CN102593482B - 集流板及含有其的液流电池和液流电池堆 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种集流板及含有其的液流电池和液流电池堆。其中，该集流板上设置有电解液流道(21)，电解液流道(21)的横截面积沿电解液流动方向变化。本发明所提供的集流板，其上的电解液流道在电解液经过时形成具有不同压强的电解液流场，与电解液流场对应的多孔电极内部不同位置处也具有不同的压强，有效改善了多孔电极内部电解液的传输状况，增加电极反应的均匀性，减小液体泵能量消耗，有效提高全钒液流电池系统的效率，延长电池的使用寿命，而且，制作工艺简单，容易实现。

Description

集流板及含有其的液流电池和液流电池堆
技术领域
本发明涉及全钒氧化还原液流储能电池领域，尤其涉及一种集流板及含有其的液流电池和液流电池堆。
背景技术
全钒氧化还原液流电池是氧化还原液流电池的一种，具有使用寿命长，能量转化效率高，安全性好，环境友好等优点，能用于风能发电和光伏发电配套的大规模储能系统，是电网削峰填谷、平衡负载的主要选择之一。
全钒氧化还原液流电池分别以不同价态的钒离子V2+/V3+和V4+/V5+作为电池的正负两极氧化还原电对，将正负极电解液分别存储于两个储液罐中，由耐酸液体泵驱动活性电解液至反应场所(电池堆)再回至储液罐中形成循环液流回路，以实现充放电过程。在整个全钒氧化还原液流电池储能系统中，电池堆性能的好坏决定着整个系统的充放电性能，尤其是充放电功率及效率。电池堆是由多片单电池依次叠放压紧，串联而成。其中，单片电池的组成如图1所示。1为液流框，2为集流板，3为电极，4为隔膜，图1中各组件组成单体电池5，通过N个单体电池5的堆叠组成电池堆6。
目前，用于全钒氧化还原液流电池的集流板主要有金属集流板、导电塑料集流板及高密度石墨板等，其与石墨毡电极集成一体化的过程中，一种较为常见的方法是采用集流板平板与电极直接热压结合的方式。这种平板集流板用于全钒氧化还原液流电池时，会出现以下主要问题：电解液在经过电极的过程中，只能靠石墨毡的自身渗透能力，液流阻力大从而增加液体泵的消耗；由于平板集流板对于液流没有导向作用，电解液在流通过程中存在内部流动不均匀，甚至液流没有流过的死角位置，从而导致严重极化现象以及各单电池间电压的不均匀性，降低电极和隔膜的使用寿命及效率。
为了解决上述问题，现有技术中通常采用在集流板上进行了流道设计，采用流道对电解液实现导流作用，提高了电解液通过电池组的速率。但是现有技术的流道设计使得电解液在多孔电极中的对流深度短，造成电极内部出现浓差极化。另外，大部分电解液未能进入电极中进行反应即流出电池，电解液利用率仅占输送总量的很小一部分，影响了钒电池系统的效率。
发明内容
本发明旨在提供一种集流板及含有其的液流电池和液流电池堆，用于解决现有技术电解液在多孔电极中的对流深度短，造成电极内部出现浓差极化以及电解液利用率低的问题。
根据本发明的一个方面，提供了一种集流板，其上设置有电解液流道，电解液流道的横截面积沿电解液流动方向变化。
进一步地，上述横截面积沿电解液流动方向呈连续性变化或阶梯状变化中的一种，和/或呈周期性变化或单调性变化中的一种。
进一步地，上述电解液流道为波浪形流道。
进一步地，上述集流板上具有沿电解液流动方向并排延伸的多个上述波浪形流道，其中相邻的两条波浪形流道的波峰与波谷交错排布。
进一步地，上述电解液流道为蛇形流道，蛇形流道的截面宽度沿电解液流动方向逐渐减小。
进一步地，上述集流板上具有沿电解液流动方向并排延伸的多个流道区域，每个流道区域中包括一个蛇形流道，蛇形流道包括多个沿电解液流动方向延伸的多个平行段和连接相邻平行段的连接段，且各平行段的横截面积沿电解液流动方向呈阶梯状变化。
进一步地，上述电解液流道为蛇形流道，蛇形流道的深度沿电解液流动方向呈连续性或阶梯性减小。
进一步地，上述蛇形流道为一条，蛇形流道的横截面积沿电解液流动方向呈阶梯性的单调减小。
