一种PEM电解槽用新型阳极板复合流场结构的制作方法

本技术属于pem电解水制氢领域，尤其涉及一种pem电解槽用新型阳极板复合流场结构。

背景技术：

1、氢能具有零污染、高热值、可存储和应用广等优势，电解水制氢可解决能源波动性，是实现能源在更长时间、更广空间上再平衡的关键技术手段，可实现大规模、高效可再生能源消纳，在不同行业、地区间的能量再分配，提高能源系统韧性。

2、与现有的alk技术相比，pem电解槽利用质子交换膜代替了石棉膜，pem电解槽在运行中的灵活性和反应性更高。这种显著提高的运营灵活性可能会提高电解制氢的整体经济效益，尤其是可以很好地结合可再生能源发电，从而可以从多个电力市场获得收益，因为pem技术提供更宽广的工作范围并且响应时间更短。

3、双极板作为pem电解槽的重要组成部分，具有传输反应物和生成物、收集电流、支撑膜电极、分隔反应物和传热等作用。流道的布置直接影响反应物的均匀分布和气体的有效运输。理想的流场结构具有以下特点：反应物的均匀分布、反应物向催化剂层(cl)有效传质、反应产物从流道向流道外排放、低压降和有效的热管理。常见的流场结构有平行流场、蛇形流场、螺旋流场和叶栅流场等。平行流场压降小，容易造成气体堵塞，流动性差；蛇形流场流体通道距离长，压降大，易于输送流体；螺旋流场由于水的停滞和流速的降低，在通道处会观察到不均匀性。

4、综上所述，开发新型高效的阳极板复合流场结构对电解槽性能和使用寿命有着至关重要的影响。

技术实现思路

1、针对现有技术存在的不足，本实用新型的目的是提供一种pem电解槽用新型阳极板复合流场结构，在保证低压降的同时，通过蛇形流道自身的结构优势流体路径长，一方面压降增大，带出反应产生的气泡，使流体分配均匀，另一方面流体停留时间增大，增加反应物向催化层的有效传质，以提高电解槽的电解性能，提高产物产率。

2、为了实现上述目的，本实用新型通过如下的技术方案来实现：一种pem电解槽用新型阳极板复合流场结构，复合流场结构设置于阳极板本体上，包括进水口、水气出口、点状均流圆柱体群和连通所述进水口和所述水气出口的复合流场流道，所述复合流场流道包括平行流道和蛇形流道，所述进水口和所述复合流场流道之间以及所述水气出口和所述复合流场流道之间均设置所述点状均流圆柱体群。

3、进一步地，所述平行流道位于所述阳极板本体的上部和所述阳极板本体的下部，所述蛇形流道位于所述阳极板本体的中部。

4、进一步地，位于所述阳极板本体上部的所述平行流道、位于所述阳极板本体中部的所述蛇形流道和位于所述阳极板本体下部的所述平行流道分别各占所述复合流场流道的三分之一。

5、进一步地，所述平行流道由两条以上平行设置的平行流道脊形成，一条所述平行流道脊包括两条以上水平间隔设置的平行流道脊单元，一条所述平行流道脊上相邻两所述平行流道脊单元之间的间隔为贯通口。

6、进一步地，所述平行流道中的所述贯通口交错分布，所述贯通口的长度为3mm-5mm。

7、进一步地，所述蛇形流道由两条以上的蛇形流道脊形成。

8、进一步地，所述平行流道脊单元和所述蛇形流道脊的宽度均为1mm-2mm，高度均为1.0mm-2.0mm。

9、进一步地，所述点状均流圆柱体群包括若干圆柱体块，所述圆柱体块的直径为1-1.5mm，高度为1.0mm-2.0mm，若干所述圆柱体块之间呈60°-80°交错分布。

10、进一步地，复合流场结构中使流体转向的端部均设计为圆倒角，所述圆倒角半径为0.5mm-3mm。

11、有益效果：

12、(1)本实用新型提供的pem电解槽用新型阳极板复合流场结构中，复合流场流道上部和下部各1/3范围内采用平行流道，确保整个流场在电解槽运行过程中保持较低的压降，在电解槽系统设备选型过程中，可选取扬程较小的泵等设备，降低系统设备选型成本；

13、(2)本实用新型提供的pem电解槽用新型阳极板复合流场结构中，复合流场流道中部1/3范围内采用蛇形流道，一方面压降增大，带出反应产生的气泡，使流体分配均匀，传热、传质更有效；另一方面增加流体在流道内停留时间，有效的增加了流体透过扩散层与催化层接触反应时间，增加反应速率，提高电解槽性能；

