一種復合式雙極板流道結構及其構成的spe電解池模塊的制作方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種復合式雙極板流道結構及其構成的SPE電解池模塊，雙極板流道包括由不少于五折的復合流道從上往下依次彎折連接構成、用于流體在其中流動的蛇形通道；每折復合流道的前后兩端均設有呈點狀矩陣結構設計的圓柱體群，在每折復合流道上、且位于兩端圓柱體群之間均設有呈交錯方式分布、將復合流道由上往下分成N條平行流道的平行流道脊，相鄰的平行流道脊之間均設有用于連通相鄰兩條平行流道的貫通口；同時，復合流道由上往下，其平行流道的條數按照等差的方式依次遞減。本實用新型還提供了由該雙極板流道構成的SPE電解池模塊。本實用新型提升了純水擴散性能和陽極雙極板排氧能力，不僅沿程壓降小、流道面積大，而且膜電極工作效率高。
【專利說明】
一種復合式雙極板流道結構及其構成的SPE電解池模塊
技術領域
[0001]本實用新型涉及化工和核技術及設備領域，具體涉及的是一種復合式雙極板流道結構及其構成的SPE電解池模塊。
【背景技術】
[0002]氫氣是一種環(huán)境友好的能量載體，具有清潔、無污染及可再生的優(yōu)勢。天然氣蒸汽重整、水煤氣制氫和甲醇重整制氫和水電解制氫都是目前工業(yè)化制氫的方法。相比而言，水電解制氫原料是水，取之不盡，且反應產物也是水，可循環(huán)利用；同時，水電解制氫還有產品氫氣純度高、操作靈活的優(yōu)勢。因此，水電解尤其是電解純水的SPE電解方式，不僅轉化效率高、內阻小，而且氫不易反滲透，因而具有廣闊的應用前景，對于未來氫能的利用具有舉足輕重的作用。
[0003]SPE電解在含氚廢水去氚化處理中也發(fā)揮著重大的作用。核電站運行過程會產生含氚廢水，如果不能合理處置，將會造成嚴重的環(huán)境污染；同時，含氚水中氚的回收具有很高的經濟價值，因而開發(fā)高效、環(huán)保的水去氚化技術和裝備具有非常重要的意義。而SPE電解在水去氚化的應用中也具有明顯優(yōu)勢，例如= (I)SPE膜具有氫同位素效應，T+透膜能力遠小于H+，使得SPE電解在產生貧氚氫氣的同時，將氚濃縮于液相；(2)SPE膜具有優(yōu)良的抗輻照性能，目前已有的電解-催化交換水去氚化的工藝(CECE)，將SPE電解與氫同位素催化交換工藝耦合，具有非常高的去氚因子。
[0004]在SPE電解池中，雙極板流場用于為反應物和生成物提供流動通道，流道結構影響流體在流道內的流動和反應物質的傳遞，進而影響到電解池的工作效率。常見的雙極板流道有平行流道、蛇形流道和交指型流道。平行流道顯著優(yōu)勢是流體總壓降低，但隨著流場寬度增加，流道中流體分布不均，引起陽極雙極板氧氣的富集，增加流動損耗。蛇形流道排氣能力強，但隨著流道面積增大，流體壓降顯著增大。交指型流道又稱為不連續(xù)流道，排帶能力強，電池功率密度高，但通過擴散層壓降很大，并且容易發(fā)生短路和溝流的情況。
[0005]綜上所述，開發(fā)高效的雙極板流場，提升SPE電解池模塊工作效率，對于SPE電解技術的發(fā)展以及水制氫氣等應用都具有至關重要的意義。
【實用新型內容】
[0006]針對上述現有技術的不足，本實用新型提供了一種復合式雙極板流道結構及其構成的SPE電解池模塊，能有效解決陽極雙極板排氧的問題，同時沿程壓降小，流道面積大，膜電極工作效率高。
[0007]為實現上述目的，本實用新型采用的技術方案如下:
[0008]—種復合式雙極板流道結構，包括由不少于五折的復合流道從上往下依次彎折連接構成，形成流體流動的蛇形通道;每折復合流道的前后兩端均設有呈點狀矩陣結構設計的圓柱體群，并且，在每折復合流道中部均設有呈交錯方式分布、并將復合流道由上往下分成N條平行流道的平行流道脊，4SN，且相鄰的平行流道脊之間均設有用于連通相鄰兩條平行流道、以便平衡復合流道中的流體壓力和流速的貫通口；同時，所述的復合流道由上往下，其平行流道的條數按照等差的方式依次遞減。
