提供一种便于加工制造，且可以保证反应物浓度、温度和电流密度均匀分布的流场。

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方形花瓣仿生流场结构，使反应物、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、一种方形花瓣仿生流场结构，包括均匀分布于方形流场板本体表面的四个关于其几何中心对称的花瓣形流道，四个花瓣形流道靠近流场板本体几何中心的一端相互连通，相邻两个花瓣形流道之间设有与其连通的平行直流道；

4、所述流场板本体的四个顶点设置有反应物入口或产物出口，花瓣形流道的另一端与反应物入口或产物出口相连通。

5、进一步地，所述花瓣形流道包括第一花瓣形流道、第二花瓣形流道、第三花瓣形流道和第四花瓣形流道；

6、所述反应物入口包括位于场板本体一条对角线上的第一反应物入口和第二反应物入口，第一反应物入口和第一花瓣形流道连通，第二反应物入口与第三花瓣形流道连通；

7、所述产物出口包括位于场板本体另一条对角线上的第一产物出口和第二产物出口，第一产物出口与第二花瓣形流道连通，第二产物出口与第四花瓣形流道连通。

8、进一步地，所述花瓣形流道为菱形，且花瓣形流道由若干条关于流场板本体的对角线对称设置的钝角折弯流道构成。

9、进一步地，所述钝角折弯流道的宽度为1mm，且相邻两条钝角折弯流道之间的间距为1mm。

10、进一步地，所述平行直流道由若干条与流场板本体的边相平行的直线流道构成，且直线流道的长度朝着流场板本体的中心方向依次变小。

11、进一步地，所述直线流道的宽度为1mm，且相邻两条直线流道之间的间距为1mm。

12、进一步地，所述流场板本体由石墨、不锈钢或泡沫金属制成。

13、本发明与现有技术相比，具有如下技术效果：

14、本发明以花朵为对象进行仿生设计，通过四个关于流场板本体几何中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平行直流道，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，利用平行直流道使相邻花瓣形流道之间存在压力差，更利用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，促进了生成气体的有效排出，防止气体堵塞，从而提高了质子交换膜电解槽的运行效率。可见，本发明的流场结构不仅降低了压降，而且提升了传质水平，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。

15、将反应物入口和产物出口沿对角线设置，缩短了反应物的流动路径，有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充分混合，保证了反应物浓度分布以及温度分布均匀性，有效提升了质子交换膜电解槽的运行效率。

16、通过若干个钝角折弯流道以正方形场板本体的对角线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；另外，由于花瓣流场和平行直流道均不涉及弧形折弯，使流场结构简单，便于进行铣床加工，节省了生产成本。

技术特征：

1.一种方形花瓣仿生流场结构，其特征在于，包括均匀分布于方形流场板本体(6)表面的四个关于其几何中心对称的花瓣形流道，四个花瓣形流道靠近流场板本体(6)几何中心的一端相互连通，相邻两个花瓣形流道之间设有与其连通的平行直流道(3)；

2.根据权利要求1所述的方形花瓣仿生流场结构，其特征在于，所述花瓣形流道包括第一花瓣形流道(2)、第二花瓣形流道(4)、第三花瓣形流道(8)和第四花瓣形流道(9)；

3.根据权利要求1或2所述的方形花瓣仿生流场结构，其特征在于，所述花瓣形流道为菱形，且花瓣形流道由若干条关于流场板本体(6)的对角线对称设置的钝角折弯流道构成。

4.根据权利要求3所述的方形花瓣仿生流场结构，其特征在于，所述钝角折弯流道的宽度为1mm，且相邻两条钝角折弯流道之间的间距为1mm。

5.根据权利要求1或2所述的方形花瓣仿生流场结构，其特征在于，所述平行直流道(3)由若干条与流场板本体(6)的边相平行的直线流道构成，且直线流道的长度朝着流场板本体(6)的几何中心方向依次变小。

6.根据权利要求5所述的方形花瓣仿生流场结构，其特征在于，所述直线流道的宽度为1mm，且相邻两条直线流道之间的间距为1mm。

7.根据权利要求1或2所述的方形花瓣仿生流场结构，其特征在于，所述流场板本体(6)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方形花瓣仿生流场结构，包括均匀分布于方形流场板本体表面的四个关于其几何中心对称的花瓣形流道，四个花瓣形流道靠近流场板本体几何中心的一端相互连通，相邻两个花瓣形流道之间设有与其连通的平行直流道；所述流场板本体的四个顶点设置有反应物入口或产物出口，花瓣形流道的另一端与反应物入口或产物出口相连通。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