CN109411782B - 一种全钒液流电池的液流框 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种全钒液流电池的液流框，包括中空的框体，框体上对称设有进液流道与出液流道，进液流道包括依次连通的进液主流道、进液第一级缓冲流道、进液第一级分流道、进液第二级缓冲流道与进液第二级分流道，出液流道包括依次连通的出液主流道、出液第一级缓冲流道、出液第一级分流道、出液第二级缓冲流道与出液第二级分流道，进液第一级分流道与出液第一级分流道中都均匀设有多个用于构成倾斜电解液流道的平行四边形凸起，进液第二级分流道与出液第二级分流道中都均匀设有多个用于构成电解液流道的矩形凸起。本发明的液流框能使电解液更加均匀和一致的分布在液流框中部，有利于提高钒电池的能量效率，提高电流效率。

Description

一种全钒液流电池的液流框

技术领域

本发明属于液流储能技术领域，尤其涉及一种液流电池的液流框。

背景技术

全钒液流电池储能系统是一种用于大规模储能的技术，我国全钒液流电池经过了几十年的发展，已经取得了不少的成果。其电解液存储在不同的正负极储液罐中，具有易于进行还原处理、输出功率和电池容量设计灵活、使用寿命长等优点，且对环境的污染小、安全性高、经济性好等特点，因此在电网削峰填谷、智能电网建设等方面具有广泛的应用前景。

全钒液流电池由正极储液罐、负极储液罐、电泵、多孔电极以及液流框等组成。不同价态的钒离子电解液分别存储在正、负极储液罐中，电解液通过泵的加压而流入到相应的流道中，氢离子通过其中的离子交换膜，在框体内发生氧化还原反应，最终流回到相应的储液罐中，完成一个充放电过程。因此，电解液能否充分均匀的分布在多孔电极上，将直接影响各个单电池中的局部的氧化还原反应，从而影响到电池的各项性能表现。

液流框是将电解液从储液罐导入到多孔电极的必经流域，其能否合理均匀地将电解液分布到多孔电极反应区域具有十分重要的意义。电解液一旦分布不均匀，将会极大的降低电极的单位电流密度，引起不同程度的浓差极化，导致电堆的局部温度过高，甚至发生烧坏的情况，缩短电池的使用寿命。因此，液流框的设计在全钒液流电池的电堆中具有很大的作用。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服以上背景技术中提到的不足和缺陷，提供一种能使电解液更加均匀和一致的分布在液流框中部的、用于全钒液流电池的液流框。为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：

一种全钒液流电池的液流框，包括中空的框体，所述框体上设有进液口、出液口、多个框体螺杆定位孔与多个流道盖板定位柱，所述框体上对称设有进液流道与出液流道，所述进液流道与进液口相连通，所述出液流道与出液口相连通，所述进液流道包括依次连通的进液主流道、进液第一级缓冲流道、进液第一级分流道、进液第二级缓冲流道与进液第二级分流道，所述出液流道包括依次连通的出液主流道、出液第一级缓冲流道、出液第一级分流道、出液第二级缓冲流道与出液第二级分流道，所述进液第一级分流道与出液第一级分流道中都均匀设有多个用于构成倾斜电解液流道的平行四边形凸起，所述平行四边形凸起间隔排布，所述进液第二级分流道与出液第二级分流道中都均匀设有多个用于构成电解液流道的矩形凸起，所述矩形凸起并列、间隔排布。上述框体螺杆定位孔用于一体化全钒液流电池电堆时起固定作用，流道盖板定位柱用于卡接流道盖板。

上述液流框中，优选的，进液第一级分流道中倾斜电解液流道的宽度与平行四边形凸起的宽度相同，进液第二级分流道中电解液流道的宽度与矩形凸起的宽度相同，进液第一级分流道中倾斜电解液流道的宽度与进液第二级分流道中电解液流道的宽度也保持相同。