[0009]作為優(yōu)選，所述平行流道脊的寬度為1.5?2.0mm，所述復合流道深度為1.2?2.0mm0
[0010]進一步地，本實用新型中，除最底部一折復合流道外的其他復合流道中的最下方平行流道，其寬度均比其他平行流道寬50%;同時，最底部的復合流道中的所有平行流道的寬度均與其他復合流道中的最下方平行流道寬度相同。
[0011 ]再進一步地，本實用新型中，每折復合流道中用于使流體轉向的端部均設有光滑過渡圓倒角。
[0012]更進一步地，每折復合流道中用于使流體轉向的端部均設有光滑過渡圓倒角。
[0013]更進一步地，每個點狀矩陣結構中的圓柱體群呈60°角交錯的方式分布，圓柱直徑優(yōu)選2mm ο
[0014]基于上述流道結構，本實用新型還提供了由上述流道結構構成的SPE電解池模塊，包括依次疊加在一起的陽極雙極板、陽極擴散層、陽極催化層、質子交換膜、陰極催化層、陰極擴散層和陰極雙極板，其中，雙極板上刻有雙極板流道;所述其中一個雙極板流道設置在陽極雙極板連接陽極擴散層的表面上，與陽極擴散層接觸，且該雙極板流道中最上方和最下方的復合流道的端部分別設有純水通入口和水氧出口；另一個雙極板流道設置在陰極雙極板連接陰極擴散層的表面上，與陰極擴散層接觸，且該雙極板流道中最下方的復合流道的端部設有氫氣出口。
[0015]進一步地，所述陽極雙極板與陽極擴散層之間還設有陽極密封圈。
[0016]再進一步地，所述陰極雙極板與陰極擴散層之間還設有陰極密封圈。
[0017]與現有技術相比，本實用新型具有以下有益效果:
[0018](I)本實用新型設置了由多折復合流道構成的蛇形通道，并在復合流道中設置點狀矩陣結構的圓柱體群，從而提升了液相載氣能力，解決了排氣困難的問題。
[0019](2)本實用新型點狀矩陣中圓柱體群呈60°角交錯的方式分布，如此可增加流道面積，平衡了流道壓力和流速分布，增加了膜電極的潤濕能力。
[0020](3)本實用新型復合流道中的平行流道的條數采用等差遞減設計，流道后程流速增大提高了陽極雙極板載帶氧氣的能力，同時提高后程壓力有利于保證液相擴散能力，提升膜電極工作效率。并且每折復合流道最下方的平行流道和最下方復合流道的所有平行流道的寬度比其他平行流道寬50 %，可以使流場流速分布更加均勻。
[0021](4)本實用新型在每折復合流道中用于使流體轉向的端部均設有光滑過渡圓倒角，可進一步降低流體沿程壓降，更加有利于流道各向均勻分配流體，減少流場死區(qū)。
[0022](5)本實用新型設計的SPE電解池模塊不僅電解氫氣純度高(彡99.999%)，而且可以有效降低歐姆損耗，具有所需電壓小、電流密度大、工作發(fā)熱量少、電解效率高的優(yōu)點。
[0023](6)本實用新型大幅提升了純水擴散性能和陽極雙極板排氧能力，其不僅沿程壓降小、流道面積大，而且膜電極工作效率高。
【附圖說明】
[0024]圖1為本實用新型所述的SPE電解池模塊的分解示意圖。
[0025]圖2為本實用新型所述的雙極板流道的結構示意圖。
[0026]圖3為蛇形流道的壓力分布示意圖。
[0027]圖4為蛇形流道的流速分布示意圖。
[0028]圖5為平行流道的壓力分布示意圖。
[0029]圖6為平行流道的流速分布示意圖。
[0030]圖7為本實用新型復合式雙極板流道的壓力分布示意圖。
[0031 ]圖8為本實用新型復合式雙極板流道的流速分布示意圖。
[0032]其中，附圖標記對應的名稱為:
