CN109742434B - 一种纵向均匀流场液流电池及其工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种纵向均匀流场液流电池及其工作方法，液流电池包括设置在液流电池本体上的正极电解液回流区、正极电解液供给区、正极电极、交换膜、负极电极、负极电解液供给区和负极电解液回流区；电解液供给区为具有流路及除流路外空腔的腔体，电解液供给区设置有电解液分配流路和树状电解液供给支路，采用新型逐级树状分布纵向流入流场，保证电解液能够直接均匀供给到电极表面，提高电解液反应程度，提升电池效率。

Description

一种纵向均匀流场液流电池及其工作方法

技术领域

本发明涉及液流电池技术领域，具体涉及纵向均匀流场液流电池及其工作方法。

背景技术

随着环境污染、化石能源紧缺等问题的日益严重，人们对风能、太阳能等可再生能源的开发和利用越来越广泛，但这些可再生能源所具有间歇性、波动性为可再生能源的直接并网带来了巨大的挑战。大规模储能技术是解决可再生能源发电间歇性问题的重要手段，同时也是解决电力系统供需矛盾、保证电网稳定运行、发展智能电网的关键技术。现有储能技术由于特殊地质地理要求、低能量密度、高成本、低循环寿命等技术显示，难以得到广泛应用。比如锂离子电池成本较高、循环寿命有限、安全性较差，铅酸电池循环寿命短，这些问题使得这类技术难以胜任大规模储能的要求。作为一种新型大规模电化学储能技术，液流电池得到了人们越来越多的关注。液流电池通过溶解在电解液中活性物质电子的得失(价态变化)进行“电能-化学能-电能”的转化，进而实现电能的储存与释放。相对于其他储能技术，液流电池具有输出功率与容量相互独立、系统设计灵活、响应速度快、能量效率高、自放电速率低及使用寿命长等优点，在大规模储能领域得到了越来越多的应用。

当前液流电池按照流场结构的不同可以分为“流通型”和“流经型”两种，其中“流通型”液流电池是通过电解质在电极侧面流向另一侧进行氧化还原反应实现运行，这一过程需要电解质横向流经整个电极表面，带来巨大的泵功消耗的同时，由于流动过程中电解质的消耗也导致电极表面电解质浓度分布不均匀，很大程度上降低了液流电池的工作效率。

因此，针对液流电池在流动过程中出现的电解质泵功过高、电极内电解质浓度分布不均匀等问题，一种反应均匀、泵功较低的高效液流电池亟待出现。

发明内容

针对上述现有技术存在的问题，本发明目的在于提供一种反应高效，功耗节约的纵向均匀流场液流电池及其工作方法，提高电池效率，降低电池额外泵功。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

一种纵向均匀流场液流电池，包括设置在液流电池本体上的正极电解液回流区、正极电解液供给区、正极电极、交换膜、负极电极、负极电解液供给区和负极电解液回流区；

正极电解液供给区与正极电解液回流区和正极电极相连，正极电极和负极电极通过交换膜隔开，负极电解液供给区与负极电极和负极电解液回流区相连；

正极电解液供给区为具有流路及除流路外空腔的腔体，正极电解液供给区设置有正极电解液进口、正极电解液分配流路和树状正极电解液供给支路；正极电解液进口为正极电解液分配流路进口与液流电池外侧相连，树状正极电解液供给支路进口与正极电解液分配流路相连，树状正极电解液供给支路出口与正极电极相连；正极电解液供给区空腔与正极电极相连；

正极电解液回流区设置阵列状正极电解液排出支路、正极电解液回收流路和正极电解液出口；阵列状正极电解液排出支路进口通过正极电解液供给区空腔部分与正极电极相连，阵列状正极电解液排出支路出口与正极电解液回收流路相连，正极电解液出口为正极电解液回收流路出口与液流电池外侧相连；树状正极电解液供给支路与阵列状正极电解液排出支路不直接连通；

负极电解液供给区为具有流路及除流路外空腔的腔体，负极电解液供给区设置有负极电解液进口、负极电解液分配流路和树状负极电解液供给支路；负极电解液进口为负极电解液分配流路进口与液流电池外侧相连，树状负极电解液供给支路进口与负极电解液分配流路相连，树状负极电解液供给支路出口与负极电极相连；负极电解液供给区空腔与负极电极相连；

负极电解液回流区设置阵列状负极电解液排出支路、负极电解液回收流路和负极电解液出口；阵列状负极电解液排出支路进口通过负极电解液供给区空腔与负极电极相连，阵列状负极电解液排出支路出口与负极电解液回收流路相连，负极电解液出口为负极电解液回收流路出口与液流电池外侧相连；树状负极电解液供给支路和阵列状负极电解液排出支路为相互不连通的管路。

进一步，所述树状正极电解液供给支路和树状负极电解液供给支路为二叉树状逐级分散流场，即树状电解液供给支路为由1条电解液供给流路以90°旋转阵列分为4条支路，4条支路进一步分为16条支路，通过“1-4-16”逐级分散方式分布。

进一步，所述阵列状正极电解液排出支路和阵列状负极电解液排出支路以“4×4”阵列分布于正极电解液回流区和负极电解液回流区。

进一步，所述正极电解液进口位于正极电解液回流区侧壁上，正极电解液回收流路纵向设置在正极电解液回流区中，正极电解液回收流路分为上半段和下半段，上、下半段均设置有正极电解液出口，两个正极电解液出口分别位于正极电解液回流区底部和顶部。

进一步，所述负极电解液进口位于负极电解液回流区侧壁上，负极电解液回收流路纵向设置在负极电解液回流区中，负极电解液回收流路分为上半段和下半段，上、下半段均设置有负极电解液出口，两个负极电解液出口分别位于负极电解液回流区底部和顶部。

