一种用于电化学能源转换装置的叶片式径向螺旋流场

1.本发明属于电化学技术领域，具体涉及一种用于燃料电池、液流电池及电解槽等电化学能源转换装置的叶片式径向螺旋流场。


背景技术：

2.随着全球经济的快速发展，人类正面临着资源枯竭、环境污染与气候变暖等难题，各国均提出了一系列措施以应对此问题。我国于2020年9月首次提出了“3060”计划，争取早日实现碳中和与碳达峰，因此，在节能减排的同时，开发绿色高效的新能源技术迫在眉睫。燃料电池作为一种可直接将化学能转化为电能的便携式设备，近些年来得到了广泛的研究。
3.除了氢氧燃料电池以外，以硼氢化钠、甲醇和乙醇等作为燃料的直接液体燃料电池也备受关注，其具有高能量密度、结构设计简单等一系列优势。传统的直接液体燃料电池通常以氧气作为阴极氧化剂，而过氧化氢已被证明能够显著提高电池理论电压与电池性能，不足之处在于过氧化氢在催化剂以及受热的作用下易分解产生大量氧气，导致阴极流场产生严重的气液两相流现象，使得电流密度和压力分布不均匀。同理，当阳极采用硼氢化钠作燃料时会水解制氢，也产生类似的气液两相流，气体覆盖活性位点，从而影响电化学反应的进行。
4.现有技术通常从电极属性与流场结构两方面对电池进行改进。在流场设计方面，传统的蛇形流场、叉指流场、平行流场以及新型仿生流场结构等各有优缺点，平行流场中各通道流速分布不均、压差较小，会导致较差的流动性；蛇形流场在流动过程中会在弯道处产生气液堆积，并且具有较高的压降。由此可见，现有的流场结构在减缓气液两相流带来的负面影响以及保证反应物浓度分布均匀性等方面具有一定的局限性。
5.除了燃料电池以外，电解槽也涉及气液两相流动的均匀性问题，而目前暂没有针对此类问题的相关流场结构设计。因此有必要开发新型的流场结构，在解决该问题的同时，能够增强流场内的传质过程，因而也适用于液流电池领域。


技术实现要素：

6.针对上述现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种能够有效缩短流动路径、增强流动传质过程、提高流场内流速分布均匀性、实现反应物浓度与电流密度均匀分布的叶片式径向螺旋流场。
7.为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：包括内壁设置有环形通道的圆柱状壳体，在圆柱状壳体的上下端分别设置有与环形通道相连通的气体产物出口和液体产物出口，在圆柱状壳体的顶部中心位置设置有与环形通道相连通的反应物入口，且在反应物入口的周围安装有若干叶片，相邻叶片之间形成反应物入口与环形通道相连通的反应物通道。
8.所述的叶片的叶型型面为柱状或自由曲面，外型截面由叶型前缘、叶背、叶盆和叶
型后缘四条曲线构成，其中叶背和叶盆的曲线选用二次曲线或贝塞尔曲线，叶型前缘和叶型后缘为凸起的圆弧状结构。
9.所述的叶片在反应物入口的周围按圆形流场呈螺旋排布形成螺旋流场结构，其排布方式为顺时针排布、逆时针排布或者交替排布，产物出口与反应物通道呈有利于流道内反应产物与生成的气体沿流线排出的平行排布。
10.所述的相邻两个叶片间距由小变大后再变小，从入口至流道内横截面积由a1逐渐增大至a2时流速逐渐减小，随着流动横截面积减小至a3后，流速增大且将产物排出至环形通道。
11.所述的相邻叶片肋流道之间流体的流动截面积a(m2)、流速v(m/s)与流量q(ml/min)满足下式：
12.q＝v
×a13.所述的相邻叶片之间流体视为不可压缩流体，密度ρ为常数，从截面a1流至截面a2时，在截面a1处的流速为v1(m
