[发明专利]一种质子交换膜水电解槽的流场结构

说明书

本发明公开了一种质子交换膜水电解槽的流场结构，包括进水口、出水口、斜通道和主体通道，进水口位于流场结构的一端进水处、出水口位于流场结构的另一端出水处；在流场结构中设有主体通道和斜通道，主体通道和斜通道构成蛇形图案状流动通道；蛇形图案状流动通道包括在斜通道和主体通道之间设置若干U型转弯；斜通道连接着上、下游的主体通道，接收上游通道的流体，再重新均匀分配到下游通道，斜通道设置在U型转弯的转角处。本发明的流场结构拥有较低的压降，且能够有效均匀地保持足够和恒定的流体速度将反应物输送通过平面流场，实现均匀的电化学反应和增强水扩散的能力，使电流密度均匀的分布在极板的有源区域，提高电解槽性能。

技术领域

本发明涉及水电解槽领域，具体涉及一种质子交换膜水电解槽的流场结构。

背景技术

氢能目前是世界上最清洁的能源，具有低碳，环保，无污染等优点。其可以作为清洁能源载体因其有望替代传统化石燃料能源受到各国研究人员的关注。氢气可以通过不同的方式获得，但通过电解结合可再生能源氢气是最环保的策略。

质子交换膜(PEM)水电解池是一种可用于制氢的装置，与碱性水电解池、固体氧化物水电解池等其他制氢装置相比，具有制氢纯度高、效率高、结构紧凑等优点。在高电流密度下转化率可高达70％以上，非常适用于间歇性电源工作，并且以燃料电池的技术背景为依托，可以快速发展达到市场化标准。

质子交换膜电解槽的主要部件之一是双极板，双极板中的流场结构设计直接影响反应物的均匀分布和气体的有效运输，决定电解槽内的电化学和流体动力学响应。理想的流场结构具有以下特点：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。

平行流场作为PEM电解槽常见的流场之一，具有易加工，市场应用面广，流体在垂直通道内流动时压力损失比较小，反应物分布均匀等优点。与蛇型流场相比其较低的速度可以更容易使水分子与质子交换膜结合，并且在高电流密度下不容易出现湍流(RE4000)等现象，延长MEA使用寿命。但由于流场中各个通道内流速分布不均，压差比较小，容易造成气体堵塞，流动性差等问题，严重影响电解槽的工作性能。

蛇形流场结构图，蛇形流场又分为单蛇形流场和多蛇形流场。与多蛇形流场相比，单蛇形流场的性能要好一些。在相同工作条件下，其电压损失相对较低，而且得到的氢气摩尔分数较高，但获得高性能的同时也会伴随着高压降，在高电流密度下反应物会分布不均匀，弯道处有气液推积，使电流密度降低。

发明内容

本发明对现有质子交换膜水电解槽的传统平行流场流速分配不均、容易造成气体堵塞、流动性差等问题和蛇形流场高压降等不足，提供一种具有较短的路径和较低的压降，能够有效均匀地保持足够和恒定的流体速度，将反应物输送通过平板流场的质子交换膜水电解槽流场，以提高水电解槽整体性能。

为实现上述目的，本发明提供的技术方案是：

一种质子交换膜水电解槽的流场结构，包括进水口、出水口、斜通道和主体通道，所述的进水口位于流场结构的一端进水处、所述的出水口位于流场结构的另一端出水处；在流场结构中设有主体通道和斜通道，主体通道和斜通道构成蛇形图案状流动通道；所述的蛇形图案状流动通道包括在斜通道和主体通道之间设置若干U型转弯；斜通道连接着上、下游的主体通道，接收上游通道的流体，再重新均匀分配到下游通道，斜通道设置在U型转弯的转角处。

进一步的，U型转弯的转弯处均为90°夹角。

进一步的，所述的主体通道和斜通道均为直通道。

进一步的，所述的主体通道为波浪形通道，斜通道为直通道。

作为优选的方案，所述的波浪形通道长度为4-10mm，波幅为0.4-1mm。

进一步的，主体通道和斜通道的通道深度为1-2mm，相邻液体流动通道之间的脊宽为0.5-1mm。