进一步地，上述电解液流道由间隔排布的凸块间未突出的部分形成，位于同一排中的凸块等间距排布，位于相邻排中的凸块之间交错排布。
根据本发明的另一方面还提供了一种液流电池，包括电极和本发明的集流板，电极位于集流板设置有电解液流道的一侧。
根据本发明的又一方面还提供了一种液流电池堆，包括一个或多个本发明的液流电池。
本发明所提供的集流板，其上的电解液流道在电解液经过时形成具有不同压强的电解液流场，与电解液流场对应的多孔电极内部不同位置处也具有不同的压强，有效改善了多孔电极内部电解液的传输状况，增加电极反应的均匀性，减小液体泵能量消耗，有效提高全钒氧化还原液流电池系统的效率，延长电池的使用寿命，而且，制作工艺简单，容易实现。
除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。
附图说明
附图构成本说明书的一部分、用于进一步理解本发明，附图示出了本发明的优选实施例，并与说明书一起用来说明本发明的原理。图中：
图1示出了现有技术中常用的单片电池及电池堆的组装示意图；
图2示出了根据本发明一种实施例的集流板和电极的剖面图，其中示出集流板具有波浪形流道，且相邻的集流板的流道的波峰和波谷彼此相对；
图3示出了具有图2所示的波浪形流道的钒电池多孔电极的表面压强分布和多孔电极内部电解液流动示意图；
图4示出了根据本发明另一种实施例的蛇形流道的结构示意图；
图5示出了根据本发明图4所示的蛇形流道的钒电池多孔电极的表面压强分布和多孔电极内部电解液流动示意图；
图6-1示出了根据本发明又一实施例的蛇形流道的俯视图；
图6-2示出了根据本发明如图6-1所示的蛇形流道的左剖图；
图7示出了根据本发明又一实施例的岛状流道的俯视图；以及
图8示出了根据本发明如图7所示的岛状流道立体结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明的实施例中的技术方案进行详细的说明，但如下实施例以及附图仅是用以理解本发明，而不能限制本发明，本发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。
为了解决现有技术中电解液利用率低的问题，发明人经研究发现可以通过改善电解液在电极内部的传递方式，使电解液在电极内部分布均匀，避免死角和极化现象的出现，从而实现电解液的充分利用；考虑电解液在电极内部的传递方式受到压强的影响较大，因此利用在集流板上设计横截面积变化的流道，电解液在流道中流动时对于其对应的多孔电极内部产生的压强会不同，那么电解液的传递方式也会随着流道的横截面积的变化而变化。
而且，根据伯努利方程P+1/2ρV2＝C(考虑液流在同一水平面)，流速较小的位置所对应的压强较大，由于通过同一流道的液流量相同，流道上截面积较小处流速相对较快，因此在同一流道对应的不同截面积处的电解液流场的压强不同。因此，发明人在集流板表面进行流道设计，并确保在同一流道的方向上其截面积出现一定的变化，结合静压原理，其对应多孔电极内部的电解液压强也不同，多孔电极内部压差的出现，会在不增加泵体的消耗量的基础上，有效改善多孔电极材料内部电解液的传质状态。
在以上发明构思的基础上，在本发明中的一种典型的实施方式中，提供了一种集流板，其上设置有电解液流道21，电解液流道21的横截面积沿电解液流动方向变化。
在电解液流动方向上电解液流道的横截面积出现变化，因此其对应的多孔电极内部的电解液压强也会出现变化，利用多孔电极内部各部分的压差促进电解液从高压部分流向低压部分，在不增加液体泵的消耗量的基础上，有效改善电极材料内部电解液的传质效果。
本发明电解液流道21的横截面积沿电解液流动方向呈连续性变化或阶梯状变化中的一种，和/或呈周期性变化或单调性变化中的一种。本发明正是在利用与不同横截面积的电解液流道对应的电极内部的电解液压强不同，增强了电解液在电极内部的流动，将横截面积设计成具有一定的变化规律，以使电解液在电极中的流动存在一定的规律，增强电解液在电极内部反应的均匀性。