·
s-1
)、压力为p1(pa)，高度为z1(m),重力加速度为g(m
·
s-2
),在截面a2处的流速为v2(m
·
s-1
)、压力为p2(pa)，高度为z2(m)，两个截面的压差记为δp(pa)，渐缩及渐扩的流动截面积满足伯努利方程：
[0014][0015][0016]
所述的螺旋流场结构进出口压差与出口动压之比为流动阻力系数ξ，p
in
和v
in
为入口压力和速度，p
out
和v
out
为出口压力和速度，其满足关系式：
[0017][0018]
本发明的反应物入口位于圆形流场中心位置，反应物从入口流入后，沿径向螺旋状流出，汇聚在环形通道，在离心力作用和重力的作用下，液相反应物从下方出口流出，气相产物从上方出口流出；外型截面内内切圆的轨迹线为叶型中线，该中线的前后端点是前缘点和后缘点，两点间距离为弦长a，前后缘点切线的夹角为弯曲角ω，前后缘半径分别为r1和r2。在设计流场不同的开孔率时，可调整以上参数，以确定所需的叶型截面面积。每个叶片叶背切线与流场圆心所形成的夹角可进行调节，以改变流道的弯曲程度。
[0019]
进一步的，叶片可在相邻流道间形成一定的压差而增强传质过程，其表面流线光滑有利于减小流动阻力，并且在叶片前缘的凸起位置能够实现气泡的分散，并使其流入环形通道，叶片叶型叶背处为吸力面，沿其表面气流压力较低，而叶盆处为压力面，其表面一侧流体压力较高，可在相邻流道间形成一定的压差而增强传质过程；
[0020]
由以上技术方案可见，本发明具有以下优点：
[0021]
1、流场为中心对称的径向螺旋结构，入口位置位于流场中心，缩短了反应物流动路径，保证了反应物浓度分布以及温度分布均匀性，有效减小了入口与出口之间的温差，可提升装置的运行效率；
[0022]
2、沿着反应物流动方向，流道间距也从入口处向出口处先增大后减小，能够避免气体堵塞，提高出口处流速以促进气体的快速排出，并且有效减小了出入口压降；
[0023]
3、流场采用叶片的形状作为肋，该叶型截面的设计能够减小流动阻力，叶片前后缘的凸起能够增强扰流与传质过程，并且在流道出口处分散气泡，有效提高电流密度分布的均匀性；
[0024]
4、叶型叶背处为吸力面，沿其表面气流压力较低，而叶盆处为压力面，其表面一侧流体压力较高，可在相邻流道间形成一定的压差而增强传质过程。
附图说明
[0025]
图1是本发明的流场结构示意图；
[0026]
图2为图1的剖视图；
[0027]
图3是本发明的相邻叶片状肋间的流道示意图；
[0028]
图4是本发明中叶片截面的示意图；
[0029]
图5是本发明实施例的燃料电池结构示意图；
[0030]
图6是本发明在液流电池中的应用示意图；
[0031]
图7是本发明在电解槽中的应用示意图。
[0032]
图中：1-反应物入口；2-气体产物出口；3-液体产物出口；4-叶片状肋；5-环形通道；6-叶型前缘；7-叶背；8-叶盆；9-叶型后缘；10-叶型中线；11-阳极流场；12-阳极扩散层；13-阳极微孔层；14-阳极催化层；15-离子交换膜；16-阴极催化层；17-阴极微孔层；18-阴极扩散层；19-阴极流场；20-正极流场；21-正极集流板；22-正极多孔电极；23-负极多孔电极；24-负极集流板；25-负极流场；26-阳极扩散层；27-阳极催化层；28-质子交换膜；29-阴极催化层；30-阴极扩散层；31-壳体。
具体实施方式
[0033]
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。
