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Abstract

本发明涉及一种液流电池结构，特别涉及液流电池的流动分配方式。液流电池由正极端板、正极集流板、正极电极框、电极、离子交换膜、电极、负极电极框、负极集流板、负极端板顺序层叠而成，其中在正极端板和正极集流板之间设有正极导流板；在负极端板和负极集流板之间设有负极导流板。本发明中的液流电池结构，将电解液均匀分布在电极中的同时，增加了垂直于离子交换膜表面的离子通量，减小了浓差极化并降低了离子电阻，尤其适用于百微米级超薄电极的电池结构中。

Description

一种液流电池结构
技术领域
本发明涉及液流电池的结构，特别涉及液流电池中的电解液分配方式。
背景技术
电能作为人类社会发展的不可或缺的二次能源，正越来越成为社会发展的重要动力。传统的化石能源因转化效率低、污染严重、面临枯竭等问题已经越来越难以满足现代社会的发展需要。清洁的可再生能源将是今后几十年替代传统化石能源的最优选择，各国政府已将风能、太阳能、潮汐能等列入未来几年的能源发展战略计划中。但是可再生能源普遍存在着不连续性和反调峰特性，对并入电网提出了新的挑战。储能技术，尤其是电化学储能技术作为解决这一问题的关键技术近年来得到了全社会的关注。其中尤其以液流电池为代表的新型电池技术得到了长足的发展，得到各专家也企业的广泛青睐。
液流电池的一个显著特点是反应物与功率设备解耦，承载反应物的电解液通过循环泵流入电池当中参与反应，而产物在由电池流出，回到储液罐中，如此循环往复。因而电解液在电堆中的流动分布对于电池性能尤为重要。以往的液流电池结构中，电解液往往是沿电极的长度或者宽度方向穿流过电极中参与反应，其往往流阻大，电解液分配不均匀，而且浓差极化也随着电解液流经长度的增加而增加，不利于电池性能的提高。另外，电池反应中活性离子应更多的聚集在离子交换膜附近，并朝向离子交换膜流动时可以促进反应发生，并且降低离子电池，这也是与上述常用的穿流电极的电解液流动形式不相符。
发明内容
为了解决上述液流电池中电解液的分配问题，本发明提供了一种液流电池的结构，其通过导流板将电解液均匀分配到电极的各处，并以垂直于离子交换膜的方向流入电极中，减小了流阻的同时增大了膜表面的离子通量，尤其适用于超薄电极的电池结构中。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种液流电池的结构，包括顺序层叠的正极端板、正极集流板、正极电极框、电极、离子交换膜、电极、负极电极框、负极集流板、负极端板，其特征在于：于正极端板和正极集流板之间设有正极导流板，于负极端板和负极集流板之间设有负极导流板，
正极导流板为一平板状结构，于平板的中部设有与正极端板上出液口相对应的中部通孔，于平板靠近正极端板的一侧表面、中部通孔的四周设有环形凹槽，于靠近正极端板的平板一侧表面设有4个以上的分支凹槽，分支凹槽的一端与环形凹槽相连通，分支凹槽于环形凹槽四周均匀分布，于每个分支凹槽底部均设有1个以上的分流通孔，于靠近正极端板的平板一侧表面设有进液凹槽，进液凹槽的一端与环形凹槽相连通，进液凹槽的另一端与正极端板上进液口相对应；
负极导流板为一平板状结构，于平板的中部设有与负极端板上出液口相对应的中部通孔，于平板靠近负极端板的一侧表面、中部通孔的四周设有环形凹槽，于靠近负极端板的平板一侧表面设有4个以上的分支凹槽，分支凹槽的一端与环形凹槽相连通，分支凹槽于环形凹槽四周均匀分布，于每个分支凹槽底部均设有1个以上的分流通孔，于靠近负极端板的平板一侧表面设有进液凹槽，进液凹槽的一端与环形凹槽相连通，进液凹槽的另一端与负极端板上进液口相对应。
上述液流电池由电池正极端板、密封垫片、正极导流板、密封垫片、正极石墨板、正极电极框、电极、离子交换膜、电极、负极电极框、负极石墨板、密封垫片、负极导流板、密封垫片和负极端板组装而成；正、负极端板上设置的螺栓孔，并通过压紧螺栓将电池组装起来，防止电池外漏。
液流电池的正、负极导流板上设置有进液凹槽、环形凹槽、分支凹槽和中部通孔；其中，进液凹槽与端板的电解液入口相连，且进液凹槽的深度为小于导流板厚度的非通孔，经环形凹槽与分支凹槽相连且流道深度相同；分支凹槽尽可能多的散布于电极在导流板上的投影平面上，通过多个分布于分支凹槽内的通孔，将电解液经集流板均匀分配在电极上。
所述液流电池结构中，导流板上的中部通孔与环形凹槽间设有环状密封线槽，其内放有环状密封条。
