CN103094600B - 一种液流半电池和具有其的液流电池堆 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种液流半电池和具有其的液流电池堆。该液流半电池包括：液流框，具有边框和由边框形成的电极容纳腔；多孔电极，嵌设在液流框的电极容纳腔内，多孔电极具有供电解液流动的第一流道；双极板，设置在液流框的一侧且与多孔电极组平行，双极板与边框对应的位置具有电解液导流入口和电解液导流出口，且双极板的朝向多孔电极的表面上具有供电解液流动的第二流道，电解液导流入口和电解液导流出口与第二流道相连通。多孔电极的第一流道和双极板的第二流道对电解液的导流作用，增加了电解液向多孔电极的实体部分渗透的表面积，减少了多孔电极对电解液流动的液流阻力，有效地降低了电解液流动所需的液流压差，提高了液流电池的充放电效率。
Description
技术领域
本发明涉及液流电池的设计领域，具体而言，涉及一种液流半电池和具有其的液流电池堆。
背景技术
全钒氧化还原液流电池是一种以不同价态的钒离子电解液进行氧化还原的电化学反应装置，能够高效地实现化学能与电能之间的相互转化。该类电池具有使用寿命长，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。因此，近年来全钒氧化还原液流电池逐渐成为大容量储能电池研究的重点。
全钒氧化还原液流电池分别以钒离子V2+/V3+和V4+/V5+作为电池的正负极氧化还原电对，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，单片液流电池的组成如图1所示。1’为液流框，2’为双极板，3’为多孔电极，4’为离子交换膜，各组件组成单片的液流电池。
现有的液流电池堆内部电解液的流动一般靠多孔电极的渗透传质，这种电解液的流动方式一方面导致电池堆内液流压差很大，泵消耗过高，从而使液流电池系统效率降低；另一方面，电池堆内部电解液流动不均匀、浓差极化较大，造成电堆内部损耗，从而使电池的电压效率降低。
发明内容
本发明旨在提供一种液流半电池和具有其的液流电池堆，改善了电解液在电极内部流动的均匀性。
为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种液流半电池，液流半电池包括：液流框，具有边框和由边框形成的电极容纳腔；多孔电极，嵌设在液流框的电极容纳腔内，多孔电极具有供电解液流动的第一流道；双极板，设置在液流框的一侧且与多孔电极组平行，双极板与边框对应的位置具有电解液导流入口和电解液导流出口，且双极板的朝向多孔电极的表面上具有供电解液流动的第二流道，电解液导流入口和电解液导流出口与第二流道相连通。
进一步地，上述第一流道贯穿多孔电极的厚度方向，第二流道的深度小于或等于双极板的厚度的/。
进一步地，上述第二流道包括相互平行的进液流道和出液流道，进液流道与电解液导流入口相连通，出液流道与电解液导流出口相连通，第一流道与进液流道和/或出液流道相连通。
进一步地，上述进液流道和出液流道沿多孔电极的边缘延伸，且第一流道的延伸方向与进液流道和出液流道的延伸方向垂直，第一流道的一端具有开口。
进一步地，相邻上述第一流道的开口方向相反，朝向进液流道开口的第一流道与进液流道相连通，朝向出液流道开口的第一流道与出液流道相连通。
进一步地，上述第一流道包括靠近出液流道的一端具有开口的第一开口流道；上述第二流道还包括与第一流道平行的分液流道，分液流道与进液流道相连通，第一流道与分液流道交错排布。
进一步地，上述第一流道还包括靠近进液流道的一端具有开口的第二开口流道，第一开口流道与第二开口流道交叉排布；上述第二流道还包括与分液流道平行的集液流道，集液流道与出液流道相连通，集液流道与分液流道交叉排布并与第一流道交错排布。
进一步地，上述第一流道与第二流道之间具有在多孔电极与双极板的叠置方向上重合的重合段以形成使电解液连续流动的流场。
