本发明涉及电解水制氢,具体而言,涉及一种双极板及电解槽。
背景技术:
1、近年来,环境污染日益严重,如何处理好人与环境的关系,成为全世界人类面临的共同难题。对此,人类在能源供应方面进行了探索,比如风电、光伏等等。但是,上述的可再生能源的地域发展不均衡、波动性大以及消纳间歇等问题未能得到实质性地解决,而电解水制氢可以通过能量转换很好地解决这些问题,为了应对可再生能源的制氢的需求,制氢电解槽逐渐向着兆瓦级、十兆瓦级方向发展。
2、目前,成熟的电解水制氢技术包括碱性电解水制氢和质子交换膜电解水制氢(pem)两种;其中,碱性电解水制氢电解槽最大可达到5兆瓦,单槽产氢速率也可达到1000nm3/h(标准立方体积每小时);质子交换膜电解水制氢电解槽(pem电解槽)的单槽输入功率达到兆瓦级,产氢速率确仅在200nm3/h至500nm3/h之间,而想要将pem电解槽的单槽制氢量提高到1000nm3/h,就需要增加电解槽内的单池的数目。
3、现有技术中,通过将数十个乃至数百个单池小室串联,可以增加电解槽的单槽产氢量,电解槽内部设置总的进出水管路,电解反应所需的纯水通过总的进水管路分配到各个电解小室内,各个电解小室产生的气体和未参与反应的纯水在总的出水管路汇合,由总的出水管路将所有气体和水统一排出电解槽。但是,随着串联的小室数的增加,电解槽内的总的出水管路也随之延长,流动阻力也随之增加,当出水总管路延长时,每个电解小室单元的出水阻力也随之增加,造成了每个电解小室内部产生的气体和水的排出困难,每个电解小室单元内的水流量分布不均以及产生的气体无法及时带走,将会造成电解性能的下降以及小室间性能的一致性较差,从而导致电解槽总体性能的下降。此外,pem制氢电解槽具有制氢电流密度大的优势,单位面积上产生的气体量大,气体在水中体积占比高,加剧了出水总管路上流道阻力大的问题,并且相邻小室之间排出的气体会互相影响,进一步地增加了出水管路的流动阻力,而当小室内产生的气体无法及时有效地排走时,就会造成温度分布不均,降低该小室的反应效率,从而影响整个电解槽的电解性能,严重时甚至会降低电解槽使用寿命。
4、专利申请号为cn216427429u的专利要求保护一种水电解槽用注塑成型非金属边框双极板,公开了极板和电解槽结构,该结构也是目前小型pem电解槽的通用结构。但是,该结构仅适用于小型pem电解槽,氧水通道在电解槽内是直通型结构,没有针对性的减阻设计。
5、专利申请号为cn214361733u的专利要求保护一种大型水电解制氢设备的双极板,其采用将进碱通道分散设置在双极板底部和中间偏下的位置,在不改变气体碱液通道面的基础上,减小单个气体碱液通道的面积,增加气体碱液通道的数量,达到了使两块双极板组成的电解小室中碱液分配更加均匀,能及时带走小室各处电解过程中产生的废热,使电解槽内温度更加均匀,同时使电解小室下半部分产生的气体尽快排出,降低小室上半部分气体的浓度,达到了降低碱液电阻,以使电流在电解小室中分布更加均匀的目的。但是,该结构与pem电解槽结构有相似之处,通道仍采用直通型结构,并且没有根据流向在小室间进行减阻设计。
技术实现思路
1、本发明的主要目的在于提供一种双极板及电解槽,以解决现有技术中的由多个单池小室串联而成的大型质子交换膜电解槽内的每个电解小室单元所产生的气体无法顺利排出的问题。
2、为了实现上述目的,根据本发明的一个方面,提供了一种双极板,包括:板体部,板体部的第一侧和第二侧分别设置有第一流通槽和第二流通槽;第一流通孔,第一流通孔贯穿板体部设置,以用于组成电解槽的第一主流通管路,第一流通孔与第一流通槽连接;第一环形扰流结构,第一环形扰流结构设置在第一流通孔的内壁面上,沿靠近第一流通孔的中心线的方向,第一环形扰流结构朝向第一主流通管路的一端设置,第一环形扰流结构与第一流通孔的中心线之间的第一夹角a为锐角。
