CN107634241A - 用于液流电池的液流框 - Google Patents

Abstract

本发明提出了用于液流电池的液流框。该液流框包括：第一分流流道，设置在反应区的一端并与反应区相连通，且其纵截面积在第一方向上逐渐减小；第一过渡流道，其一端与第一分流流道纵截面积较大的一端相连通，另一端设置有第一液口；第二分流流道，设置在反应区的另一端并与反应区相连通，且其纵截面积在第二方向上逐渐减小；第二过渡流道，其一端与第二分流流道纵截面积较大的一端相连通，另一端设置有与第二液口；其中，第一方向与第二方向相反。本发明所提出的液流框，其流道宽度渐缩的分流流道的，可使流入反应区的电解液的流量和速度都更均匀化，延长电堆使用寿命。

Description

用于液流电池的液流框

技术领域

本发明涉及液流电池领域，具体的，本发明涉及用于液流电池的液流框。

背景技术

全钒液流电池，是一种更高效、寿命更长、安全性更高的大型储能电池。可以有效解决风力发电，太阳能发电输出不稳定的问题，对于电网的平峰填谷具有很大的作用，在未来广阔的新能源领域、储能领域、电网调节领域都具有广阔的应用空间。其主要原理是采用不同价态的钒离子溶液作为正负极电解液，由外部泵驱动电解液在储液罐和电堆之间循环流动，电解液在电堆中发生氧化还原反应从而完成充放电过程的电池。

全钒液流电池的核心部件是电池堆，其主要由液流框、双极板、多孔电极和离子交换膜等组成。电解液由泵提供动力从电解液灌流出进入到单个电池中，在单个电池中则经过液流框流入碳毡电极内反应产生电势。所以，液流框是电堆中重要的组成部分，其性能的优劣将直接影响到全钒液流电池的稳定性和运行效率。

目前，常用的液流框结构为了使得电解液在进入碳毡电极的时候，进液电阻尽可能地增加，因此液流框结构一般都是在单电池支路上开设各种“蛇形”以及“弓形”等较曲折的流道。但是，采用上述这些流道结构的液流框，全钒液流电池的电池效率并不理想，并且还存在电池使用寿命短的技术问题。

因此，现阶段的用于全钒液流电池的液流框结构仍有待改进。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。

本发明是基于发明人的下列发现而完成的：

本发明的发明人在研究过程中发现，现阶段常采用的各种“蛇形”以及“弓形”等较曲折的流道，其最后进入反应区的碳毡电极时采用的一般是平直流道。然而，根据流体力学的理论，申请人在研究中发现，参考图6，平直流道对流量的均匀分配的效果也不如预想中的好，从而会导致电解液进入反应区的流量和速度各处分布并不均匀，进而影响电池的效率。

本发明的发明人针对目前液流框内流道设计不足，设计出一种带有纵截面面积渐缩的分流流道的新型液流框流道结构，使得流入反应区的电解液的流量和速度更均匀化，同时使得电解液导电通路的阻抗足够大而可以减小旁路电流，从而提高液流电池的能量效率，并延长该电池的使用寿命。

有鉴于此，本发明的一个目的在于提出一种可使流入反应区的电解液流量和速度都均匀化的、结构简单的、设计更符合流体力学的或者高效使用的液流框结构。

在本发明的第一方面，本发明提出了一种用于液流电池的液流框。

根据本发明的实施例，所述液流框包括：第一分流流道，所述第一分流流道设置在反应区的一端并与所述反应区相连通，且所述第一分流流道的纵截面积在第一方向上逐渐减小；第一过渡流道，所述第一过渡流道的一端与所述第一分流流道纵截面积较大的一端相连通，另一端设置有与储液罐相连通的第一液口；第二分流流道，所述第二分流流道设置在所述反应区的另一端并与所述反应区相连通，且所述第二分流流道的纵截面积在第二方向上逐渐减小；第二过渡流道，所述第二过渡流道的一端与所述第二分流流道纵截面积较大的一端相连通，另一端设置有与所述储液罐相连通的第二液口；其中，所述第一方向与所述第二方向相反。

发明人意外地发现，本发明实施例的液流框，其纵截面面积渐缩的分流流道的流道宽度的变化是根据流体力学理论设计出的，从而可使流入反应区的电解液的流量和速度都更均匀化，进而可使电堆内部的化学反应保持一致，保持电堆内部温度均匀，延长电堆使用寿命；另一方面还可以加长电极框内部流道的长度，提高电池自放电的有效内阻，延长电堆的使用寿命。