进一步地，上述第二流道的进液流道和出液流道的延伸方向与多孔电极边缘的延伸方向相同，第二流道还包括一个或多个连接流道，各连接流道包括：第一连接流道，与进液流道相连通；和/或第二连接流道，与出液流道相连通；第一流道与各连接流道的衔接处均具有重合段，重合段与相应的第一流道、连接流道形成流场的连接流场。
进一步地，上述各连接流道还包括中间流道，中间流道设置在第一连接流道与第二连接流道之间，中间流道通过重合段、第一流道和与其对应的第一连接流道、第二连接流道连通。
进一步地，上述连接流道、重合段以及第一流道相互连通呈蛇形。
进一步地，上述连接流场为一个，连接流场沿双极板的几何中心呈中心对称设置；上述连接流场为多个，连接流场沿进液流道和出液流道的延伸方向依次排布，且各连接流场的重合段沿与进液流道的延伸方向垂直的方向对正排布或交错排布。
进一步地，部分上述连接流道还包括：一个或多个分液流道，分液流道的延伸方向与进液流道的延伸方向、第一连接流道的延伸方向垂直，且部分分液流道连通进液流道和第一连接流道；一个或多个集液流道，集液流道的延伸方向与出液流道的延伸方向、第二连接流道的延伸方向垂直，且部分集液流道连通出液流道和第二连接流道。
进一步地，各上述连接流道的集液流道与分液流道交叉排布。
进一步地，上述连接流场为直形流场和/或曲折流场。
进一步地，上述液流框包括相对的第一边框和第二边框，第一边框上设置有与电解液导流入口对应且连通的电解液进口，第二边框上设置有与电解液导流出口对应且连通的电解液出口，第一边框和第二边框与多孔电极之间具有间隙。
根据本发明的另一方面，提供了一种液流电池堆，包括一个或多个正极半电池、一个或多个负极半电池和设置在正极半电池和负极半电池之间的离子交换膜，正极半电池和负极半电池为上述的液流半电池，且液流半电池的双极板远离离子交换膜设置。
应用本发明的技术方案，多孔电极上的第一流道和双极板上的第二流道都能够起到对电解液的导流作用，增加了电解液向多孔电极的实体部分渗透的表面积，减少了多孔电极对电解液流动造成的液流阻力，有效地降低了电解液流动所需的液流压差；而且电解液在第一流道中流动时，向第一流道两侧的多孔电极中均匀渗透，提高了液流流动的均一性，减少了因电解液流动不均造成的浓差极化，提高具有其的液流电池的充放电效率。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1示出了现有技术中的液流电池的结构示意图；
图2示出了根据本发明的一种优选的实施例的液流半电池的立体结构示意图；
图3a至图3c示出了根据本发明的另一种优选的实施例的液流半电池中多孔电极与双极板的立体结构示意图；
图4a至图4c示出了根据本发明的又一种优选的实施例的液流半电池中多孔电极与双极板的立体结构示意图；
图4d和图4e示出了根据本发明的又一种优选的实施例的液流半电池中多孔电极与双极板中电解液的流动示意图，其中箭头指向为电解液的流动方向；
图5a至图5c示出了根据本发明的又一种优选的实施例的液流半电池中多孔电极与双极板的立体结构示意图；
图5d和图5e示出了根据本发明的又一种优选的实施例的液流半电池的多孔电极与双极板中电解液的流动示意图，其中箭头指向为电解液的流动方向；
图6示出了根据本发明的又一种优选的实施例的液流半电池中多孔电极与双极板的立体结构示意图；
图7示出了根据本发明的又一种优选的实施例的液流半电池的多孔电极与双极板中电解液的流动示意图，其中箭头指向为电解液的流动方向；
图8示出了根据本发明的又一种优选的实施例的液流半电池的多孔电极与双极板中电解液的流动示意图，其中箭头指向为电解液的流动方向；
图9示出了根据本发明的又一种优选的实施例的液流半电池中多孔电极与双极板的立体结构示意图；
图10a至图10c示出了根据本发明的又一种优选的实施例的液流半电池中多孔电极与双极板的立体结构示意图；
图11a至图11c示出了根据本发明的又一种优选的实施例的液流半电池中多孔电极与双极板的立体结构示意图；
图12a至图12c示出了根据本发明的又一种优选的实施例的液流半电池中多孔电极与双极板的立体结构示意图；