[0034]
参见图1-4，本发明包括内壁设置有环形通道5的圆柱状壳体31，且在圆柱状壳体31的上下端分别设置有与环形通道5相连通的气体产物出口2和液体产物出口3，在圆柱状壳体31的顶部中心位置设置有与环形通道5相连通的反应物入口1，且在反应物入口1的周围安装有若干叶片4，相邻叶片4之间形成反应物入口1与环形通道5相连通的反应物通道；所述的叶片4的叶型型面为柱状或自由曲面，外型截面由叶型前缘6、叶背7、叶盆8和叶型后缘9四条曲线构成，其中叶背7和叶盆8的曲线选用二次曲线或贝塞尔曲线，前缘6和后缘9为圆弧状结构，且叶型前缘6为凸起的圆弧结构；外型截面内内切圆的轨迹线为叶型中线，该中线的前后端点是前缘点和后缘点，两点间距离为弦长a，前后缘点切线的夹角为弯曲角ω，前后缘半径分别为r1和r2。在设计流场不同的开孔率时，可调整以上参数，以确定所需的叶型截面面积。每个叶片叶背切线与流场圆心所形成的夹角可进行调节，以改变流道的弯曲程度。叶片肋形状可在相邻流道间形成一定的压差而增强传质过程，其表面流线光滑有利于减小流动阻力，并且在叶片前缘6的凸起位置能够实现气泡的分散，并使其流入环形通道5，所述的叶片4在反应物入口1的周围按圆形流场呈螺旋排布形成螺旋流场结构，其排布方式为顺时针排布、逆时针排布或者交替排布，产物出口与反应物通道呈有利于流道内反
应产物与生成的气体沿流线排出的平行排布，相邻两个叶片4间距由小变大后再变小，从入口至流道内横截面积由a1逐渐增大至a2时流速逐渐减小，随着流动横截面积减小至a3后，流速增大且将产物排出至环形通道5，相邻叶片4肋流道之间流体的流动截面积a(m2)、流速v(m/s)与流量q(ml/min)满足下式：
[0035]
q＝v
×a[0036]
所述的相邻叶片4之间流体视为不可压缩流体，密度ρ为常数，从截面a1流至截面a2时，在截面a1处的流速为v1(m
·
s-1
)、压力为p1(pa)，高度为z1(m),重力加速度为g(m
·
s-2
),在截面a2处的流速为v2(m
·
s-1
)、压力为p2(pa)，高度为z2(m)，两个截面的压差记为δp(pa)，渐缩及渐扩的流动截面积满足伯努利方程：
[0037][0038][0039]
所述的螺旋流场结构进出口压差与出口动压之比为流动阻力系数ξ，p
in
和v
in
为入口压力和速度，p
out
和v
out
为出口压力和速度，其满足关系式：
[0040][0041]
参见图5，本发明的具体实施例燃料电池装置，包括阳极流场11、反应物入口(阳极燃料入口)1、气体产物出口(阳极产物出口)2、液体产物出口(阳极产物出口)3、阳极扩散层12、阳极微孔层13、阳极催化层14、离子交换膜15、阴极催化层16、阴极微孔层17、阴极扩散层18、阴极流场19。
[0042]
参见图6，本发明的具体实施例液流电池装置，包括正极流场20、反应物入口(正极电解液入口)1、气体产物出口(正极产物出口)2、液体产物出口(正极产物出口)3、正极集流板21、正极多孔电极22、负极多孔电极23、负极集流板24、负极流场25。
[0043]
参见图7，本发明的具体实施例质子交换膜水电解槽装置，包括阳极流场11、阴极流场19、阳极扩散层26、阳极催化层27、质子交换膜28、阴极催化层29、阴极扩散层30。
[0044]
所述的反应物入口位于圆形流场中心位置，反应物从入口流入后，沿径向螺旋状流出，汇聚在环形通道，在离心力作用和重力的作用下，液相反应物从下方出口流出，气相产物从上方出口流出；
[0045]
实施例1
[0046]
