电解槽叶片式波浪形流场结构的制作方法

本发明属于电解槽，具体涉及一种电解槽叶片式波浪形流场结构。

背景技术：

1、作为一种可持续的清洁能源，氢气可以通过甲烷重整、光催化以及电解水等方式进行生产。其中，电解水因为具有高电流密度、无污染、生产纯度高等优点而被广泛应用，目前有质子交换膜电解制氢、碱性电解制氢和固体氧化物电解制氢三种方式。

2、随着水电解制氢技术的不断发展及电解槽规模的扩大，电解水工作过程中出现的电解液分布不均导致活性位点利用不足、电解槽内局部温度过高、压降较大等问题限制了电解槽的性能。目前的研究方向主要从催化剂、双极板设计等方面进行，以降低成本并提高电解槽的效率。

3、双极板在电解槽中起着传导电子、均匀分配电解液并提供机械支撑的作用，传统的平行流场、蛇形流场和螺旋流场应用广泛，但仍具有一定的不足之处，如：平行流场中各通道流速分布不均、压差较小，会导致较差的流动性；蛇形流场在流动过程中会在弯道处产生气液堆积；螺旋流场在边缘处较低的流速不利于产氢。

4、因此，为了提高电解槽工作效率，必须寻求最佳流场结构设计以满足电解槽的工作要求：降低流动阻力、改善电解液与温度分布均匀性，减小出入口温差与压降等。

技术实现思路

1、针对上述现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种能够通过改变流场内局部流速与扰动从而增强传质过程、提高电解液浓度与电流密度分布均匀性的电解槽叶片式波浪形流场结构。

2、为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：包括电解槽以及设置在电解槽对角上的电解液入口、电解液出口，在电解槽上设置有交替排布而成的若干组顺置叶片状肋和倒置叶片状肋，相邻两组叶片状肋首尾相连构成一条连通电解液入口和电解液出口的波浪形流道。

3、所述的波浪形流道流动截面积不断变化，相邻两个叶片状肋间距离由小变大后再变小，即流动截面积从a1处至a2处逐渐增大，而从a2至a3时单通道的流动截面积减小。

4、所述的叶片状肋的叶型型面为柱状或自由曲面，外型截面由前缘、后缘、叶背和叶盆四条曲线构成，其中叶背和叶盆的曲线选用高次项曲线或贝塞尔曲线，前缘和后缘为圆弧形结构，叶背处为吸力面，沿其表面气流压力较低，而叶盆处为压力面，其表面一侧流体压力较高，在相邻流道间形成一定的压差而增强传质过程。

5、所述的交替排布而成的若干组顺置叶片状肋和倒置叶片状肋为水平布置。

6、所述的交替排布而成的若干组顺置叶片状肋和倒置叶片状肋沿电解槽对角线方向排布。

7、所述的沿对角线方向的叶片肋排布方式中，单条波浪形流道的横截面积从b1至b2时流动横截面积增大，会导致气体产物膨胀，从b2至b3的流动过程中，流道间距逐渐减小，对气体和电解液造成一定的挤压作用，有利于增加局部流速；

8、所述的相邻叶片状肋之间流体的流动截面积a(m2)、流速v(m/s)与流量q(ml/min)满足下式：

9、q＝v×a

10、所述的相邻叶片状肋之间流体视为不可压缩流体，密度ρ为常数，从截面b1流至截面b2时，在截面b1处的流速为v1(m·s-1)、压力为p1(pa)，高度为z1(m),重力加速度为g(m·s-2),在截面b2处的流速为v2(m·s-1)、压力为p2(pa)，高度为z2(m)，两个截面的压差记为δp(pa)，渐缩及渐扩的流动截面积满足伯努利方程：

11、

12、

13、所述的流场结构进出口压差与出口动压之比为流动阻力系数ξ，pin和vin为入口压力和速度，pout和vout为出口压力和速度，其满足关系式：

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15、本发明叶片状肋的外型截面内内切圆的轨迹线为叶型中线，该中线的前后端点是前缘点和后缘点，两点间距离为弦长a，前后缘点切线的夹角为弯曲角ω，前后缘半径分别为r1和r2，这些参数的大小可根据实际情况确定；叶片状肋截面形状光滑，有利于减小流动阻力，在相邻肋间的空隙处扰流较大，能够增强传质效果，而叶片前后缘位置可实现气泡的分散。波浪形流场沿对角线方向排布时，在出入口位置以及易产生流动死区的对角位置，减小部分叶片状肋的尺寸，以保证良好的流通性。