图13a至图13c示出了根据本发明的又一种优选的实施例的液流半电池中多孔电极与双极板的立体结构示意图；
图14a至图14c示出了根据本发明的又一种优选的实施例的液流半电池中多孔电极与双极板的立体结构示意图；
图15a至图15c示出了根据本发明的又一种优选的实施例的液流半电池中多孔电极与双极板的立体结构示意图；以及
图16a至图16c示出了根据本发明的又一种优选的实施例的液流半电池中多孔电极与双极板的立体结构示意图。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
如图2所示，在本发明一种典型的实施方式中，提供了一种液流半电池，该液流半电池包括液流框1、多孔电极3和双极板2，液流框1具有边框11和由边框11形成的电极容纳腔；多孔电极3嵌设在液流框1的电极容纳腔内，多孔电极3具有供电解液流动的第一流道31；双极板2设置在液流框1的一侧且与多孔电极组3平行，双极板2与边框11对应的位置具有电解液导流入口22和电解液导流出口23，且双极板2的朝向多孔电极3的表面上具有供电解液流动的第二流道21，电解液导流入口22和电解液导流出口23与第二流道21相连通。
具有上述结构的液流半电池，多孔电极3上的第一流道31和双极板2上的第二流道21都能够起到对电解液的导流作用，增加了电解液向多孔电极3的实体部分渗透的表面积，减少了多孔电极3对电解液流动造成的液流阻力，有效地降低了电解液流动所需的液流压差；而且电解液在第一流道31中流动时，向第一流道31两侧的多孔电极3中均匀渗透，提高了液流流动的均一性，减少了因电解液流动不均造成的浓差极化，提高具有其的液流电池的充放电效率。
如图2所示，上述第一流道31贯穿多孔电极3的厚度方向，上述第二流道21的深度小于或等于双极板2的厚度的1/2。第一流道31贯穿多孔电极3的厚度方向，使得电解液在多孔电极3的厚度方向上能够全面渗透，改善了电解液在多孔电极3中流动的均一性；第二流道21的深度小于等于双极板2的厚度的1/2，从而可以在双极板2相对的两个表面上分别设置供正极电解液流动的第二流道21和供负极电解液流动的第二流道21。
如图3a至图16c所示，第二流道21包括相互平行的进液流道211和出液流道212，进液流道211与电解液导流入口22相连通，出液流道212与电解液导流出口23相连通，第一流道31与进液流道211和/或出液流道212相连通。
电解液在具有上述结构的多孔电极3和双极板2中流动时，由电解液导流入口22进入进液流道211后利用液压差渗入多孔电极3中或直接进入多孔电极3的第一流道31内并向多孔电极3的实体部分渗透，随着反应的进行，电解液会在多孔电极3和双极板2中往返流动并通过出液流道212和电解液导流出口23流出多孔电极3和双极板2，进而改善了电解液在多孔电极3内部流动的均一性。
上述双极板2的进液流道211和出液流道212的延伸方向可任意变化，为了便于电解液在液流电池中的可控性，优选如图3c所示，进液流道211和出液流道212沿多孔电极3的边缘延伸，且第一流道31的延伸方向与进液流道211和出液流道212的延伸方向垂直，第一流道31的一端具有开口。
在液流电池中，当进液流道211和出液流道212沿多孔电极3的边缘延伸且与一端具有开口的第一流道31垂直时进液流道211和出液流道212之一必然与第一流道31相连通，不仅为电解液向多孔电极3渗透提供了更多的液流接触面积，进而减少了电解液在多孔电极3中流动时遇到的阻力，进一步改善了电解液在多孔电极3中流动的均一性。
如图3a至图3c所示，在本发明的一种优选的实施例中，相邻第一流道31的开口方向相反，朝向进液流道211开口的第一流道1与进液流道211相连通，朝向出液流道212开口的第一流道31与出液流道212相连通。在该实施例中的液流电池中，电解液由进液流道211进入多孔电极3的与其相连通的第一流道31中，然后电解液在多空电极3中渗透并进入与出液流道212相连通的第一流道31并由出液流道212和出液导流出口23流出双极板3。