如图5所示，本发明的新型流场结构在燃料电池中的工作步骤如下：
[0047]
步骤s100:燃料泵入流道。以过氧化氢作为阴极氧化剂的燃料电池为例，阳极燃料从反应物入口1以主动或被动的方式流入流场，阴极氧化剂由反应物入口1进入流道，向电极传质的过程中发生分解反应产生大量氧气，将导致气液两相流且流道内体积流量增大，在离心力和重力作用下，液体主要由液体产物出口3排出，气体主要由气体产物出口2排出。
[0048]
步骤s200:电化学反应。阳极燃料通过阳极扩散层12与阳极微孔层13扩散渗透至阳极催化层14发生氧化反应并失电子，电子通过外电路到达阴极侧，阴极氧化剂通过阴极
扩散层18和阴极微孔层17扩散渗透至阴极催化层16得电子发生还原反应。由此实现了一次放电过程。
[0049]
步骤s300:产物排出过程。随着放电过程的进行，阳极反应产物由阳极产物出口2和3排出，阴极反应产物以及大量气体通过阴极产物出口2和3排出。
[0050]
实施例2
[0051]
如图6所示，本发明的新型流场结构在液流电池中的应用步骤如下：
[0052]
步骤s100:电解液流入过程。正极电解液在泵的作用下通过反应物(正极电解液)入口1进入液流电池正极，通过对流与扩散被均匀分配至正极多孔电极22，同样地，负极电解液通过负极电解液入口泵送至负极电极23。对于液流电池而言，多孔电极中的传质过程至关重要，该流场中叶型的叶背处为吸力面，沿其表面气流压力较低，而叶盆处为压力面，其表面一侧流体压力较高，可在相邻流道间形成一定的压差而增强传质过程。
[0053]
步骤s200:电池充放电反应。充电过程中，正极多孔电极19表面的正极电解液发生氧化反应并失电子，正极的电子通过正极集流板18与外电路传导至负极集流板21，并到达负极多孔电极20表面，而负极多孔电极20表面的负极电解液得电子后发生还原反应；放电过程中，电子得失方向相反，负极电解液在负极多孔电极20表面失电子进行氧化反应，而正极电解液在正极多孔电极19表面得电子发生还原反应。
[0054]
步骤s300:电解液排出过程。电解液在电极表面充分反应后，流经靠近出口的排出区时浓度较低，此处单支通路较小的截面积有利于反应产物的快速排出，同时，从入口到出口处较短的流动路径有利于减小流动阻力与出入口压降，提高电解液流动均匀性与电池稳定性。
[0055]
实施例3
[0056]
如图7所示，本发明的新型流场结构在质子交换膜水电解槽中的应用方式如下：
[0057]
电解槽工作时，电解液从入口1进入流道，在多孔介质中毛细压力的作用下，电解液从阳极扩散层26渗透至阳极催化层27表面，对电解槽施加电源后，液态水在阳极电极表面析出氧气、氢离子，并释放电子，电子通过外电路转移至阴极电极30，氢离子通过质子交换膜28扩散至阴极催化层29并与电子结合生成氢气。对于电解槽而言，较短的流动路径能够保证电解液生成的氢气和氧气以较快速度排出流道，防止流道内气流堵塞覆盖活性位点；单个流动通道内变化的流动截面积有利于减小出入口压降，提高温度分布的均匀性，出口处叶肋的后缘的凸起部分有利于分散气泡，减少气流堵塞问题。
[0058]
本发明相对于现有技术，流场为中心对称的径向螺旋结构，入口位置位于流场中心，缩短了反应物流动路径，保证了反应物分布以及温度分布均匀性，有效减小了流道入口与出口之间的温差，可提升电解槽运行效率；沿着反应物流动方向，流道间距也从入口处向出口处先增大后减小，能够避免气体堵塞，提高出口处流速以促进气体的快速排出，并且有效减小了出入口压降；流场采用叶片的形状作为肋，该叶型截面的设计能够减小流动阻力，叶片前后缘的凸角形状能够增强扰流与传质过程，并且在流道出口处分散气泡，有效提高电流密度分布的均匀性。

