一种PEM水电解槽用流道密封导流框的制作方法

一种pem水电解槽用流道密封导流框
技术领域
1.本发明属于水电解制氢技术领域，具体是一种pem水电解槽用流道密封导流框。


背景技术：

2.氢气是最有前途的清洁和可持续能源之一。在众多制氢方法中，pem(proton exchange membrane，质子交换膜)电解水被认为是利用可再生能源高效生产高纯氢气的最有前途的技术，并且只排放氧气作为副产品，没有任何碳排放。
3.目前，现有的pem水电解槽的导流结构框在开设导流槽时，其原有结构会被损坏，大大降低了其刚性强度。大功率电解槽与普通电解槽相比，其导流框需要更好的承压能力、密封性以及导流能力，从而提高电解槽性能。
4.因此，本发明提供了一种pem水电解槽用流道密封导流框，以解决上述背景技术中提出的问题。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种pem水电解槽用流道密封导流框，以解决上述背景技术中提出的问题和缺陷的至少一个方面。
6.根据本发明的一个方面，提供一种pem水电解槽用流道密封导流框，包括：阳极密封导流框和阴极密封导流框；所述阳极密封导流框的上框体交替设有多个第一过氢口和进水口，所述阳极密封导流框的下框体交替设有多个出水出氧口和第二过氢口；所述阴极密封导流框的上框体交替设有多个第一出氢口和过水口，所述阴极密封导流框的下框体交替设有多个过氧口和第二出氢口；
7.所述进水口、出水出氧口和第一出氢口处均开设有多个截面为u形的导流槽，位于中部的导流槽等距分布、位于边缘处的导流槽呈伞状分布，所述导流槽与阳极密封导流框的框体之间等距设有多个支撑体，所述导流槽与阴极密封导流框的框体之间等距设有多个支撑体。
8.根据本发明的另一个实例性的实施例，所述进水口和第二过氢口相对布置，第一过氢口和出水出氧口相对布置，第一出氢口与过氧口相对布置，过水口与第二出氢口相对布置。
9.根据本发明的另一个实例性的实施例，所述阳极密封导流框和阴极密封导流框为两个尺寸大小相同的矩形框体，矩形框体的边角处均设有圆弧倒角。
10.根据本发明的另一个实例性的实施例，所述阳极密封导流框的上框体外边缘设有第一密封水线槽和第二密封水线槽，所述阴极密封导流框的上框体外边缘设有第一密封水线槽和第二密封水线槽，所述阳极密封导流框的下框体内外边缘均设有多道第三密封水线槽，所述阴极密封导流框的下框体内外边缘均设有多道第三密封水线槽。
11.根据本发明的另一个实例性的实施例，所述阳极密封导流框和阴极密封导流框均为ppsu材质(聚亚苯基砜树脂)，所述阳极密封导流框的中部为空心结构且边角处均设有圆
弧倒角，所述阴极密封导流框的中部为空心结构且边角处均设有圆弧倒角，圆弧倒角的直径尺寸应在1～3mm之间。
12.根据本发明的另一个实例性的实施例，所述阳极密封导流框和阴极密封导流框贴合设置，所述阳极密封导流框和阴极密封导流框之间设有膜电极，膜电极与阳极密封导流框之间设有垫片，膜电极与阴极密封导流框之间设有垫片。
13.根据本发明的另一个实例性的实施例，所述进水口、第一过氢口、第二过氢口、出水出氧口、第一出氢口、第二出氢口、过氧口以及过水口均具有多个孔洞结构。
14.根据本发明的另一个实例性的实施例，所述导流槽和支撑体的弯角处均设有弧形过渡结构。
15.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
16.1、第一过氢口和进水口、出水出氧口和第二过氢口、第一出氢口和过水口、过氧口和第二出氢口均交错设置，并且在导流槽处设置支撑体，可以承受更大的压力，使其结构更加稳定，减少了对膜电极的作用力，提高了电解槽的安全稳定性。
17.2、通过将多个导流槽设置为中间等距分布、边缘呈伞状分布的流道，降低了水流速度，减少了冲击力，同时能够让水均匀地布满整个工作区间，使得出氢出氧畅通集中。
18.3、截面为u形的导流槽与传统矩形导流槽相比，截面为u形的导流槽底部的圆弧结构，能够减小导流槽底面的粘性阻力，利于引流。
附图说明
19.为了便于本领域技术人员理解，下面结合附图对本发明作进一步的说明。
20.图1为阳极导流结构框的俯视图；
21.图2为阴极导流结构框的仰视图；
22.图3为阳极导流结构框的仰视图；
23.图4为阴极导流结构框的俯视图；
24.图5为导流槽放大示意图；
25.图6为u型导流槽放大截面示意图；
26.图7为u型导流槽和传统导流槽沿流动方向压力变化图；
27.图8为pem水电解槽的结构示意图。
28.图中：1、阳极密封导流框；2、阴极密封导流框；3、第一密封水线槽；4、第二密封水线槽；5、第四密封水线槽；6、导流槽；7、支撑体；8、第三密封水线槽；9、圆弧倒角；11、进水口；12、第一过氢口；13、第二过氢口；14、出水出氧口；21、第一出氢口；22、过水口；23、过氧口；24、第二出氢口；100、电解槽本体；200、密封导流框；300、散热端板。
具体实施方式
29.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。在说明书中，相同或相似的附图标号指示相同或相似的部件。下述参照附图对本发明实施方式的说明旨在对本发明的总体发明构思进行解释，而不应当理解为对本发明的一种pem水电解槽用流道密封导流框限制。