本发明中，进液第一级分流道采用了倾斜电解液流道的分流结构，使得电解液能更好的向两边扩散，避免了传统结构中流道交汇处流速较慢的情况，提高了流速的一致性，进液第二级分流道采用了长直状的分流结构，能更好的减少压力损失，提高能量效率。

上述液流框中，优选的，所述进液第一级缓冲流道在正对进液主流道的出口处设有一挡流块，所述挡流块的横截面为圆角矩形，所述出液第一级缓冲流道在正对出液主流道的入口处设有一挡流块，所述挡流块的横截面为圆角矩形。挡流块的作用在于压制进液电解液直冲的速度，使得电解液能更好的分散于左右流道中，提高电解液分布的均匀性与一致性；且采用带弧度的挡流块，能更好的减少局部流动死区的形成，促进换液过程。

上述液流框中，优选的，所述圆角矩形的圆角弧度β控制为60°-90°，且所述圆角矩形除去两端圆弧部分后的长度a与进液主流道的宽度b之比为(1.2-1.5)：1。圆角弧度过小，一方面容易导致电解液在流道中形成涡状流，从而导致流动死区的出现，另一方面过小的弧度使得电解液进入到第二级缓冲流道的速度倾斜角太大，流动压力加大；圆角弧度过大，则使结构设计内嵌，明显不利于电解液流动。比例控制为(1.2-1.5)：1是基于以下考虑：比例过小，会使得挡流块无法很好的压制进液电解液直冲的速度，使得流道两端流速较小，不能起到较好的分流作用；比例过大，则使得圆角矩形上方形成流动死区，不利于速度分布的一致性。

上述液流框中，优选的，所述进液第一级缓冲流道与出液第一级缓冲流道的宽度k均为3-20mm，所述进液第二级缓冲流道与出液第二级缓冲流道的宽度h也均为3-20mm。上述缓冲流道的宽度过低会使得进入到多孔电极反应区域的电解液的流速过快，容易冲击到反应介质；过高则不利于更好的利用电解液的速度，导致能源的浪费及能量效率的降低。

上述液流框中，优选的，所述进液口与出液口设于框体的一相对边的中部，所述进液主流道为偶数条，且多条进液主流道沿进液口与出液口的中心连线对称设置；所述出液主流道为偶数条，且多条出液主流道沿进液口与出液口的中心连线对称设置。更优选的，所有进液主流道的长度保持相同，所有出液主流道的长度也保持相同。所有进液主流道与出液主流道的长度保持相同可以保证电解液流动行程的一致性，更加有利于电解液分布均匀。另外，对称设置的进液主流道与出液主流道，有利于电解液进入更加均匀的流到多孔电极区域。

上述液流框中，优选的，所述进液第一级缓冲流道与进液第一级分流道都均匀分成偶数块，偶数块的数量与进液主流道的数量相同，且相邻两块进液第一级缓冲流道之间相互不直接连通，相邻两块进液第一级分流道之间也相互不直接连通，每条进液主流道均对应一块进液第一级缓冲流道与一块进液第一级分流道，多块进液第一级缓冲流道与多块进液第一级分流道均沿进液口与出液口的中心连线对称设置；所述出液第一级缓冲流道与出液第一级分流道都均匀分成偶数块，偶数块的数量与出液主流道的数量相同，且相邻两块出液第一级缓冲流道之间相互不直接连通，相邻两块出液第一级分流道之间也相互不直接连通，每条出液主流道对应一块出液第一级缓冲流道与一块出液第一级分流道，多块出液第一级缓冲流道与多块出液第一级分流道均沿进液口与出液口的中心连线对称设置。对称设置的进液流道与出液流道，有利于电解液进入更加均匀的流到多孔电极区域。

上述液流框中，优选的，所述进液主流道为四条，所述进液第一级缓冲流道与进液第一级分流道均为四块；所述出液主流道为四条，所述出液第一级缓冲流道与出液第一级分流道均为四块。本发明中进液主流道与出液主流道均为四条可以延长内部管路，加大管路的电阻，减小旁路电流的产生。

