[发明专利]一种质子交换膜水电解槽结构及阳极极板

说明书

本发明公开了一种质子交换膜水电解槽结构及阳极极板，所述质子交换膜水电解槽结构包括阳极极板、阳极扩散层、CCM膜电极、阴极扩散层和阴极极板。阳极极板包括流体分配区、圆弧流道反应区和点状流场反应区；阳极极板流体分配区为两侧向圆心渐缩的弧状阶梯形流场区域，区域中部设置类椭圆形分配结构，阳极极板靠进水口部分为圆弧流道反应区，流场末端区域为点状流场反应区。本发明通过在流体分配区域设置和类椭圆形分配结构来保证反应水进入流场后在各流道内的均匀扩散；通过圆弧形流场的弧状流道减少反应水的流动阻力，提高反应水的传输效率；通过点状流场的点阵型结构减少气泡栓塞的形成，增强反应水的传质能力，进而提高电解槽的性能。

技术领域

本发明属于电解领域，涉及一种电解制氢技术，具体涉及一种质子交换膜水电解槽结构及阳极极板。

背景技术

随着世界能源技术的不断发展，氢能凭借其高效率、低污染的特点被世界各国寄予厚望。质子交换膜水电解制氢是最常见的制氢方法之一，它的技术类似于质子交换膜燃料30-45度技术的逆反应，其原理是将反应水泵送到阳极，在阳极通过被分解成为氧气O₂、质子H⁺及电子e^-，质子H⁺再通过质子交换膜到达阴极，在阴极侧与电子e^-结合成为氢气。质子交换膜水电解制氢的优点是电解效率高，生成氢气的纯度高，所使用的原材料只有可再生的水且副产品只有纯净的氧气，极有希望成为未来制氢的主流方法。

目前质子交换膜水电解还存在许多技术难题，例如阳极侧两相流传输中，所生成氧气对反应水传输的限制问题，为此有必要设计一种有利于反应水运输及扩散的新型两相流运输流场。

发明内容

本发明提供一种质子交换膜水电解槽结构及阳极极板，水电解时能保证反应水的扩散能力，提高反应水的传输效率，使反应水在流场内均匀分布，从而提高有效反应面积，增加电解性能，并采用圆形流场，使电解槽结构更加紧凑，减少电解槽体积，提高水电解的功率密度。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种质子交换膜水电解槽的阳极极板，其特征在于：所述阳极极板一侧面设有作为反应流场的圆形凹槽，阳极极板底部设有与圆形凹槽内相通的反应水进水口，阳极极板顶部设有与圆形凹槽内相通的反应水出水口，所述圆形凹槽内从下部的进水口至上部的出水口之间依次为流体分配区、圆弧流道反应区和点状流场反应区，所述流体分配区位于进水口正上方，流体分配区设为以圆形凹槽的中心为圆心的扇形流道，扇形流道两侧为圆弧流道反应区，所述圆弧流道反应区设有若干连通流体分配区和点状流场反应区的圆弧流道；所述点状流场反应区为与流体分配区相对的扇形反应区，所述扇形反应区设有若干用于形成点状流场的凸起点。

进一步地，所述圆弧流道由设于圆弧流道反应区内同心圆上的若干条圆弧形肋形成，相邻圆弧形肋之间的流道为圆弧流道。

进一步地，所述流体分配区靠近进水口设有向圆心渐缩的类椭圆形分配结构。

进一步地，所述流体分配区内类椭圆形分配结构结构形状为靠进水口端大头半径为R半圆渐缩式链接到靠圆心端小头半径为r的半圆，所述的类椭圆形分配结构设置在流体分配区流场的中轴线上，两侧边线均为圆形凹槽的径向线。

进一步地，所述流体分配区的扇形弧度为5-15度。

进一步地，所述圆弧流道的宽度为L，形成圆弧流道的圆弧形肋的宽度为0.8-1.2L。

进一步地，所述扇形反应区的弧度为30-45度，所述凸起点在扇形反应区以同心环形式分布，每个环上的凸起点与一个圆弧流道对应，所述凸起点的直径大于圆弧流道的宽度。

进一步地，所述流体分配区、圆弧流道反应区和点状流场反应区以进水口和出水口之间连线对称。