所述液流电池结构中，电解液由端板电解液入口流入导流板上的进液凹槽，经环形凹槽、分支凹槽将电解液均匀散布，再经由分支凹槽的通孔，穿过集流板，流入电极中；在电极中反应之后的电解液汇聚到中部通孔，经端板的电解液出口流出电池。
上述导流板上的分支凹槽可以电极的中心为基准，在电极区域范围内设置中心放射状分支凹槽或者环形分支凹槽；分支凹槽内的通孔的数量应不少于1个。导流板厚度可根据设计流量的大小而定，一般应不小于1mm。
所述液流电池结构中，密封垫片可采用耐酸的橡胶片也可以采用耐酸的橡胶线；电极采用石墨毡或者碳毡，也可以采用碳纸；离子交换膜可采用阳离子交换膜或者阴离子交换膜；所述导流板和电极框体材质为聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯或者ABS；所述端板材质可为铝、不锈钢等刚度较大的金属材质或者电木板、塑料板。
本发明具有如下优点：
1.本发明的液流电池结构减小了电池中的流动阻力，使得电解液在电极中的分配更加均匀。
2.本发明增大了垂直于离子交换膜平面的离子通量，有利于电化学反应的进行，减小浓差极化并降低离子电阻,尤其适用于百微米级超薄电极的电池结构中。
3.本发明结构简单，成本低，易于加工控制，无须复杂昂贵的设备投资。
附图说明
图1为传统的液流电池结构；
图2为本发明的液流电池结构；
图3为本发明导流板的一种形式。
具体实施方式
对比例：
对比电池的电池结构如图1所示，其为传统的液流电池结构组装而成，记为电池1。
实施例:
本发明的电池采用图2所示结构，记为电池2，其中导流板为图3所示。
一种液流电池的结构，包括顺序层叠的正极端板、正极集流板、正极电极框、电极、离子交换膜、电极、负极电极框、负极集流板、负极端板，其特征在于：于正极端板和正极集流板之间设有正极导流板，于负极端板和负极集流板之间设有负极导流板，
正极导流板为一平板状结构，于平板的中部设有与正极端板上出液口相对应的中部通孔，于平板靠近正极端板的一侧表面、中部通孔的四周设有环形凹槽，于靠近正极端板的平板一侧表面设有4个以上的分支凹槽，分支凹槽的一端与环形凹槽相连通，分支凹槽于环形凹槽四周均匀分布，于每个分支凹槽底部均设有1个以上的分流通孔，于靠近正极端板的平板一侧表面设有进液凹槽，进液凹槽的一端与环形凹槽相连通，进液凹槽的另一端与正极端板上进液口相对应；
负极导流板为一平板状结构，于平板的中部设有与负极端板上出液口相对应的中部通孔，于平板靠近负极端板的一侧表面、中部通孔的四周设有环形凹槽，于靠近负极端板的平板一侧表面设有4个以上的分支凹槽，分支凹槽的一端与环形凹槽相连通，分支凹槽于环形凹槽四周均匀分布，于每个分支凹槽底部均设有1个以上的分流通孔，于靠近负极端板的平板一侧表面设有进液凹槽，进液凹槽的一端与环形凹槽相连通，进液凹槽的另一端与负极端板上进液口相对应。
上述液流电池由电池正极端板、密封垫片、正极导流板、密封垫片、正极石墨板、正极电极框、电极、离子交换膜、电极、负极电极框、负极石墨板、密封垫片、负极导流板、密封垫片和负极端板组装而成；正、负极端板上设置的螺栓孔，并通过压紧螺栓将电池组装起来，防止电池外漏。
液流电池的正、负极导流板上设置有进液凹槽、环形凹槽、分支凹槽和中部通孔；其中，进液凹槽与端板的电解液入口相连，且进液凹槽的深度为小于导流板厚度的非通孔，经环形凹槽与分支凹槽相连且流道深度相同；分支凹槽尽可能多的散布于电极在导流板上的投影平面上，通过多个分布于分支凹槽内的通孔，将电解液经集流板均匀分配在电极上。
所述液流电池结构中，导流板上的中部通孔与环形凹槽间设有环状密封线槽，其内放有环状密封条。
所述液流电池结构中，电解液由端板电解液入口流入导流板上的进液凹槽，经环形凹槽、分支凹槽将电解液均匀散布，再经由分支凹槽的通孔，穿过集流板，流入电极中；在电极中反应之后的电解液汇聚到中部通孔，经端板的电解液出口流出电池。
上述导流板上的分支凹槽可以电极的中心为基准，在电极区域范围内设置中心放射状分支凹槽或者环形分支凹槽；分支凹槽内的通孔的数量应不少于1个。导流板厚度可根据设计流量的大小而定，一般应不小于1mm。
电极面积50cm2，电极厚度1mm，采用Nafion115为离子交换膜，导流板和电极框体为PVC材质，采用线密封形式，密封材料为氟橡胶。
电堆序号 库伦效率％ 电压效率％ 能量效率％
电池1 94.2 78.6 74
电池2 94 82.1 77.2
可见，采用本发明的电池结构的电池在电压效率上明显高于传统电池结构的电池，提升性能的效果显著。