另外，根据本发明上述实施例的液流框，还可以具有如下附加的技术特征：

根据本发明的实施例，所述第一分流流道靠近所述反应区的一侧设置有第一分配栅格；所述第二分流流道靠近所述反应区的一侧设置有第二分配栅格。

根据本发明的实施例，所述第一分配栅格和所述第二分配栅格各自独立地包括多个间隔分布的圆柱体。

根据本发明的实施例，所述第一过渡流道与所述第一分流流道连接处设置有第一整流块；所述第二过渡流道与所述第二分流流道连接处设置有第二整流块。

根据本发明的实施例，所述第一整流块和所述第二整流块分别包括多个等距设置的第一分流块和第二分流块，并且所述第一分流块和所述第二分流块的长度各自独立的为3～5mm。

根据本发明的实施例，所述第一分流流道和第一过渡流道分别与所述第二分流流道和第二过渡流道中心对称。

根据本发明的实施例，所述第一过渡流道与所述第一分流流道相互垂直，所述第二过渡流道与所述第二分流流道相互垂直。

根据本发明的实施例，所述第一分流流道和所述第二分流流道上任意一点的流道宽度D为式Ⅰ所示：D(x)＝a·x²+b·x+c(0≤x≤L)(Ⅰ)；其中，L为所述反应区的宽度，x为所述第一分流流道上任一点在所述第一方向上到所述反应区靠近所述第一过渡流道一端的距离或者所述第二分流流道上任一点在所述第二方向上到所述反应区靠近所述第二过渡流道一端的距离；并且，所述第一分流流道和所述第二分流流道上的三个点满足以下条件：x1为0、流道宽度D1为(0.13～0.17)·L，x3为L、流道宽度D3为(0.05～0.3)·D1，x2为L/2、流道宽度D2为(0.35～0.45)·(D1+D3)。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是本发明一个实施例的液流框的横截面结构示意图；

图2是本发明另一个实施例的液流框的横截面结构示意图；

图3是本发明一个实施例的液流框的减缩分流流道的横截面结构示意图；

图4是本发明一个实施例的液流电池的两个液流框呈中心对称设置的示意图；

图5是本发明一个实施例的液流框的减缩分流流道的流体力学模拟图；

图6是现有技术“弓”型流道的流体力学模拟图。

附图标记

100 反应区

210 第一分流道

2110 第一分配栅格

220 第一过渡流道

2210 第一整流块

230 第一液口

310 第二分流流道

3110 第二分配栅格

320 第二过渡流道

3210 第二整流块

330 第二液口

400 第三液口

500 第四液口

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，本技术领域人员会理解，下面实施例旨在用于解释本发明，而不应视为对本发明的限制。除非特别说明，在下面实施例中没有明确描述具体技术或条件的，本领域技术人员可以按照本领域内的常用的技术或条件或按照产品说明书进行。

在本发明的一个方面，本发明提出了一种用于液流电池的液流框。参照图1～3、5，对本发明的液流框进行详细的描述。

根据本发明的实施例，参照图1，该液流框主要包括：第一分流流道210，第一过渡流道220，第一液口230，第二分流流道310，第二过渡流道320以及第二液口330。其中，第一分流流道210设置在反应区100的一端，并与该反应区100相连通，并且该第一分流流道210的纵截面积在第一方向上是逐渐减小的；第一过渡流道220的一端与第一分流流道210的纵截面积较大的一端A相连通，另一端设置有第一液口230，而第一液口230可与储液罐相连通；第二分流流道310设置在反应区100的另一端，并与该反应区100相连通，且该第二分流流道310的纵截面积在第二方向上是逐渐减小的；第二过渡流道320的一端与第二分流流道310纵截面积较大的一端A’相连通，另一端设置有第二液口330，而第二液口330可与储液罐相连通；并且，第一方向与第二方向相反。需要说明的是，参照图1，第一分流流道210或第二分流流道310的纵截面具体是指垂直于第一方向或第二方向的截面。

本发明的发明人针对目前液流框内流道设计不足，设计出一种带有纵截面面积渐缩的分流流道的新型液流框流道结构，参考图5，可使得流入反应区的电解液的流量和速度更均匀化，同时还可使电解液导电通路的阻抗足够大而可以减小旁路电流，从而提高液流电池的能量效率，并延长该电池的使用寿命。

根据本发明的实施例，参考图2，第一分流流道210靠近反应区100的一侧B设置有第一分配栅格2110。相应地，第二分流流道310靠近反应区100的一侧B’也设置有第二分配栅格3110(图中未标出)。如此，采用上述多个分配栅格，可进一步对电解液进行整流，使得流入反应区的流量均匀一致。根据本发明的实施例，第一分配栅格2110和第二分配栅格3110的具体形状都不受特别的限制，本领域技术人员可根据该分配栅格对电解液的分配效果进行设计。在本发明的一些实施例中，第一分配栅格2110和第二分配栅格3110可以采用圆柱形，如此，采用上述形状的分配栅格可更有效地将电解液分流均匀。根据本发明的实施例，第一分配栅格2110和第二分配栅格3110的具体数量也不受特别的限制，本领域技术人员可以根据纵截面面积渐缩的分流流道的实际长度进行设计。在本发明的一些实施例中，第一分配栅格2110和第二分配栅格3110可分别独立地为23～25个，如此，采用上述数量的分配栅格，可使流入反应区的电解液的流量更均匀一致。