如图4a至图4e所示，在本发明的又一种优选的实施例中，第一流道31包括靠近出液流道212的一端具有开口的第一开口流道；第二流道21还包括与第一流道31平行的分液流道213，分液流道213与进液流道211相连通，第一流道31与分液流道213交错排布。在该实施例中，分液流道213将来自进液流道211的电解液分流后，电解液以更大的接触面积向多孔电极3中渗透，多孔电极3中的电解液渗透入第一开口流道，并通过第一开口流道流向出液流道212然后流出多孔电极3和双极板2，在电解液的流动和反应过程中，电解液受到的阻力大大减少，从而改善了电解液在多孔电极3中流动的均一性。
如图5a至图5e所示，在本发明的又一种优选的实施例中，第一流道31还包括靠近进液流道211的一端具有开口的第二开口流道，第一开口流道与第二开口流道交叉排布；第二流道21还包括与分液流道213平行的集液流道214，集液流道214与出液流道212相连通，集液流道214与分液流道213交叉排布并与第一流道31交错排布。在该实施例中，电解液由进液流道211输送入双极板2之后向分液流道213和第二开口流道流动，流入分液流道213和第二开口流道的电解液进一步渗透入多孔电极3的实体部分，进而使电解液在多孔电极3中的分布更加均匀，从而改善了电解液在多孔电极3中流动的均一性。
如图6至图16c所示，在本发明又一种优选的实施例中，上述第一流道31与第二流道21之间具有在多孔电极3与双极板2的叠置方向上重合的重合段以形成使电解液连续流动的流场。第一流道31与第二流道21相互连通，形成在多孔电极3与双极板2的叠置方向上连通的流场，使未反应的电解液能够及时地流入多孔电极3中，也能够使反应完成的电解液能够及时地流出多孔电极3，进一步改善了电解液在多孔电极3中流动的均一性。
如图6至图10c所示，第二流道21的进液流道211和出液流道212的延伸方向与多孔电极3边缘的延伸方向相同，第二流道21还包括一个或多个连接流道，各连接流道包括：第一连接流道215，与进液流道211相连通；和/或第二连接流道216，与出液流道212相连通；第一流道31与各连接流道的衔接处均具有重合段，重合段与相应的第一流道31、连接流道形成流场的连接流场。通过进液流道211进入双极板2的电解液通过连接流道与第一流道31之间的重合段进入多孔电极3，不仅增加了双极板2中的电解液向多孔电极3的渗透面积，并且减少了电解液向多孔电极3的流动阻力，因此改善了电解液在多孔电极3中流动的均一性。
如图6至图10c所示，各连接流道还包括中间流道217，中间流道217设置在第一连接流道215与第二连接流道216之间，中间流道217通过重合段、第一流道31和与其对应的第一连接流道215、第二连接流道216连通。在连接流道中设置中间流道217增加了电解液在多孔电极3和双极板2中三维方向上的流动频率，进而能够改善电解液在多孔电极3中流动的均一性。
如图10a至图10c所示，在本发明的又一种优选的实施例中，上述连接流道、重合段以及第一流道31相互连通呈蛇形。
如图6至图9所示，在本发明的又一种优选的实施例中，上述连接流场为一个，连接流场沿双极板2的几何中心呈中心对称设置；在本发明的又一种优选的实施例中，上述连接流场为多个，连接流场沿进液流道211和出液流道212的延伸方向依次排布，且各连接流场的重合段沿与进液流道211的延伸方向垂直的方向对正排布或交错排布。无论连接流场为一个还是多个都能实现改善电解液流动均一性的目的。
如图11a至图16c所示，部分连接流道还包括：一个或多个分液流道213，分液流道213的延伸方向与进液流道211的延伸方向、第一连接流道215的延伸方向垂直且连通进液流道211和第一连接流道215；一个或多个集液流道214，集液流道214的延伸方向与出液流道212的延伸方向、第二连接流道216的延伸方向垂直且连通出液流道212和第二连接流道216。