Claims (8)

1.一种液流电池结构，包括顺序层叠的正极端板、正极集流板、正极电极框、电极、离子交换膜、电极、负极电极框、负极集流板、负极端板，其特征在于：于正极端板和正极集流板之间设有正极导流板，于负极端板和负极集流板之间设有负极导流板；
正极导流板为一平板状结构，于平板的中部设有与正极端板上出液口相对应的中部通孔，于平板靠近正极端板的一侧表面、中部通孔的四周设有环形凹槽，于靠近正极端板的平板一侧表面设有4个以上的分支凹槽，分支凹槽的一端与环形凹槽相连通，分支凹槽于环形凹槽四周均匀分布，于每个分支凹槽底部均设有1个以上的分流通孔，于靠近正极端板的平板一侧表面设有进液凹槽，进液凹槽的一端与环形凹槽相连通，进液凹槽的另一端与正极端板上进液口相对应；
负极导流板为一平板状结构，于平板的中部设有与负极端板上出液口相对应的中部通孔，于平板靠近负极端板的一侧表面、中部通孔的四周设有环形凹槽，于靠近负极端板的平板一侧表面设有4个以上的分支凹槽，分支凹槽的一端与环形凹槽相连通，分支凹槽于环形凹槽四周均匀分布，于每个分支凹槽底部均设有1个以上的分流通孔，于靠近负极端板的平板一侧表面设有进液凹槽，进液凹槽的一端与环形凹槽相连通，进液凹槽的另一端与负极端板上进液口相对应。
2.如权利要求1所述的液流电池结构，其特征在于：
液流电池由电池正极端板、密封垫片、正极导流板、密封垫片、正极石墨板、正极电极框、电极、离子交换膜、电极、负极电极框、负极石墨板、密封垫片、负极导流板、密封垫片和负极端板组装而成；正、负极端板上设置的螺栓孔，并通过压紧螺栓将电池组装起来，防止电池外漏。
3.如权利要求1所述的液流电池结构，其特征在于：
导流板上设置有进液凹槽、环形凹槽、分支凹槽和中部通孔；其中，进液凹槽与端板的电解液入口相连，且进液凹槽的深度为小于导流板厚度的非通孔，经环形凹槽与分支凹槽相连且流道深度相同；分支凹槽尽可能多的散布于电极在导流板上的投影平面上，通过多个分布于分支凹槽内的通孔，将电解液经集流板均匀分配在电极上。
4.如权利要求1所述的液流电池结构，其特征在于：
于导流板上的中部通孔与环形凹槽间设有环状密封线槽，其内放有环状密封条。
5.如权利要求1所述的液流电池结构，其特征在于：电解液由端板电解液入口流入导流板上的进液凹槽，经环形凹槽、分支凹槽将电解液均匀散布，再经由分支凹槽的通孔，穿过集流板，流入电极中；在电极中反应之后的电解液汇聚到中部通孔，经端板的电解液出口流出电池。
6.如权利要求1所述的液流电池结构，其特征在于：导流板上的分支凹槽以电极的中心为基准，在电极区域范围内设置中心放射状分支凹槽或者环形分支凹槽；分支凹槽内的通孔的数量应不少于1个。
7.如权利要求1所述的液流电池结构，其特征在于：导流板厚度根据设计流量的大小而定，不小于1mm。
8.如权利要求2所述的液流电池结构，其特征在于：密封垫片采用耐酸的橡胶片或采用耐酸的橡胶线；电极采用石墨毡或者碳毡，或碳纸；离子交换膜采用阳离子交换膜或者阴离子交换膜；所述导流板和电极框体材质为聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯或者ABS；所述端板材质为铝或不锈钢的金属材质或者电木板或塑料板。
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