根据本发明的实施例，参考图2，第一过渡流道220与第一分流流道210是垂直设置的。相应地，第二过渡流道320与第二分流流道310也是垂直设置的。如此，在无需增加液流框的面积的同时，可有效地延长电极框内部流道的总长度，从而提高电池自放电的有效内阻，并延长电堆的使用寿命。

根据本发明的实施例，参考图2，第一过渡流道220与第一分流流道210的连接处A设置有第一整流块2210。相应地，第二过渡流道320与第二分流流道310的连接处A’设置有第二整流块3210(图中未标出)。如此，当电解液从过渡流道经过拐弯进入纵截面面积渐缩的分流流道时，整流块起到整流的作用，从而使流入的电解液更均匀。

根据本发明的实施例，第一整流块2210和第二整流块3210具体的排布方式不受特别的限制，本领域技术人员可根据电解液的实际流速和分流流道与反应区连接的具体宽度进行设计。在本发明的一些实施例中，第一整流块2210和第二整流块3210分别包括多个等距设置的第一分流块和第二分流块，并且第一分流块和第二分流块的长度各自独立的为3～5mm。如此，采用上述方式设置的多个分流块，可更好地起到整流作用，从而使流入纵截面面积渐缩的分流流道的电解液更均匀。需要说明的是，第一整流块2210和第二整流块3210的长度具体是指沿第一方向或第二方向上的长度。

根据本发明的实施例，第一分流流道210和第二分流流道310上任意一点的流道宽度D为式Ⅰ所示：D(x)＝a·x²+b·x+c(0≤x≤L)(Ⅰ)。参考图3，以第一分流流道210为例，式Ⅰ中的L为反应区100的宽度，具体的，x为第一分流流道210上任一点在第一方向(即垂直坐标系的x方向)上到反应区100靠近第一过渡流道220一端的距离；并且，第一分流流道210上已知的三个点要满足以下条件：x1为0时，起点处的流道宽度D1(图中标为d1)为(0.13～0.17)·L；x3为L时，终点处的流道宽度D3(图中标为d3)为(0.05～0.3)·D1；而x2为L/2时，中点处的流道宽度D2(图中标为d2)为(0.35～0.45)·(D1+D3)。相应地，第二分流流道310的流道宽度请参考第一分流流道210。如此，本申请的发明人根据流体力学，设计出上述的渐缩式变化宽度D的第一分流流道210和第二分流流道310，可使从分流流道流入反应区的电解液的流量和速度都更均匀，从而更不会影响电池的效率，同时更可使电解液导电通路的阻抗足够大而可以减小旁路电流，从而进一步提高液流电池的能量效率，并进一步延长该电池的使用寿命。

根据本发明的实施例，参考图2，第一过渡流道220的宽度可以是从第一液口230到第一分流道210的一端呈线性变化的。相应地，第二过渡流道320的宽度可以是从第二液口330到第二分流道310的一端也呈线性变化的。如此，第一过渡流道220和第二过渡流道320，不仅可增加整个流道的长度来增大阻抗且减小分路电路，而且还可作为电解液从液口到分流流道之前的一段过渡。

根据本发明的实施例，参考图2，第一分流流道210与第二分流流道310是中心对称的，而第一过渡流道220与第二过渡流道320也是中心对称的，则第一液口230和第二液口330分别设置在液流框的两个对角上。如此，采用上述设计的两组分流道和过渡流道，可在无需增加液流框的面积的同时，可有效地延长电极框内部流道的总长度，从而提高电池自放电的有效内阻，并延长电堆的使用寿命。

在本发明的一些实施例中，第一液口230和第二液口330在充放电过程中可分别作为进液口和出液口使用。具体地，充电时，第一液口230作为进液口而第二液口330作为出液口，电解液从第一液口230流入第一过渡流道220，再通过第一分流道210均匀地流入反应区100，充分反应后依次流过第二分流道310和第二过渡流道320，从第二液口330出来；放电时，第一液口230作为出液口而第二液口330作为进液口，则电解液从第二液口330流进、从第一液口230流出。

综上所述，根据本发明的实施例，本发明提出了一种液流框，其纵截面面积渐缩的分流流道的流道宽度的变化是根据流体力学理论设计出的，从而可使流入反应区的电解液的流量和速度都更均匀化，进而可使电堆内部的化学反应保持一致，保持电堆内部温度均匀，延长电堆使用寿命；另一方面还可以加长电极框内部流道的长度，提高电池自放电的有效内阻，延长电堆的使用寿命。

