CN108987763A - 一种具有分级叉指形流场的液流电池双极板 - Google Patents

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Abstract

一种具有分级叉指形流场的液流电池双极板，属于液流电池技术领域。本发明液流电池用双极板的供液分配流道和排液分配流道分别设置有若干个分支流道，并使得末级供液分支流道与末级排液分支流道呈叉指状排列分布且互不连通，这样强迫电解液从末级供液分支流道中供应至多孔电极中再汇集到末级排液分支流道排出。传统单级叉指形流场的流道狭窄，阻力大，这就造成了经流道传输至多孔电极中的电解液流速受制于流道横截面积，而相比之下，本发明分级叉指形流场可以灵活独立设计每一级流道的几何结构，在保持末级流道尺寸与传统结构相近的同时，增大了末级流道前各级流道的横截面积，能够进一步强化传质以及降低泵功损耗，提升电池电压效率及电池系统效率。

Description

一种具有分级叉指形流场的液流电池双极板
技术领域
本发明属于液流电池技术领域，具体涉及一种具有分级叉指形流场的液流电池双极板。
背景技术
液流电池是一种大规模储能技术，因其可扩展性好，安全性好，寿命长，能量效率高，在消纳可再生能源、削峰填谷等领域具有广阔的应用前景。在液流电池中，活性物质以离子形式溶解在液态电解液里，被储存在外部储液罐中。当电池充电或者放电时，电解液通过管路被泵送至电化学反应池发生电化学反应以储存或释放电能。在液流电池电堆中，双级板主要作用是传递电子，隔绝相邻两个单电池内的电解液。通常，液流电池采用传统的无流场结构(灌流式结构)，双级板上没有流场结构，电解液直接流过整个多孔电极，电解液在多孔电极内的流动距离较长。为实现较小的压降损耗，无流场结构往往采用较厚的电极(3-6毫米)，这导致电池内阻较大，电池性能较差。最近的研究借鉴燃料电池流场设计，在液流电池双级板两侧引入场流场结构，降低电极液在多孔电极内的流动距离及压降损耗，使得采用薄电极设计(0.3-1.5毫米)成为可能。基于薄电极结构，电池内阻降低，电池性能明显提升。现有的液流电池双级板流场结构包括：蛇形流场，平行流场及叉指形流场。之前的研究表明，叉指形流场继承了无流场结构强迫对流传质效果好的优点，同时有效减少电解液在多孔电极内的流动距离，较无流场结构压降损耗降低。但是现有的单级叉指形流场设计只是针对面积较小的电池，流道结构单一。具有传统叉指形流场的400cm2大面积液流电池泵功损耗往往可达40mW cm-2,系统效率较低，难以实际应用。目前，大面积电池(特别是200平方厘米以上)尚未有合理的流场设计，难以同时实现低压降损耗和良好传质效果。
发明内容
鉴于上文所述，本发明针对现有技术存在的缺陷，提供了一种具有分级叉指形流场的液流电池用双极板，通过对每一级流道进行科学合理的设计，不仅增强了传质效果，而且显著降低了压降损耗。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种具有分级叉指形流场的液流电池用双级板，其特征在于，包括通入电解液的供液口，以及设置在双级板两侧表面上分别与相应供液口连接的供液分配流道，所述供液分配流道包括若干级供液分支流道，供液口与相应供液分配流道的总管相连接；排液口，以及设置在双级板两侧表面上分别与相应排液口连接的排液收集流道，所述排液收集流道包括若干级排液分支流道，排液口与相应排液收集流道的总管相连接；末级供液分支流道与末级排液分支流道呈叉指状排列分布且互不连通。
进一步地，每一级供液分支流道上设置有至少两个次一级供液分支流道；具体地，所述供液分配流道上设置有至少两个一级供液分支流道，一级供液分支流道上设置有至少两个二级供液分支流道，二级供液分支流道上设置有至少两个三级供液分支流道，以此类推直至末级供液分支流道，使电解液从供应分配流道均匀供应至多孔电极。作为优选方式，所述供液分支流道的级数为二至十极。
进一步地，每一级排液分支流道上设置有至少两个次一级排液分支流道；具体地，所述排液收集流道上设置有至少两个一级排液分支流道，一级排液分支流道上设置有至少两个二级排液分支流道，二级排液分支流道上设置有至少两个三级排液分支流道，以此类推直至末级排液分支流道，使电解液从多孔电极均匀收集到排液收集流道。作为优选方式，所述排液分支流道的级数为二至十极。
进一步地，上一级供液分支流道的横截面积大于下一级供液分支流道的横截面积。
进一步地，上一级排液分支流道的横截面积大于下一级排液分支流道的横截面积。
进一步地，一级供液分支流道的深度和宽度为0.5～10mm，末级供液分支流道的深度和宽度为0.1～5mm。
进一步地，一级排液分支流道的深度和宽度为0.5～10mm，末级排液分支流道的深度和宽度为0.1～5mm。
进一步地，末级供液分支流道与末级排液分支流道之间的相距为0.5～50mm。
相比现有技术，本发明的有益效果是：
本发明采用分级叉指形流场的液流电池用双极板，末级供液分支流道与末级排液分支流道呈叉指状排列分布且互不连通，这样强迫电解液从末级供液分支流道中供应至多孔电极中进行电化学反应，再汇集到末级排液分支流道中。传统单级叉指形流场的流道狭窄，阻力大，这就造成经流道传输至多孔电极中的电解液流速受制于流道横截面积，而相较于传统单一流道结构的单级叉指形流场，本发明分级叉指形流场可以灵活独立设计每一级流道的几何结构，在保持末级流道尺寸与传统结构相近的前提下，可以增大末级流道前各级流道的横截面积，从而在强化传质的同时进一步降低了泵功损耗，提升电池电压效率及电池系统效率。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种具有三级分级叉指形流场的液流电池用双级板的结构示意图；