上述液流框中，优选的，每块进液第一级分流道与每块出液第一级分流道中的平行四边形凸起沿挡流块对称设置，位于挡流块同一侧的倾斜电解液流道的倾斜角度α保持相同，且倾斜电解液流道的倾斜方向均由挡流块中心向两边倾斜。进液第一级分流道与出液第一级分流道中，采了由中心向两边倾斜的平行四边形凸起，可以保证进入每块进液第一级分流道或出液第一级分流道的电解液更好的向两边扩散，避免了传统结构中流道交汇处流速较慢的情况，提高了流速的一致性，保证电解液均匀的流入多孔电极区域。

上述液流框中，优选的，所述倾斜角度α的范围为30°-75°。若倾斜角度太小，会造成电解液流动速度方向较偏，不利于电解液通过多孔电极石墨毡；若倾斜角度过大，容易造成平行四边形凸起与平行四边形凸起之间形成流速较慢的区域，容易造成反应区域局部换液不充分，出现局部浓差极化的现象。

本发明中，电解液通过电泵的加压作用从储液罐中输送到正极液流框的进液口，流经进液主流道，经过进液主流道、进液第一缓冲流道与进液第一级分流道，在进液第一级分流道均匀分流的作用下，电解液均匀的流入进液第二级缓冲流道，再通过进液第二级分流道流入到中空部分(即多孔电极反应区域)发生氧化还原反应，而后从出液第二级分流道流出，再依次经过出液第二级缓冲流道、出液第一级分流道、出液第一级缓冲流道，然后汇入出液主流道，最终从正极出液口流出，回到正极储液罐，完成一个循环。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

本发明的全钒液流电池的液流框的具有以下优点：1、能使得电解液更加均匀和一致地分布在框体中部的多孔电极区域，提高在同一时刻里多孔电极反应区域里离子浓度的一致性，从而提高电池的单位电流密度，降低单电池中浓差极化现象的产生，从而降低局部温度过高的风险，避免了单电池中烧坏的情况的发生。2、能更好的减小压力损失，有利于提高钒电池的能量效率，进而延长钒电池的使用寿命。3、较长的内部管路设计能加大管路电阻，从而降低旁路电流的产生，提高电流效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明液流框的结构示意图。

图2为图1中A的局部放大图。

图3为图1的主视图。

图4为图3中B的局部放大图。

图例说明：

1、框体；2、进液口；3、出液口；4、框体螺杆定位孔；5、流道盖板定位柱；6、平行四边形凸起；7、矩形凸起；8、挡流块；11、进液主流道；12、进液第一级缓冲流道；13、进液第一级分流道；14、进液第二级缓冲流道；15、进液第二级分流道；21、出液主流道；22、出液第一级缓冲流道；23、出液第一级分流道；24、出液第二级缓冲流道；25、出液第二级分流道。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下文将结合说明书附图和较佳的实施例对本发明作更全面、细致地描述，但本发明的保护范围并不限于以下具体的实施例。

除非另有定义，下文中所使用的所有专业术语与本领域技术人员通常理解的含义相同。本文中所使用的专业术语只是为了描述具体实施例的目的，并不是旨在限制本发明的保护范围。

实施例：

如图1-4所示，本实施例的全钒液流电池的液流框，包括中空的框体1，框体1上设有进液口2、出液口3、多个框体螺杆定位孔4与多个流道盖板定位柱5，框体1上对称设有进液流道与出液流道，进液流道与进液口2相连通，出液流道与出液口3相连通，进液流道包括依次连通的进液主流道11、进液第一级缓冲流道12、进液第一级分流道13、进液第二级缓冲流道14与进液第二级分流道15，出液流道包括依次连通的出液主流道21、出液第一级缓冲流道22、出液第一级分流道23、出液第二级缓冲流道24与出液第二级分流道25，进液第一级分流道13与出液第一级分流道23中都均匀设有多个用于构成倾斜电解液流道的平行四边形凸起6，平行四边形凸起6间隔排布，进液第二级分流道15与出液第二级分流道25中都均匀设有多个用于构成电解液流道的矩形凸起7，矩形凸起7并列、间隔排布。