下面参考具体实施例，对本发明进行描述，需要说明的是，这些实施例仅是描述性的，而不以任何方式限制本发明。

实施例1

在该实施例中，对上述液流框的进液流道进行流体力学模拟。其中，模拟的具体条件为进口流速都设置的是等流速0.4m/s，出口设置为等压出口，此例中渐缩流道的长度为120mm，式1中参数a＝1/1800、b＝1/60、c＝5。

该实施例的流体模拟结果如图5所示，其中，模拟结果标出了流道内部和流出纵截面面积渐缩的分流流道的电解液速度(Velocity)分布情况。由图5可看出，纵截面面积渐缩的分流流道可对流入多孔电极的电解实现流量和速度的均匀分配，满足液流电池所需要的电解液流量的均匀分配效果。

对比例1

在该对比例中，按照与实施例1基本相同的模拟条件，对目前常用“弓”型流道部分进行流体力学模拟。其中，“弓”型流道的宽度为6mm,横向每段长度为120mm，且分流块的间隔为3mm。

该实施例的流体模拟结果如图6所示，其中，模拟结果标出了“弓”型流道内部和流出该流道的电解液速度(Velocity)分布情况。由图6可看出，“弓”型流道对电解液流量的均匀分配效果并不理想。

总结

综合实施例1和对比例1可得出，从图5和图6的对比中可以看到，图5的流动比图6的流动均匀得多，即本专利设计的纵截面面积渐缩的分流流道性能比目前常用的“弓”型流道的流动性能好得多。所以，本发明所提出的液流框，其纵截面面积渐缩的分流流道的流道宽度的变化是根据流体力学理论设计出的，从而可使流入反应区的电解液的流量和速度都更均匀化，进而可使电堆内部的化学反应保持一致，保持电堆内部温度均匀，延长电堆使用寿命；另一方面还可以加长电极框内部流道的长度，提高电池自放电的有效内阻，延长电堆的使用寿命。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (8)

1.一种用于液流电池的液流框，其特征在于，包括：

第一分流流道，所述第一分流流道设置在反应区的一端并与所述反应区相连通，且所述第一分流流道的纵截面积在第一方向上逐渐减小；

第一过渡流道，所述第一过渡流道的一端与所述第一分流流道纵截面积较大的一端相连通，另一端设置有与储液罐相连通的第一液口；

第二分流流道，所述第二分流流道设置在所述反应区的另一端并与所述反应区相连通，且所述第二分流流道的纵截面积在第二方向上逐渐减小；

第二过渡流道，所述第二过渡流道的一端与所述第二分流流道纵截面积较大的一端相连通，另一端设置有与所述储液罐相连通的第二液口；

其中，所述第一方向与所述第二方向相反。

2.根据权利要求1所述的液流框，其特征在于，

所述第一分流流道靠近所述反应区的一侧设置有第一分配栅格；

所述第二分流流道靠近所述反应区的一侧设置有第二分配栅格。

3.根据权利要求1所述的液流框，其特征在于，所述第一分配栅格和所述第二分配栅格各自独立地包括多个间隔分布的圆柱体。

4.根据权利要求1所述的液流框，其特征在于，

所述第一过渡流道与所述第一分流流道连接处设置有第一整流块；

所述第二过渡流道与所述第二分流流道连接处设置有第二整流块。

5.根据权利要求4所述的液流框，其特征在于，所述第一整流块和所述第二整流块分别包括多个等距设置的第一分流块和第二分流块，并且所述第一分流块和所述第二分流块的长度各自独立的为3～5mm。

6.根据权利要求1所述的液流框，其特征在于，所述第一分流流道和第一过渡流道分别与所述第二分流流道和第二过渡流道中心对称。

7.根据权利要求1所述的液流框，其特征在于，所述第一过渡流道与所述第一分流流道相互垂直，所述第二过渡流道与所述第二分流流道相互垂直。

8.根据权利要求1所述的液流框，其特征在于，所述第一分流流道和所述第二分流流道上任意一点的流道宽度D为式Ⅰ所示：

D(x)＝a·x2+b·x+c (0≤x≤L) (Ⅰ)；

其中，L为所述反应区的宽度，

x为所述第一分流流道上任一点在所述第一方向上到所述反应区靠近所述第一过渡流道一端的距离或者所述第二分流流道上任一点在所述第二方向上到所述反应区靠近所述第二过渡流道一端的距离；

并且，所述第一分流流道和所述第二分流流道上的三个点满足以下条件：

x1为0、流道宽度D1为(0.13～0.17)·L，

x3为L、流道宽度D3为(0.05～0.3)·D1，

x2为L/2、流道宽度D2为(0.35～0.45)·(D1+D3)。