[0033]1-圓柱體群，2-平行流道脊，3-平行流道，4-貫通口，5-光滑過渡圓倒角，6-陽極雙極板，7-陽極密封圈，8-陽極擴散層，9-陽極催化層，10-質子交換膜，11-陰極催化層，12-陰極擴散層，13-陰極密封圈，14-陰極雙極板。
【具體實施方式】
[0034]下面結合【附圖說明】和實施例對本實用新型作進一步說明，本實用新型的方式包括但不僅限于以下實施例。
[0035]如圖1所示，本實用新型提供了一種新型的SPE電解池模塊，其包括依次疊加組裝的陽極雙極板6、陽極擴散層8、質子交換膜10、陰極催化層11、陰極擴散層12和陰極雙極板14 ο所述的陽極雙極板6和陰極雙極板14上均設置有雙極板流道，其中，陽極雙極板6上的流道的前后兩端分別設有一個純水通入口和水氧出口，而陰極雙極板14上的流道只設有一個氫氣出口。擴散層、催化層和質子交換膜構成膜電極組件，是SPE電解池模塊的核心組件。
[0036]此外，本實用新型還分別設置了陽極密封圈7和陰極密封圈13，其中，陽極密封圈7位于陽極雙極板6和陽極擴散層8之間；陰極密封圈13位于陰極擴散層12和陰極雙極板14之間。如此可保證SPE電解池模塊的密封性。本實施例中，密封圈優(yōu)選高彈性、耐腐蝕的硅橡膠密封圈，厚度優(yōu)選0.5?Imm，同時雙極板上可設置密封圈緩沖槽，與密封圈契合。
[0037]上述部件中，所述的陽極雙極板6和陰極雙極板14均優(yōu)選采用鈦合金或其他耐腐蝕合金進行表面處理的不銹鋼制成。陽極擴散層8采用表面進行鍍鉭處理的不銹鋼網，陰極擴散層12優(yōu)選燒結多孔鈦，保證通透性和耐久性。所述陽極催化層9采用IrO2催化劑，陰極催化層11采用Pt黑催化劑，陰極和陽極催化層均經噴涂工藝分別涂覆于質子交換膜10兩偵U，該質子交換膜10作為傳遞H+的介質，采用全氟磺酸膜，本實施例優(yōu)選杜邦公司生產的Naf1n 111膜。
[0038]而作為本實用新型的另一主要改進點，如圖2所示，本實施例中，所述的雙極板流道包括由不少于五折(本實施例采用五折)的復合流道從上往下依次彎折連接構成、用于流體(純水)在其中流動的蛇形通道。每折復合流道(深度為1.2?2.0mm)的前后兩端均設有呈點狀矩陣結構設計的圓柱體群I (矩陣中的圓柱體群呈60°角交錯的方式分布，圓柱直徑2mm)，并且，在每折復合流道上、且位于兩端圓柱體群之間均設有呈交錯方式分布、并將復合流道由上往下分成N條平行流道3的平行流道脊2(寬度為1.5?2.0mm)，同時，相鄰的平行流道脊之間均設有用于連通相鄰兩條平行流道、以便平衡復合流道中的流體壓力和流速的貫通口 4。
[0039]此外，所述的復合流道由上往下，其平行流道的條數按照等差的方式依次遞減，本實施例中，最上方的復合流道有8條平行流道，往下的復合流道依次等差遞減一條平行流道，即最下方的復合流道有4條平行流道。并且，在陽極雙極板流道和陰極雙極板流道中，除最底部一折復合流道外的其他復合流道中的最下方平行流道，其寬度均比其他平行流道寬50%;同時，最底部的復合流道中的所有平行流道的寬度均與其他復合流道中的最下方平行流道寬度相同。
[0040]另外，由于采用了蛇形通道的設計結構，當流體在蛇形通道內流動時，會涉及轉向問題，因此，為降低流體沿程壓降，每折復合流道中用于使流體轉向的端部均設有光滑過渡圓倒角5。
[0041 ]本實用新型SPE電解池模塊電解純水制備氫氣的過程如下:
[0042]純水經陽極雙極板上的流道透過陽極擴散層與陽極催化層接觸生成氧氣。氧氣經陽極擴散層返回陽極雙極板上的流道中，與未電解的水一道從水氧出口引出。而質子則穿過質子交換膜，并在陰極催化層的作用下還原為氫氣，然后經陰極雙極板上的流道富集后在氫氣出口引出。引出的水氧兩相混合物可進行氣液分離(比如利用氣液分離罐)，然后將分離出的純水栗入至純水水箱中，以便后續(xù)的循環(huán)使用。