3、进一步地,第一流通孔的数量为两个,两个第一流通孔间隔设置在第一流通槽的两端且分别与第一流通槽的两端连接,两个第一流通孔分别用于组成两个第一主流通管路;其中,各个第一流通孔内均设置有第一环形扰流结构。
4、进一步地,沿平行于第一流通孔的中心线的第一方向,两个第一流通孔中的一个第一流通孔内的第一环形扰流结构的内径逐渐增大;两个第一流通孔中的另一个第一流通孔内的第一环形扰流结构的内径逐渐减小。
5、进一步地,板体部的第二侧设置有用于安装第一密封条的第一安装槽,第一安装槽的至少部分环绕第一流通孔设置;板体部的第一侧设置有用于安装第二密封条的第二安装槽,第二安装槽的至少部分环绕由第一流通槽和第一流通孔共同组成的第一流通通道设置。
6、进一步地,80度≤a≤89度;和/或第一环形扰流结构的内壁面与第一流通孔的中心线之间的第二夹角为b,其中,0.5度≤b≤5度。
7、进一步地,双极板包括:第二流通孔,第二流通孔贯穿板体部设置,以用于组成电解槽的第二主流通管路,第二流通孔与第二流通槽连接;第二环形扰流结构,第二环形扰流结构设置在第二流通孔的内壁面上,沿平行于第二流通孔的中心线的第一方向,第二环形扰流结构朝向第二主流通管路的一端设置,第二环形扰流结构与第二流通孔的中心线之间的第三夹角c为锐角。
8、进一步地,第二流通孔的数量为两个,两个第二流通孔间隔设置在第二流通槽的两端且分别与第二流通槽的两端连接,两个第二流通孔分别用于组成两个第二主流通管路;其中,各个第二流通孔内均设置有第二环形扰流结构。
9、进一步地,板体部的第二侧设置有用于安装第一密封条的第一安装槽,第一安装槽的至少部分环绕由第二流通槽和第二流通孔共同组成的第二流通通道设置;和/或板体部的第一侧设置有用于安装第二密封条的第二安装槽,第二安装槽的至少部分环绕第二流通孔设置。
10、进一步地,沿平行于第二流通孔的中心线的第一方向,第二环形扰流结构的内径逐渐增大;和/或80度≤c≤89度;和/或第二环形扰流结构的内壁面与第二流通孔的中心线之间的第四夹角为d,其中,0.5度≤d≤5度。
11、进一步地,板体部的厚度为h,其中,1mm≤h≤5mm。
12、进一步地,双极板的制作材料包括钛。
13、根据本发明的另一个方面,提供了一种电解槽,包括:多个双极板,多个双极板沿第一方向依次间隔设置,以组成多个间隔,各个双极板均为上述的双极板,各个双极板上的第一流通孔均用于组成第一主流通管路;多个膜电极,多个膜电极一一对应地设置在多个间隔内,各个膜电极上均设置有用于组成第一主流通管路的第一避让孔;多个阳极垫框,多个阳极垫框与多个膜电极一一对应地设置,各个阳极垫框均夹设在膜电极的第一侧和相应的双极板的第二侧之间,各个阳极垫框上均设置有用于组成第一主流通管路的第二避让孔,各个阳极垫框上均设置有用于连通双极板的第二侧和膜电极的第一侧之间的第一通孔;多个阴极垫框,多个阴极垫框与多个膜电极一一对应地设置,各个阴极垫框均夹设在膜电极的第二侧和相应的双极板的第一侧之间,各个阴极垫框上均设置有用于组成第一主流通管路的第三避让孔,各个阴极垫框上均设置有用于连通双极板的第一侧和膜电极的第二侧之间的第二通孔。
14、进一步地,各个膜电极的厚度均小于任意一个板体部的厚度;和/或各个膜电极的厚度均小于任意一个阳极垫框的厚度;和/或各个膜电极的厚度均小于任意一个阴极垫框的厚度;和/或预定方向为水平方向或竖直方向。