通过分液流道213为电解液向多孔电极3中渗透提供更多的接触面积和液压，改善了电解液在多孔电极3中流动的均一性；利用集液流道214及时地将反应完成的电解液输送出多孔电极3进而增加液流电池的工作效率。
如图11b、12b、14b和15b所示，各连接流道的集液流道214与分液流道213交叉排布。将集液流道214和分液流道213交叉排布，对相应的反应完成的电解液能够及时输出。
如图13b和图16b所示，上述连接流场为直形流场和/或曲折流场。
如图2所示，上述液流框1包括相对的第一边框和第二边框，第一边框上设置有与电解液导流入口22对应且连通的电解液进口，第二边框上设置有与电解液导流出口23对应且连通的电解液出口，第一边框和第二边框与多孔电极3之间具有间隙。电解液进口与电解液导流入口22对应连通，电解液出口与电解液导流出口23对应连通，使得电解液能够顺畅地输入液流电池和输出液流电池；在多孔电极3与液流框之间设置间隙进一步减小了电解液向多孔电极3中流动或渗透时的阻力。
在本发明的一种典型的实施方式中，提供了一种液流电池堆，包括一个或多个正极半电池、一个或多个负极半电池和设置在正极半电池和负极半电池之间的离子交换膜1，正极半电池和负极半电池为上述的液流半电池，且液流半电池的双极板2远离离子交换膜1设置。上述的液流电池堆具有本发明的液流半电池，因此，该液流电池堆也具有较高的充放电效率。
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 (13)
1.一种液流半电池，其特征在于，所述液流半电池包括：
液流框(1)，具有边框(11)和由所述边框(11)形成的电极容纳腔；
多孔电极(3)，嵌设在所述液流框(1)的所述电极容纳腔内，所述多孔电极(3)具有供电解液流动的第一流道(31)；
双极板(2)，设置在所述液流框(1)的一侧且与所述多孔电极(3)平行，所述双极板(2)与所述边框(11)对应的位置具有电解液导流入口(22)和电解液导流出口(23)，且所述双极板(2)的朝向所述多孔电极(3)的表面上具有供电解液流动的第二流道(21)，所述电解液导流入口(22)和电解液导流出口(23)与所述第二流道(21)相连通；其中
所述第一流道(31)贯穿所述多孔电极(3)的厚度方向，所述第二流道(21)的深度小于或等于所述双极板(2)的厚度的1/2；
所述第二流道(21)包括相互平行的进液流道(211)和出液流道(212)，所述进液流道(211)与所述电解液导流入口(22)相连通，所述出液流道(212)与所述电解液导流出口(23)相连通，所述第一流道(31)与所述进液流道(211)和/或所述出液流道(212)相连通；
所述进液流道(211)和所述出液流道(212)沿所述多孔电极(3)的边缘延伸，且所述第一流道(31)的延伸方向与所述进液流道(211)和所述出液流道(212)的延伸方向垂直，所述第一流道(31)的一端具有开口；或者所述第一流道(31)与所述第二流道(21)之间具有在所述多孔电极(3)与所述双极板(2)的叠置方向上重合的重合段以形成使电解液连续流动的流场。
2.根据权利要求1所述的液流半电池，其特征在于，当所述进液流道(211)和所述出液流道(212)沿所述多孔电极(3)的边缘延伸，且所述第一流道(31)的延伸方向与所述进液流道(211)和所述出液流道(212)的延伸方向垂直，所述第一流道(31)的一端具有开口时，相邻所述第一流道(31)的开口方向相反，朝向所述进液流道(211)开口的所述第一流道(31)与所述进液流道(211)相连通，朝向所述出液流道(212)开口的所述第一流道(31)与所述出液流道(212)相连通。
3.根据权利要求1所述的液流半电池，其特征在于，所述进液流道(211)和所述出液流道(212)沿所述多孔电极(3)的边缘延伸，且所述第一流道(31)的延伸方向与所述进液流道(211)和所述出液流道(212)的延伸方向垂直，所述第一流道(31)的一端具有开口时，
所述第一流道(31)包括靠近所述出液流道(212)的一端具有所述开口的第一开口流道；