图中，1为正极供液口，2为正极供液分配流道，3为正极一级供液分支流道，4为正极二级供液分支流道，5为正极三级供液分支流道，6正极排液口，7为正极排液收集流道，8为正极一级排液分支流道，9为正极二级排液分支流道，10为正极三级排液分支流道，11为负极供液口，12为负极排液口，13为双级板。
图2为本发明实施例2所提供双极板的分级叉指形流场以及现有传统双极板的单级叉指形流场的对比示意图。
图3为实施例2中压降及泵功损耗。
图4为实施例2中考虑泵功损耗后液流电池电压效率。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面结合说明书附图和具体实施例将对本发明进行更全面的描述。本发明能够以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
实施例1：
如图1所示，本实施例提供了一种具有分级叉指形流场的液流电池用双级板，本实施例中双级板13的厚度为7mm，长度为300mm，宽度为180mm；双级板13一侧表面上分别设置有通入电解液的正极供液口1；双级板13与正极供液口1同侧表面上还设置有分别与正极供液口1连接的正极供液分配流道2，正极供液分配流道2宽度为4mm，深度为3mm；所述正极供液分配流道2连接若干个一级供液分支流道3，正极一级供液分支流道3宽度为3mm，深度为2.5mm；所述一级供液分支流道3上连接有2个以上的二级供液分支流道4，正极二级供液分支流道4宽度为2mm，深度为2mm；所述二级供液分支流道4上连接有2个以上的三级供液分支流道5，所述正极三级供液分支流道5宽度为1mm，深度为1mm；双级板13与正极供液口1同侧表面上还设置有排出电解液的正极排液口6，双级板13与正极排液口6同侧表面上还设置有分别与负极供液口6连接的负极排液分配流道7，负极排液分配流道7宽度为4mm，深度为3mm；所述负极排液分配流道7连接若干个一级排液分支流道8，负极一级排液分支流道8宽度为3mm，深度为2.5mm；所述一级排液分支流道8上连接有2个以上的二级排液分支流道9，负极二级排液分支流道9宽度为2mm，深度为2mm；所述二级排液分支流道9上连接有2个以上的三级排液分支流道10，所述负极三级排液分支流道10宽度为1mm，深度为1mm；正极三级供液分支流道5与正极三级排液分支流道10之间相距1.5mm；正极三级供液分支流道5与正极三级排液分支流道10呈叉指状排列分布且互不连通；
双级板13另一侧表面上分别设置有通入电解液的负极供液口11和负极排液口12，双级板13与负极供液口11同侧表面上还设置有分别与负极供液口11连接的负极供液分配流道和负极排液分配流道，负极供液分配流道的设置与正极供液分配流道2相同，负极排液分配流道与正极排液分配流道7相同。
下面以双极板正极侧结构为例详细说明工作过程：正极电解液从双级板上正极供液口1流入，经过正极供液分配流道2分配后，流入各正极一级供液分支流道3，进而流入各正极二级供液分支流道4，再流入各正极三级供液分支流道5；在压差的作用下，电解液被迫从正极三级供液分支流道5流入多孔电极进行电化学反应，然后再从多孔电极流入正极三级排液分支流道10，依次经过正极二级排液分支流道9、正极一级排液分支流道8，正极排液收集流道7，再经由正极排液口6流出。
采用此类含有分级叉指形流场的液流电池用双级板组装全钒液流电池单电池，并在3mLcm-2min-1流量及120mA cm-2恒流充放电条件下进行测试，考虑泵功损耗后综合能量效率为81％，比采用传统单级叉指形流场的双级板装配的电池效率提升5％；同时，电解液供排液口压降降低55％。
实施例2：
本实施例除了结构参数与实施例1不同以外，其余均与实施例1相同。如图2a所示为本发明实施例提供的具有分级叉指形流场的液流电池用双级板，其厚度为8mm，长度为160mm，宽度为160mm，正极供液分配流道宽度为3mm，深度为3mm，正极一级供液分支流道宽度为2mm，深度为2.5mm，正极二级供液分支流道宽度为1mm，深度为1mm；正极排液收集流道宽度为3mm，深度为3mm，正极一级排液分支流道宽度为2mm，深度为2.5mm，正极二级排液分支流道宽度为1mm，深度为1mm；正极三级供液分支流道与正极三级排液分支流道之间的间距为1mm；负极供液分配流道的设计与正极供液分配流道相同。电极面积4.8×8.3cm2，厚度0.5mm。
如图2b所示，采用传统叉指形流场的流道宽度、深度、间隙宽度均为1mm，电极面积4.8×8.3cm2，厚度0.5mm的双极板作为对比实施例，
如图3所示，采用此类具有分级叉指形流场的液流电池用双级板组装全钒液流电池单电池，在3mL cm-2min-1流量下，电解液供排液口压降降低65％。如图4所示为单级叉指形流场双极板(IFF)和分级叉指形流场双极板(HIFF)在3mL cm-2min-1流量及240mA cm-2恒流充放电条件下进行测试，考虑泵功损耗后综合电压效率为79％，比采用传统单级叉指形流场的双级板装配的电池效率提升5％。
以上结合附图对本发明的实施例进行了详细阐述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，不脱离本发明宗旨和权利要求所保护范围的情况下还可以做出很多变形，这些均属于本发明的保护。