15、进一步地,电解槽包括:多个第一密封条,多个第一密封条与多个双极板一一对应地设置,各个第一密封条均安装在相应的双极板的第二侧的第一安装槽中,各个第一密封条的远离相应的第一安装槽的底面的一侧均和相应的阳极垫框接触;和/或多个第二密封条,多个第二密封条与多个双极板一一对应地设置,各个第二密封条均安装在相应的双极板的第一侧的第二安装槽中,各个第二密封条的远离相应的第二安装槽的底面的一侧均和相应的阴极垫框接触。
16、进一步地,第一主流通管路的一端封闭,第一主流通管路的另一端打开,其中,第一主流通管路的打开端为出口时,在任意两个双极板中,靠近第一主流通管路的出口的双极板上的第一流通孔的最小内径大于远离第一主流通管路的出口的双极板上的第一流通孔的最大内径;在任意两个双极板中,靠近第一主流通管路的出口的双极板上的第一环形扰流结构的最小内径大于远离第一主流通管路的出口的双极板上的第一环形扰流结构的最大内径。
17、应用本发明的技术方案,本发明的双极板包括:板体部,板体部的第一侧和第二侧分别设置有第一流通槽和第二流通槽;第一流通孔,第一流通孔贯穿板体部设置,以用于组成电解槽的第一主流通管路,第一流通孔与第一流通槽连接;第一环形扰流结构,第一环形扰流结构设置在第一流通孔的内壁面上,沿靠近第一流通孔的中心线的方向,第一环形扰流结构朝向第一主流通管路的一端设置,第一环形扰流结构与第一流通孔的中心线之间的第一夹角a为锐角。这样,本发明的双极板通过在第一流通孔内设置第一环形扰流结构,以当双极板在安装在电解槽中时,第一环形扰流结构朝向第一主流通管路中的流体流动方向设置,以增加局部涡流,以实现破除边界层以减小流动阻力的目的,调整了所组成的电解槽尤其是大型的pem制氢电解槽内的每个电解小室内的气体和水的排出方向,保证了每个电解小室内的气体和水的及时排出,提高了每个电解小室的进水流量的均匀性,提高了温度分布和电流密度分布的均匀性,有效地提高各个小室的电解性能的一致性,解决了现有技术中的由多个单池小室串联而成的大型质子交换膜电解槽内的每个电解小室单元所产生的气体无法顺利排出。
1.一种双极板,其特征在于,包括:
2.根据权利要求1所述的双极板,其特征在于,所述第一流通孔(30)的数量为两个,两个所述第一流通孔(30)间隔设置在所述第一流通槽(21)的两端且分别与所述第一流通槽(21)的两端连接,两个所述第一流通孔(30)分别用于组成两个所述第一主流通管路(400);其中,各个所述第一流通孔(30)内均设置有所述第一环形扰流结构(40)。
3.根据权利要求2所述的双极板,其特征在于,沿平行于所述第一流通孔(30)的中心线的第一方向,
4.根据权利要求1所述的双极板,其特征在于,
5.根据权利要求1所述的双极板,其特征在于,
6.根据权利要求1所述的双极板,其特征在于,所述双极板包括:
7.根据权利要求6所述的双极板,其特征在于,所述第二流通孔(50)的数量为两个,两个所述第二流通孔(50)间隔设置在所述第二流通槽(22)的两端且分别与所述第二流通槽(22)的两端连接,两个所述第二流通孔(50)分别用于组成两个所述第二主流通管路(500);其中,各个所述第二流通孔(50)内均设置有所述第二环形扰流结构(60)。
8.根据权利要求6所述的双极板,其特征在于,
9.根据权利要求6所述的双极板,其特征在于,
10.根据权利要求1至9中任一项所述的双极板,其特征在于,所述板体部(10)的厚度为h,其中,1mm≤h≤5mm。
11.根据权利要求1至9中任一项所述的双极板,其特征在于,所述双极板的制作材料包括钛。
12.一种电解槽,其特征在于,包括:
13.根据权利要求12所述的电解槽,其特征在于,
14.根据权利要求12所述的电解槽,其特征在于,所述电解槽包括:
15.根据权利要求12所述的电解槽,其特征在于,所述第一主流通管路(400)的一端封闭,所述第一主流通管路(400)的另一端打开,其中,