如图2所示，在本发明的一种具体的实施例中，电解液流道21为波浪形流道。一种实施例中，集流板具有沿电解液流动方向并排延伸的多个上述波浪形流道，其中相邻的两条波浪形流道的波峰与波谷交错排布，如图2和3所示，箭头方向表示电解液流动方向。当电解液在任意一条电解液流道21(n)与相邻的电解液流道21(n+1)中传输时，处于波峰的电解液由于流道横截面积较小流速较快所对应的多孔电极3内部压强较小，处于波谷的电解液由于流道横截面积较大流速较慢所对应的多孔电极3内部压强较大，因此在多孔电极3内部电解液将从高压点向低压点的传输，相邻流道对应下的多孔电极3内部的电解液流动性增强，实现在不增加泵体的消耗量的基础上，有效改善电极材料内部电解液的传质状态的效果。
如图4和图5所示，在本发明的另一种较为具体的实施例中，电解液流道21为蛇形流道，蛇形流道的截面宽度沿电解液流动方向减小。在其中一种实施例中，集流板上具有沿电解液流动方向并排延伸的多个流道区域，每个流道区域中包括一个蛇形流道，蛇形流道包括多个沿电解液流动方向延伸的多个平行段和连接相邻平行段的连接段，且各平行段的横截面积沿电解液流动方向呈阶梯状变化。如图4所示，箭头方向表示电解液流动方向。保持蛇形流道的深度不变，沿电解液流动方向流道的截面宽度呈阶梯状减小，当电解液在任意一条电解液流道21(n’)与相邻的电解液流道21(n+1’)中传输时，同一条流道中，沿电解液流动方向，平行段的截面宽度阶梯状减小，从而实现流道横截面积沿电解液流动方向减小的目的，图5示出了该蛇形流道的钒电池电极压强分布图，箭头方向表示电解液在多孔电极中的流动方向，蛇形流道的截面宽度减小，电解液的流速增大，对应多孔电极的表面压强也随着集流板内电解液流速的增大而减小，电解液将沿箭头方向从压强较大区域流向压强较小区域，实现电解液在多孔电极中更均匀的流动。
在本发明的另一种较为具体的实施例中，电解液流道21为蛇形流道，沿电解液流动方向蛇形流道的深度呈连续性或阶梯性减小从而实现流道横截面积沿电解液流动方向减小的目的。又一种实施例中，如图6-1和图6-2所示，上述蛇形流道为一条，蛇形流道的流通截面呈沿电解液流动方向呈阶梯性的单调减小。
上述两种集流板的蛇形流道的流通截面都沿电解液流动方向逐渐减小，同时电解液流速减慢，由此引起流道对应的电极内部压强的变化，有效改善电极材料内部电解液的传质的效果。
如图7和图8所示，在本发明的又一种较为具体的实施例中，电解液流道21由间隔排布的凸块22间未突出的部分形成，位于同一排中的凸块22等间距排布，位于相邻排中的凸块22之间交错排布。由于凸块22的存在，电解液在集流板2上的流动速度受到凸块22的影响而发生变化，从而影响对应多孔电极的表面压强和电解液在多孔电极内部的流动，有效改善电极材料内部电解液的传质的效果。
同时，在本发明的一种典型的实施方式中，还提供了一种液流电池，以及包括该液流电池的液流电池堆，该液流电池包括电极3和本发明的集流板2，电极3位于集流板2设置有电解液流道的一侧。由于采用了本发明的集流板2使得该液流电池和电池堆的电极反应的均匀性较好，液体泵能量消耗较低，全钒氧化还原液流电池系统的效率得到有效提高，电池的使用寿命得以延长。本发明的液流电池和液流电池堆采用现有技术中的组装方式进行组装即可。
以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种集流板，其上设置有电解液流道(21)，其特征在于，所述电解液流道(21)的横截面积沿电解液流动方向变化，
所述电解液流道(21)为波浪形流道，所述集流板上具有沿电解液流动方向并排延伸的多个所述波浪形流道，其中相邻的两条所述波浪形流道的波峰与波谷交错排布。
2.一种液流电池，其特征在于，包括电极(3)和权利要求1所述的集流板(2)，所述电极(3)位于所述集流板(2)的设置有电解液流道(21)的一侧。
3.一种液流电池堆，其特征在于，包括一个或多个权利要求2中所述的液流电池。
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