本实施例中，进液第一级缓冲流道12在正对进液主流道11的出口处设有一挡流块8，挡流块8的横截面为圆角矩形，出液第一级缓冲流道22在正对出液主流道21的入口处设有一挡流块8，挡流块8的横截面为圆角矩形，圆角矩形的圆角弧度β控制为60°-90°(上述范围均可)，且所述圆角矩形除去两端圆弧部分后的长度a与进液主流道11的宽度b之比为(1.2-1.5)：1(上述范围均可)。

本实施例中，进液第一级缓冲流道12与出液第一级缓冲流道22的宽度k均为3-20mm(上述范围均可)，进液第二级缓冲流道14与出液第二级缓冲流道24的宽度h也均为3-20mm(上述范围均可)。

本实施例中，进液口2与出液口3设于框体1的一相对边的中部，进液主流道11为偶数条(图1中示出的情况为4条)，且多条进液主流道11沿进液口2与出液口3的中心连线对称设置；出液主流道21为偶数条(图1中示出的情况为4条)，且多条出液主流道21沿进液口2与出液口3的中心连线对称设置。所有进液主流道11的长度保持相同，所有出液主流道21的长度也保持相同。

本实施例中，进液第一级缓冲流道12与进液第一级分流道13都均匀分成偶数块，偶数块的数量与进液主流道11的数量相同，且相邻两块进液第一级缓冲流道12之间相互不直接连通，相邻两块进液第一级分流道13之间也相互不直接连通，每条进液主流道11均对应一块进液第一级缓冲流道12与一块进液第一级分流道13，多块进液第一级缓冲流道12与多块进液第一级分流道13均沿进液口2与出液口3的中心连线对称设置；出液第一级缓冲流道22与出液第一级分流道23都均匀分成偶数块，偶数块的数量与出液主流道21的数量相同，且相邻两块出液第一级缓冲流道22之间相互不直接连通，相邻两块出液第一级分流道23之间也相互不直接连通，每条出液主流道21对应一块出液第一级缓冲流道22与一块出液第一级分流道23，多块出液第一级缓冲流道22与多块出液第一级分流道23均沿进液口2与出液口3的中心连线对称设置。

本实施例中，每块进液第一级分流道13与每块出液第一级分流道23中的平行四边形凸起6沿挡流块8对称设置，位于挡流块8同一侧的倾斜电解液流道的倾斜角度α保持相同，且倾斜电解液流道的倾斜方向均由挡流块8中心向两边倾斜，倾斜角度α为30°-75°(上述范围均可)。

本实施例中，进液第一级分流道13中倾斜电解液流道的宽度与平行四边形凸起6的宽度相同，进液第二级分流道15中电解液流道的宽度与矩形凸起7的宽度相同，进液第一级分流道13中倾斜电解液流道的宽度与进液第二级分流道15中电解液流道的宽度也保持相同。

Claims (10)

1.一种全钒液流电池的液流框，包括中空的框体(1)，所述框体(1)上设有进液口(2)、出液口(3)、多个框体螺杆定位孔(4)与多个流道盖板定位柱(5)，所述框体(1)上对称设有进液流道与出液流道，所述进液流道与进液口(2)相连通，所述出液流道与出液口(3)相连通，其特征在于，所述进液流道包括依次连通的进液主流道(11)、进液第一级缓冲流道(12)、进液第一级分流道(13)、进液第二级缓冲流道(14)与进液第二级分流道(15)，所述出液流道包括依次连通的出液主流道(21)、出液第一级缓冲流道(22)、出液第一级分流道(23)、出液第二级缓冲流道(24)与出液第二级分流道(25)，所述进液第一级分流道(13)与出液第一级分流道(23)中都均匀设有多个用于构成倾斜电解液流道的平行四边形凸起(6)，所述平行四边形凸起(6)间隔排布，所述进液第二级分流道(15)与出液第二级分流道(25)中都均匀设有多个用于构成电解液流道的矩形凸起(7)，所述矩形凸起(7)并列、间隔排布。