Claims (10)

1.一种具有分级叉指形流场的液流电池用双级板，其特征在于，包括通入电解液的供液口，以及设置在双级板两侧表面上分别与相应供液口连接的供液分配流道，所述供液分配流道包括若干级供液分支流道，供液口与相应供液分配流道的总管相连接；排液口，以及设置在双级板两侧表面上分别与相应排液口连接的排液收集流道，所述排液收集流道包括若干级排液分支流道，排液口与相应排液收集流道的总管相连接；末级供液分支流道与末级排液分支流道呈叉指状排列分布且互不连通。
2.根据权利要求1所述的一种具有分级叉指形流场的液流电池用双级板，其特征在于，每一级供液分支流道上设置有至少两个次一级供液分支流道。
3.根据权利要求1所述的一种具有分级叉指形流场的液流电池用双级板，其特征在于，所述供液分支流道的级数为二至十极。
4.根据权利要求1所述的一种具有分级叉指形流场的液流电池用双级板，其特征在于，每一级排液分支流道上设置有至少两个次一级排液分支流道。
5.根据权利要求1所述的一种具有分级叉指形流场的液流电池用双级板，其特征在于，所述排液分支流道的级数为二至十极。
6.根据权利要求1所述的一种具有分级叉指形流场的液流电池用双级板，其特征在于，上一级供液分支流道的横截面积大于下一级供液分支流道的横截面积。
7.根据权利要求1所述的一种具有分级叉指形流场的液流电池用双级板，其特征在于，上一级排液分支流道的横截面积大于下一级排液分支流道的横截面积。
8.根据权利要求1所述的一种具有分级叉指形流场的液流电池用双级板，其特征在于，一级供液分支流道的深度和宽度为0.5～10mm，末级供液分支流道的深度和宽度为0.1～5mm。
9.根据权利要求1所述的一种具有分级叉指形流场的液流电池用双级板，其特征在于，一级排液分支流道的深度和宽度为0.5～10mm，末级排液分支流道的深度和宽度为0.1～5mm。
10.根据权利要求1所述的一种具有分级叉指形流场的液流电池用双级板，其特征在于，末级供液分支流道与末级排液分支流道之间的相距为0.5～50mm。
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