[0043]圖3?8對比了蛇形流道、平行流道和本實用新型所述的復合式雙極板流道中壓力和流速的分布。其中圖3、圖5、圖7分別為以上三種流道中的壓力分布；圖4、圖6、圖8分別為三種流道中的流速分布。工作介質均采用常溫純水，流道尺寸規(guī)格一致，取相同的水處理量。計算結果表明本實用新型所述的復合式雙極板流場中流體沿程壓降小，流道面積大，流速分布更均勻，可以顯著提升SPE電解池模塊的工作效率。
[0044]上述實施例僅為本實用新型的優(yōu)選實施方式之一，不應當用于限制本實用新型的保護范圍，凡在本實用新型的主體設計思想和精神上作出的毫無實質意義的改動或潤色，其所解決的技術問題仍然與本實用新型一致的，均應當包含在本實用新型的保護范圍之內。
【主權項】
1.一種復合式雙極板流道結構，其特征在于，包括由不少于五折的復合流道從上往下依次彎折連接構成，形成流體流動的蛇形通道;每折復合流道的前后兩端均設有呈點狀矩陣結構設計的圓柱體群(I)，并且，在每折復合流道中部均設有呈交錯方式分布、并將復合流道由上往下分成N條平行流道(3)的平行流道脊(2)，4<N，且相鄰的平行流道脊之間均設有用于連通相鄰兩條平行流道、以便平衡復合流道中的流體壓力和流速的貫通口(4);同時，所述的復合流道由上往下，其平行流道的條數按照等差的方式依次遞減。2.根據權利要求1所述的一種復合式雙極板流道結構，其特征在于，所述平行流道脊(2)的寬度為1.5?2.0mm，所述復合流道深度為1.2?2.0mm。3.根據權利要求2所述的一種復合式雙極板流道結構，其特征在于，除最底部一折復合流道外的其他復合流道中的最下方平行流道，其寬度均比其他平行流道寬50%。4.根據權利要求3所述的一種復合式雙極板流道結構，其特征在于，最底部的復合流道中的所有平行流道的寬度均與其他復合流道中的最下方平行流道寬度相同。5.根據權利要求3所述的一種復合式雙極板流道結構，其特征在于，每折復合流道中用于使流體轉向的端部均設有光滑過渡圓倒角(5)。6.根據權利要求1?5任一項所述的一種復合式雙極板流道結構，其特征在于，每個點狀矩陣結構中的圓柱體群(I)呈60°角交錯的方式分布。7.—種SPE電解池模塊，其特征在于，包括兩個權利要求1?6任一項所述的雙極板流道，以及依次疊加組裝的陽極雙極板(6)、陽極擴散層(8)、陽極催化層(9)、質子交換膜(10)、陰極催化層(11)、陰極擴散層(12)和陰極雙極板(14);所述其中一個雙極板流道設置在陽極雙極板(6)連接陽極擴散層(8)的表面上，與陽極擴散層接觸，且該雙極板流道中最上方和最下方的復合流道的端部分別設有純水通入口和水氧出口；另一個雙極板流道設置在陰極雙極板(14)連接陰極擴散層(12)的表面上，與陰極擴散層接觸，且該雙極板流道中最下方的復合流道的端部設有氫氣出口。8.根據權利要求7所述的一種SPE電解池模塊，其特征在于，所述陽極雙極板(6)與陽極擴散層(8)之間還設有陽極密封圈(7)。9.根據權利要求7或8所述的一種SPE電解池模塊，其特征在于，所述陰極雙極板(14)與陰極擴散層(12)之間還設有陰極密封圈(13)。
【文檔編號】C25B9/06GK205676538SQ201620334848
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年4月20日 公開號201620334848.2, CN 201620334848, CN 205676538 U, CN 205676538U, CN-U-205676538, CN201620334848, CN201620334848.2, CN205676538 U, CN205676538U
【發(fā)明人】李佩龍, 何康昊, 文明, 姜飛, 郭莉, 陳軍, 宋江鋒, 姚勇, 陳華明, 黃國強, 楊莞
【申請人】中國工程物理研究院材料研究所