技术特征：
1.一种用于电化学能源转换装置的叶片式径向螺旋流场，其特征在于：包括内壁设置有环形通道(5)的圆柱状壳体(31)，且在圆柱状壳体(31)的上下端分别设置有与环形通道(5)相连通的气体产物出口(2)和液体产物出口(3)，在圆柱状壳体(31)的顶部中心位置设置有与环形通道(5)相连通的反应物入口(1)，且在反应物入口(1)的周围安装有若干叶片(4)，相邻叶片(4)之间形成反应物入口(1)与环形通道(5)相连通的反应物通道。2.根据权利要求1所述的用于电化学能源转换装置的叶片式径向螺旋流场，其特征在于：所述的叶片(4)的叶型型面为柱状或自由曲面，外型截面由叶型前缘(6)、叶背(7)、叶盆(8)和叶型后缘(9)四条曲线构成，其中叶背(7)和叶盆(8)的曲线选用二次曲线或贝塞尔曲线，前缘(6)和后缘(9)为圆弧状结构。3.根据权利要求2所述的用于电化学能源转换装置的叶片式径向螺旋流场，其特征在于：所述的且叶型前缘(6)为凸起的圆弧结构。4.根据权利要求1所述的用于电化学能源转换装置的叶片式径向螺旋流场，其特征在于：所述的叶片(4)在反应物入口(1)的周围按圆形流场呈螺旋排布形成螺旋流场结构，其排布方式为顺时针排布、逆时针排布或者交替排布，产物出口与反应物通道呈有利于流道内反应产物与生成的气体沿流线排出的平行排布。5.根据权利要求1所述的用于电化学能源转换装置的叶片式径向螺旋流场，其特征在于：所述的相邻两个叶片(4)间距由小变大后再变小，从入口至流道内横截面积由a1逐渐增大至a2时流速逐渐减小，随着流动横截面积减小至a3后，流速增大且将产物排出至环形通道(5)。6.根据权利要求5所述的用于电化学能源转换装置的叶片式径向螺旋流场，其特征在于：所述的相邻叶片(4)肋流道之间流体的流动截面积a(m2)、流速v(m/s)与流量q(ml/min)满足下式：q＝v
×
a所述的相邻叶片(4)之间流体视为不可压缩流体，密度ρ为常数，从截面a1流至截面a2时，在截面a1处的流速为v1(m
·
s-1
)、压力为p1(pa)，高度为z1(m),重力加速度为g(m
·
s-2
),在截面a2处的流速为v2(m
·
s-1
)、压力为p2(pa)，高度为z2(m)，两个截面的压差记为δp(pa)，渐缩及渐扩的流动截面积满足伯努利方程：(pa)，渐缩及渐扩的流动截面积满足伯努利方程：所述的螺旋流场结构进出口压差与出口动压之比为流动阻力系数ξ，p
in
和v
in
为入口压力和速度，p
out
和v
out
为出口压力和速度，其满足关系式：

技术总结
一种用于电化学能源转换装置的叶片式径向螺旋流场，该流场为中心对称的径向螺旋结构，入口位置位于流场中心，缩短了反应物流动路径，保证了其浓度分布以及流场温度分布的均匀性，有效减小了反应物入口与产物出口之间的温差，可提升能源转换效率；沿着反应物流动方向，流道间距也从入口处向出口处先增大后减小，能够避免气体堵塞，提高出口处流速以促进气体的快速排出，并且有效减小了出入口压降；流场采用叶状肋，该叶型截面的设计能够减小流动阻力，同时，叶背处为吸力面，沿其表面气流压力较低，而叶盆处为压力面，其表面一侧流体压力较高，可在相邻流道间形成一定的压差而增强传质过程。传质过程。传质过程。


技术研发人员：李印实 周雪 王睿
受保护的技术使用者：西安交通大学
技术研发日：2023.05.15
技术公布日：2023/8/6