14、(3)本实用新型提供的pem电解槽用新型阳极板复合流场结构中，进出口采用点状均流圆柱体群，使流体在阳极板内形成扰流，使阳极板内部流体分布更均匀；再者点状圆柱体群部分，流体区域更大，可增加流体透过扩散层与催化剂层的接触面积，使反应更充分；且点状均流圆柱体群也能平衡阳极板内流道压力分布，增加pem电解水膜电极的润湿能力；

15、(4)本实用新型提供的pem电解槽用新型阳极板复合流场结构中，使流体转向的端部光滑圆倒角的使用，可降低由于拐角造成的压力损失，并可减少流体死区，提高流体利用率，增加pem电解槽整体效率；

16、(5)本实用新型提供的pem电解槽用新型阳极板复合流场结构中，相邻两平行流道脊单元之间的贯通口可有效平衡流道间的压力与速度，提高pem电解槽膜电极的润湿能力。

17、以下将结合附图对本实用新型的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本实用新型的目的、特征和效果。

技术特征：

1.一种pem电解槽用新型阳极板复合流场结构，其特征在于，复合流场结构设置于阳极板本体上，包括进水口(1)、水气出口(5)、点状均流圆柱体群(2)和连通所述进水口(1)和所述水气出口(5)的复合流场流道，所述复合流场流道包括平行流道(3)和蛇形流道(4)，所述进水口(1)和所述复合流场流道之间以及所述水气出口(5)和所述复合流场流道之间均设置所述点状均流圆柱体群(2)。

2.如权利要求1所述的pem电解槽用新型阳极板复合流场结构，其特征在于，所述平行流道(3)位于所述阳极板本体的上部和所述阳极板本体的下部，所述蛇形流道(4)位于所述阳极板本体的中部。

3.如权利要求2所述的pem电解槽用新型阳极板复合流场结构，其特征在于，位于所述阳极板本体上部的所述平行流道(3)、位于所述阳极板本体中部的所述蛇形流道(4)和位于所述阳极板本体下部的所述平行流道(3)分别各占所述复合流场流道的三分之一。

4.如权利要求2或3所述的pem电解槽用新型阳极板复合流场结构，其特征在于，所述平行流道(3)由两条以上平行设置的平行流道脊形成，一条所述平行流道脊包括两条以上水平间隔设置的平行流道脊单元(6)，一条所述平行流道脊上相邻两所述平行流道脊单元(6)之间的间隔为贯通口(7)。

5.如权利要求4所述的pem电解槽用新型阳极板复合流场结构，其特征在于，所述平行流道(3)中的所述贯通口(7)交错分布，所述贯通口(7)的长度为3mm-5mm。

6.如权利要求4所述的pem电解槽用新型阳极板复合流场结构，其特征在于，所述蛇形流道(4)由两条以上的蛇形流道脊形成。

7.如权利要求6所述的pem电解槽用新型阳极板复合流场结构，其特征在于，所述平行流道脊单元(6)和所述蛇形流道脊的宽度均为1mm-2mm，高度均为1.0mm-2.0mm。

8.如权利要求1所述的pem电解槽用新型阳极板复合流场结构，其特征在于，所述点状均流圆柱体群(2)包括若干圆柱体块，所述圆柱体块的直径为1-1.5mm，高度为1.0mm-2.0mm，若干所述圆柱体块之间呈60°-80°交错分布。

9.如权利要求1所述的pem电解槽用新型阳极板复合流场结构，其特征在于，复合流场结构中使流体转向的端部均设计为圆倒角(8)，所述圆倒角(8)半径为0.5mm-3mm。

技术总结
本技术提供一种PEM电解槽用新型阳极板复合流场结构，涉及PEM电解水制氢领域，复合流场结构设置于阳极板本体上，包括进水口、水气出口、点状均流圆柱体群和连通进水口和水气出口的复合流场流道，复合流场流道包括平行流道和蛇形流道，进水口和复合流场流道之间以及水气出口和复合流场流道之间均设置点状均流圆柱体群；平行流道可确保整个流场在电解槽运行过程中保持较低的压降，蛇形流道可有效解决流场内气体堵塞的问题，有效延长流体在阳极板内的停留时间，促进流体向扩散层的扩散能力，强化传质、传热，提高阳极侧的反应速率，进一步改善PEM电解槽的性能。

技术研发人员：齐朝阳
受保护的技术使用者：上海电气集团股份有限公司
技术研发日：20230612
技术公布日：2024/1/15