30.另外，在下面的详细描述中，为便于解释，阐述了许多具体的细节以提供对本披露
实施例的全面理解。然而明显地，一个或多个实施例在没有这些具体细节的情况下也可以被实施。在其他情况下，公知的结构和装置以图示的方式体现以简化附图。
31.如图8所示，本发明涉及的一种pem水电解槽，其包括电解槽本体100，电解槽本体100两端均设有密封导流框200，密封导流框200远离电解槽本体100的一面安装有散热端板300。
32.根据本发明的一个总体技术构思，如图1-4所示，根据本发明的一个方面，提供一种pem水电解槽用流道密封导流框，包括阳极密封导流框1和阴极密封导流框2；
33.其中，阳极密封导流框1的上框体交替设有多个第一过氢口12和进水口11，阳极密封导流框1的下框体交替设有多个出水出氧口14和第二过氢口13；阴极密封导流框2的上框体交替设有多个第一出氢口21和过水口22，阴极密封导流框2的下框体交替设有多个过氧口23和第二出氢口24；
34.通过将第一过氢口12和进水口11、出水出氧口14和第二过氢口13、第一出氢口21和过水口22、过氧口23和第二出氢口24均交错设置，将阳极密封导流框1和阴极密封导流框2均为分多个等距区间，使其受力均匀，提高了稳定性。
35.如图6所示，进水口11、出水出氧口14和第一出氢口21处均开设有多个截面为u形的导流槽6，截面为u形的导流槽6与传统矩形的导流槽6相比，其底部的圆弧结构，能够减小导流槽6底面的粘性阻力，利于引流。
36.位于中部的导流槽6等距分布、位于边缘处的导流槽6呈伞状分布，能够有效降低水流速度，减小冲击力，同时能够让水均匀地布满整个工作区间，使得出氢出氧畅通集中。
37.在导流槽6与阳极密封导流框1的框体之间以及导流槽6与阴极密封导流框2的的框体之间等距设置多个支撑体7，使得阳极密封导流框1和阴极密封导流框2的框体结构更加稳定，提高了安全性能。
38.进一步地，进水口11和第二过氢口13相对布置，第一过氢口12和出水出氧口14相对布置，第一出氢口21与过氧口23相对布置，过水口22与第二出氢口24相对布置，将导流框分为多个单一串联的小腔室，并且相对布置的设计可保证水路气路畅通。
39.如图3-4所示，阳极密封导流框1和阴极密封导流框2为两个尺寸大小相同的矩形框体，矩形框体的边角处均设有圆弧倒角9，圆弧倒角9的直径尺寸应在1～3mm之间。
40.如图5所示，在阳极密封导流框1的上框体外边缘设有第一密封水线槽3和第二密封水线槽4，在阴极密封导流框2的上框体外边缘相对应地设有第一密封水线槽3和第二密封水线槽4，用以在两者贴合时，实现整体结构的密封；
41.在进水口11、出水出氧口14和第一出氢口21外边缘开有第四密封水线槽5，保证进水口11和第一出氢口21的密封。在阳极密封导流框1的下框体内外边缘设置多道第三密封水线槽8，在阴极密封导流框2的下框体内外边缘相对应地设置多道第三密封水线槽8，保证密封导流框与端板之间的密封性。
42.具体地，阳极密封导流框1和阴极密封导流框2均为ppsu(聚亚苯基砜树脂)材质，阳极密封导流框1的中部为空心结构且边角处均设有圆弧倒角9，阴极密封导流框2的中部为空心结构且边角处均设有圆弧倒角9，用以放置多孔钛和扩散层，提高电解效率。
43.将阳极密封导流框1和阴极密封导流框2的上框体贴合设置，在阳极密封导流框1和阴极密封导流框2上框体上铺设垫片，两块垫片之间设置膜电极。
44.使用时，水泵供水到阳极密封导流框1，从进水口11进入阳极密封导流框1内，水在阳极被分解成氧气(o2)、质子(h
+
)和电子(e-)，氧气和水从出水出氧口14离开；质子通过膜电极进入阴极，两个质子和电子在阴极重新结合产生氢气(h2)，氢气从第一出氢口21和第二出氢口24离开。
45.进水口11、第一过氢口12、第二过氢口13、出水出氧口14、第一出氢口21、第二出氢口24、过氧口23以及过水口22均具有多个孔洞结构，形成多孔多道结构，确保气路和水路畅通。
46.导流槽6和支撑体7的弯角处均设有弧形过渡结构，使得进口平顺，平顺的进口的局部损失系数远远小于突变的进口，以减少阻力，防止流体与壁面的分离，避免漩涡的产生，能够节约资源，减少材料消耗。
47.选择本发明的pem水电解槽用流道密封导流框与传统的矩形结构密封导流框进行对比(尺寸参数见表1)，保持水与氢气的质量流量不变，采用cfd软件对流道内水与氢气的流动进行了数值分析，比较了两者的流场强度(压力变化见表2)。
48.表1密封导流框结构尺寸参数表
[0049][0050]
表2不同横截面形状的导流槽沿流动方向压力变化
[0051][0052]
如表1、表2以及图7所示，相同边界条件下，当采用截面为u形的导流槽6时，流场的压降对于大活性面积的电解槽来说，其压降大小合适，满足工作要求。一方面，截面为u形的导流槽6相比截面为矩形的导流槽6来说，截面为u形的导流槽6截面面积较小，流体流速较
大，其压降要大，有利于气体排出，较大的压降有利于提高电解槽的性能；另一方面截面为u形的导流槽6其底部的圆弧设计，减小了通道底面的粘性阻力，利于引流使得出氢出氧畅通集中；再者，使用u形截面，增加了脊的面积，因而使得导流槽6的稳定性和电解槽的结构强度提高。
[0053]
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。