2.根据权利要求1所述的液流框，其特征在于，所述进液第一级缓冲流道(12)在正对进液主流道(11)的出口处设有一挡流块(8)，所述挡流块(8)的横截面为圆角矩形，所述出液第一级缓冲流道(22)在正对出液主流道(21)的入口处设有一挡流块(8)，所述挡流块(8)的横截面为圆角矩形。

3.根据权利要求2所述的液流框，其特征在于，所述圆角矩形的圆角弧度β控制为60°-90°，且所述圆角矩形除去两端圆弧部分后的长度a与进液主流道(11)的宽度b之比为(1.2-1.5)：1。

4.根据权利要求1所述的液流框，其特征在于，所述进液第一级缓冲流道(12)与出液第一级缓冲流道(22)的宽度k均为3-20mm，所述进液第二级缓冲流道(14)与出液第二级缓冲流道(24)的宽度h也均为3-20mm。

5.根据权利要求1-4中任一项所述的液流框，其特征在于，所述进液口(2)与出液口(3)设于框体(1)的一相对边的中部，所述进液主流道(11)为偶数条，且多条进液主流道(11)沿进液口(2)与出液口(3)的中心连线对称设置；所述出液主流道(21)为偶数条，且多条出液主流道(21)沿进液口(2)与出液口(3)的中心连线对称设置。

6.根据权利要求5所述的液流框，其特征在于，所有进液主流道(11)的长度保持相同，所有出液主流道(21)的长度也保持相同。

7.根据权利要求5所述的液流框，其特征在于，所述进液第一级缓冲流道(12)与进液第一级分流道(13)都均匀分成偶数块，偶数块的数量与进液主流道(11)的数量相同，且相邻两块进液第一级缓冲流道(12)之间相互不直接连通，相邻两块进液第一级分流道(13)之间也相互不直接连通，每条进液主流道(11)均对应一块进液第一级缓冲流道(12)与一块进液第一级分流道(13)，多块进液第一级缓冲流道(12)与多块进液第一级分流道(13)均沿进液口(2)与出液口(3)的中心连线对称设置；所述出液第一级缓冲流道(22)与出液第一级分流道(23)都均匀分成偶数块，偶数块的数量与出液主流道(21)的数量相同，且相邻两块出液第一级缓冲流道(22)之间相互不直接连通，相邻两块出液第一级分流道(23)之间也相互不直接连通，每条出液主流道(21)对应一块出液第一级缓冲流道(22)与一块出液第一级分流道(23)，多块出液第一级缓冲流道(22)与多块出液第一级分流道(23)均沿进液口(2)与出液口(3)的中心连线对称设置。

8.根据权利要求7所述的液流框，其特征在于，所述进液主流道(11)为四条，所述进液第一级缓冲流道(12)与进液第一级分流道(13)均为四块；所述出液主流道(21)为四条，所述出液第一级缓冲流道(22)与出液第一级分流道(23)均为四块。

9.根据权利要求7所述的液流框，其特征在于，每块进液第一级分流道(13)与每块出液第一级分流道(23)中的平行四边形凸起(6)沿挡流块(8)对称设置，位于挡流块(8)同一侧的倾斜电解液流道的倾斜角度α保持相同，且倾斜电解液流道的倾斜方向均由挡流块(8)中心向两边倾斜。

10.根据权利要求9所述的液流框，其特征在于，所述倾斜角度α的范围为30°-75°。