[发明专利]一种用于SPE电解的中心对称式辐射状双极板流场结构

说明书

技术领域

本发明涉及SPE电解技术领域，具体地讲，是涉及一种用于SPE电解的中心对称式辐射状双极板流场结构。

背景技术

固体聚合物电解质（Solid Polymer Electrolyte, SPE）电解以纯水为原料，核心部件为由双极板分隔的零间隙三明治结构膜电极组件叠合而成，相较于传统碱水电解具有结构紧凑、电解效率高、气体纯度高、使用寿命长等显著优点。

流场作为SPE电解池双极板的核心部件，直接影响电堆的电解效率及使用寿命。电解时，水通过阳极双极板入料口经流场分配质子交换膜阳极侧，OH^-与阳极催化剂接触产生氧气，生成的氧气与未反应的水一道经阳极双极板流场从水-氧出口排出，H⁺穿过质子交换膜与阴极侧催化剂接触产生氢气，经阴极双极板流场从氢气出口排出。为了充分降低原料水从多个入口引入造成的涡流，阳极双极板通常只设一个原料水入口，这对于流场设计要求极高，设计不合理的流场不仅会产生较高的传质阻力，引起气体及热量滞留，还会造成水压在流场内不均匀分布，使质子交换膜上部分区域催化剂不能与水充分接触反应，在降低电堆使用寿命的同时还会造成电解效率低下，不利于大流量SPE单电堆的研发。

常见流场包括平行、蛇形及交指流场，以上流场结构简单，加工容易，应用于小电堆（催化剂面积小，MEA堆叠数量少）时导流散热能力较好，但随着电堆膜电极组件（Membrane Electrode Assemblies, MEA）催化剂面积的增大或（和）堆叠数量增加，其传质阻力显著上升。为改善上述缺陷，平衡设计与加工的矛盾，部分专利对常见流场进行了局部优化，如专利CN 103806014A采用改进的平行流场采用的弯头设计可以改进流场散热，但存在流道行程长，气体无法及时排出的传质缺陷。采用仿生学原理（如树叶叶脉、人体肺部血管网）设计的流场亦可在一定程度上改善上述缺陷，但存在加工难度大，制造成本高的缺点，短期难以实际应用。囿于流场设计的缺陷，为增加氢气流量，现有商品化SPE电解池大都采取多个小电堆（小面积膜电极组件低数量堆叠）串联或混联的布局，系统复杂，可靠性较低，后期维护成本较高。为同时提高SPE电解池氢气产量及可靠性，降低维护成本，须在不降低（或不显著降低）电堆电解效率及传质阻力的前提下增加单电堆MEA催化剂负载面积或（和）叠合数量，这客观上要求对双极板流道进行优化设计。

发明内容

针对上述现有技术的不足，本发明提供一种流道行程短、内部均压的用于SPE电解的中心对称式辐射状双极板流场结构。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种用于SPE电解的中心对称式辐射状双极板流场结构，包括带有入料水口和出口的双极板本体，由沿其径向带一弧度延展并中心对称地设置于双极板本体正面的多条内环脊构成的内辐射流道，由沿其径向带一弧度延展并中心对称地设置于双极板本体正面的多条外环脊构成的外辐射流道，呈环状地设置于内辐射流道和外辐射流道之间的均压过渡带，设置于双极板本体边缘范围内并与外辐射流道末端连通的出口槽，以及设置于双极板本体内并分别与出口槽和出口均连通的连通域，其中，所述入料水口位于双极板本体的中心处并与内辐射流道连通。

具体地，所述双极板本体呈圆形或正多边形。

进一步地，所述内环脊或/和外环脊两侧的曲率半径相同。

进一步地，所述内环脊的截面积由入料水口端向均压过渡带端逐渐增大；在入料水口处，内辐射流道的宽度为内环脊宽度的2～4倍，在均压过渡带处，内辐射流道与内环脊的宽度之比不小于2。

进一步地，所述外环脊的截面积由均压过渡带端向出口槽端逐渐增大；在均压过渡带处，外辐射流道的宽度为外环脊宽度的1～2倍，在出口槽处，外辐射流道与外环脊的宽度之比大于1。

进一步地，所述均压过渡带的环宽与入料水口的半径相当。

进一步地，所述均压过渡带的内环半径为出口槽到双极板本体中心处的平均距离的1/3~2/3。

进一步地，所述出口槽沿双极板本体边缘环绕一周，且其环形面积不大于入料水口的进水面积。

进一步地，所述连通域呈环形，且其在双极板本体正反面方向上的厚度与出口槽在双极板本体径向方向上的宽度相当。

进一步地，所述出口至少为两个，所有出口均布于双极板本体反面，且所有出口的总面积不大于入料水口的面积。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：