16、由以上技术方案可见，本发明具有以下优点：

17、1、叶片状肋的叶背处为吸力面，沿其表面气流压力较低，而叶盆处为压力面，其表面一侧流体压力较高，可在相邻流道间形成一定的压差而增强传质过程；

18、2、采用对叶片状肋顺置与倒置交替排布的方式，形成了流动横截面积逐渐变化的波浪形流道，使得流道内的气液流速分布均匀，有效保证了电解液与电流密度分布的均匀性；

19、3、在相邻两个叶片状肋之间设置一定的空隙，有利于减小局部压力，避免气体与电解液产生堵塞现象，并通过叶片肋的边缘凸起增加扰流效果，从而强化流场的传质过程，实现温度分布的均匀性；

20、4、沿对角线45°倾斜的流场设计，能够有效缩短流动路径，减小流动阻力，促进气体的快速排出。

技术特征：

1.一种电解槽叶片式波浪形流场结构，其特征在于：包括电解槽(10)以及设置在电解槽(10)对角上的电解液入口(1)、电解液出口(2)，在电解槽(10)上设置有交替排布而成的若干组顺置叶片状肋(3)和倒置叶片状肋(4)，相邻两组叶片状肋首尾相连构成一条连通电解液入口(1)和电解液出口(2)的波浪形流道。

2.根据权利要求1所述的电解槽叶片式波浪形流场结构，其特征在于：所述的波浪形流道流动截面积不断变化，相邻两个叶片状肋间距离由小变大后再变小，即流动截面积从a1处至a2处逐渐增大，而从a2至a3时单通道的流动截面积减小。

3.根据权利要求1所述的电解槽叶片式波浪形流场结构，其特征在于：所述的叶片状肋的叶型型面为柱状或自由曲面，外型截面由前缘(5)、后缘(6)、叶背(7)和叶盆(8)四条曲线构成，其中叶背(7)和叶盆(8)的曲线选用高次项曲线或贝塞尔曲线，前缘(5)和后缘(6)为圆弧形结构，叶背(7)处为吸力面，沿其表面气流压力较低，而叶盆(8)处为压力面，其表面一侧流体压力较高，在相邻流道间形成一定的压差而增强传质过程。

4.根据权利要求1所述的电解槽叶片式波浪形流场结构，其特征在于：所述的交替排布而成的若干组顺置叶片状肋(3)和倒置叶片状肋(4)为水平布置。

5.根据权利要求1所述的电解槽叶片式波浪形流场结构，其特征在于：所述的交替排布而成的若干组顺置叶片状肋(3)和倒置叶片状肋(4)沿电解槽(10)对角线方向排布。

6.根据权利要求5所述的电解槽叶片式波浪形流场结构，其特征在于：所述的沿对角线方向的叶片肋排布方式中，单条波浪形流道的横截面积从b1至b2时流动横截面积增大，会导致气体产物膨胀，从b2至b3的流动过程中，流道间距逐渐减小，对气体和电解液造成一定的挤压作用，有利于增加局部流速；

技术总结
本发明公开一种电解槽叶片式波浪形流场结构。包括电解液入口、电解液出口、顺置叶片状肋和倒置叶片状肋，采用的叶片状肋的叶背处为吸力面，沿其表面气流压力较低，而叶盆处为压力面，其表面一侧流体压力较高，可在相邻流道间形成一定的压差而增强传质过程；对叶片状肋进行顺置与倒置交替排布的方式，形成了流动横截面积逐渐变化的波浪形流道，使得流道内的气液流速分布均匀，有效保证了电解液与电流密度分布的均匀性；在相邻两个叶片状肋之间设置一定的空隙，有利于减小局部压力，避免气体与电解液产生堵塞现象，并通过叶片肋的边缘凸起增加扰流效果，从而强化流场的传质过程，实现温度分布的均匀性。

技术研发人员：李印实,李博铮
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：2024/1/14