所述第二流道(21)还包括与所述第一流道(31)平行的分液流道(213)，所述分液流道(213)与所述进液流道(211)相连通，所述第一流道(31)与所述分液流道(213)交错排布。
4.根据权利要求3所述的液流半电池，其特征在于，
所述第一流道(31)还包括靠近所述进液流道(211)的一端具有所述开口的第二开口流道，所述第一开口流道与所述第二开口流道交叉排布；
所述第二流道(21)还包括与所述分液流道(213)平行的集液流道(214)，所述集液流道(214)与所述出液流道(212)相连通，所述集液流道(214)与所述分液流道(213)交叉排布并与所述第一流道(31)交错排布。
5.根据权利要求1所述的液流半电池，其特征在于，当所述第一流道(31)与所述第二流道(21)之间具有在所述多孔电极(3)与所述双极板(2)的叠置方向上重合的重合段以形成使电解液连续流动的流场时，所述第二流道(21)的进液流道(211)和出液流道(212)的延伸方向与所述多孔电极(3)边缘的延伸方向相同，
所述第二流道(21)还包括一个或多个连接流道，各所述连接流道包括：
第一连接流道(215)，与所述进液流道(211)相连通；和/或
第二连接流道(216)，与所述出液流道(212)相连通；
所述第一流道(31)与各所述连接流道的衔接处均具有所述重合段，所述重合段与相应的所述第一流道(31)、连接流道形成所述流场的连接流场。
6.根据权利要求5所述的液流半电池，其特征在于，各所述连接流道还包括中间流道(217)，所述中间流道(217)设置在所述第一连接流道(215)与所述第二连接流道(216)之间，所述中间流道(217)通过所述重合段、所述第一流道(31)和与其对应的所述第一连接流道(215)、所述第二连接流道(216)连通。
7.根据权利要求6所述的液流半电池，其特征在于，所述连接流道、所述重合段以及所述第一流道(31)相互连通呈蛇形。
8.根据权利要求6所述的液流半电池，其特征在于，
所述连接流场为一个，所述连接流场沿所述双极板(2)的几何中心呈中心对称设置；
所述连接流场为多个，所述连接流场沿所述进液流道(211)和出液流道(212)的延伸方向依次排布，且各所述连接流场的所述重合段沿与所述进液流道(211)的延伸方向垂直的方向对正排布或交错排布。
9.根据权利要求6所述的液流半电池，其特征在于，部分所述连接流道还包括：
一个或多个分液流道(213)，所述分液流道(213)的延伸方向与所述进液流道(211)的延伸方向、所述第一连接流道(215)的延伸方向垂直，且部分所述分液流道(213)连通所述进液流道(211)和所述第一连接流道(215)；
一个或多个集液流道(214)，所述集液流道(214)的延伸方向与所述出液流道(212)的延伸方向、所述第二连接流道(216)的延伸方向垂直，且部分所述集液流道(214)连通所述出液流道(212)和所述第二连接流道(216)。
10.根据权利要求9所述的液流半电池，其特征在于，各所述连接流道的所述集液流道(214)与所述分液流道(213)交叉排布。
11.根据权利要求5至10中任一项所述的液流半电池，其特征在于，所述连接流场为直形流场和/或曲折流场。
12.根据权利要求1所述的液流半电池，其特征在于，所述液流框(1)包括相对的第一边框和第二边框，所述第一边框上设置有与所述电解液导流入口(22)对应且连通的电解液进口，所述第二边框上设置有与所述电解液导流出口(23)对应且连通的电解液出口，所述第一边框和所述第二边框与所述多孔电极(3)之间具有间隙。
13.一种液流电池堆，包括一个或多个正极半电池、一个或多个负极半电池和设置在所述正极半电池和所述负极半电池之间的离子交换膜(1)，其特征在于，所述正极半电池和所述负极半电池为权利要求1至11中任一项所述的液流半电池，且所述液流半电池的双极板(2)远离所述离子交换膜(1)设置。
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