进一步，所述正极电解液回流区、负极电解液回流区、正极电解液供给区和负极电解液供给区所用材料为无机非金属材料、金属复合材料或有机高分子材料。

进一步，所述正极电极和负极电极为具有多孔结构的导电金属材料或碳材料。

进一步，所述交换膜为阳离子交换膜、阴离子交换膜或中性交换膜。

纵向均匀流场液流电池的工作方法包括以下步骤：

步骤S100：电解液均匀分配进入电极：

正极电解液通过正极电解液进口进入液流电池正极侧，在泵功的作用下通过正极电解液分配流路均匀分配到树状正极电解液供给支路，进入正极电极中；同时，负极电解液通过负极电解液进口进入液流电池负极侧，在泵功的作用下通过负极电解液分配流路均匀分配到树状负极电解液供给支路，进入负极电极中；

步骤S200：电池充放电反应：

电解质在电极表面进行充放电反应；

步骤S300：电解液均匀短流程流出：

正极电解液反应完成后，由每个树状正极电解液供给支路出口流入的电解液经过电极流入正极电解液供给区的空腔中，进一步通过阵列状正极电解液排出支路入口流出，汇流至正极电解液回收流路通过正极电解液出口排出；同时，负极电解液反应完成后，由每个树状负极电解液供给支路出口流入的电解液经过电极流入负极电解液供给区的空腔中，进一步通过阵列状负极电解液排出支路入口流出，汇流至负极电解液回收流路通过负极电解液出口排出。

本发明相对于现有技术，具有如下优点及效果：

本发明的纵向均匀流场液流电池，包括设置在液流电池本体上的正极电解液回流区、正极电解液供给区、正极电极、交换膜、负极电极、负极电解液供给区和负极电解液回流区；电解液供给区为具有流路及除流路外空腔的腔体，电解液供给区设置有电解液分配流路和树状电解液供给支路，采用新型逐级树状分布纵向流入流场，保证电解液能够直接均匀供给到电极表面，提高电解液反应程度，提升电池效率。

在流入流场周围留有空腔，使电解液在进入电极反应完成后直接进入空腔内，保证电解液在反应完成后能够以最短的流程流出电极，降低了电池所耗泵功；电解液回流区设置阵列状电解液排出支路，反应后的电解质以最短的流程进入电解质流出管路排出，降低进出口之间的压差，在提高电池效率的同时进一步降低了电池额外泵功。

本发明采用与流入流场相结合的阵列分布纵向流出流场，使电解液的流入流出实现顺流流动，保证电解液在低泵功的前提下正常流出。

进一步，正极电解液回收流路纵向设置在正极电解液回流区中，正极电解液回收流路分为上半段和下半段，上、下半段均设置有正极电解液出口，两个正极电解液出口分别位于正极电解液回流区底部和顶部，电解液可以从上半段和下半段分别流出，保证电解液流动顺畅，降低泵功。

附图说明

图1是本发明的结构示意图

图2是本发明液流电池电解液供给区侧视图

图3是本发明液流电池电解液回流区侧视图

图4是传统“流通型”流动方式下液流电池电极内电解质流动过程示意图

图5是本发明液流电池电极内电解质流动过程示意图

图中：1-正极电解液回流区，2-正极电解液供给区，3-正极电极，4-交换膜，5-负极电极，6-负极电解液供给区，7-负极电解液回流区，8-正极电解液进口，9-正极电解液分配流路，10-树状正极电解液供给支路，11-阵列状正极电解液排出支路，12-正极电解液回收流路，13-正极电解液出口，14-负极电解液进口，15-负极电解液分配流路，16-树状负极电解液供给支路，17-阵列状负极电解液排出支路，18-负极电解液回收流路，19-负极电解液出口。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细描述，但不作为对本发明的限定。

参见图1-3，本发明的纵向均匀流场液流电池，包括设置在液流电池本体上的正极电解液回流区1、正极电解液供给区2、正极电极3、交换膜4、负极电极5、负极电解液供给区6和负极电解液回流区7；正极电解液供给区2与正极电解液回流区1和正极电极3相连，正极电极3和负极电极5通过交换膜4隔开，负极电解液供给区6与负极电极5和负极电解液回流区7相连。

正极电解液供给区2为具有正极电解液分配流路9、阵列分布树状正极电解液供给支路10及除流路外空腔的腔体，正极电解液供给区2包括正极电解液进口8、正极电解液分配流路9和树状正极电解液供给支路10；正极电解液进口8为正极电解液分配流路9进口与液流电池外侧相连，树状正极电解液供给支路10进口与正极电解液分配流路9相连，树状正极电解液供给支路10出口与正极电极3相连；正极电解液供给区2空腔与正极电极3相连。

正极电解液回流区1为具备阵列分布阵列状正极电解液排出支路、正极电解液回收流路及正极电解液分配流路分布的流场板。正极电解液回流区1包括阵列状正极电解液排出支路11、正极电解液回收流路12和正极电解液出口13。阵列状正极电解液排出支路11进口通过正极电解液供给区2空腔部分与正极电极3相连，阵列状正极电解液排出支路11出口与正极电解液回收流路12相连，正极电解液出口13为正极电解液回收流路12出口与液流电池外侧相连；树状正极电解液供给支路10与阵列状正极电解液排出支路11不直接连通。

所述正极电解液进口8位于正极电解液回流区1侧壁上，正极电解液回收流路12纵向设置在正极电解液回流区1中，正极电解液回收流路12分为上半段和下半段，上、下半段均设置有正极电解液出口13，两个正极电解液出口13分别位于正极电解液回流区1底部和顶部。

树状正极电解液供给支路10和阵列状正极电解液排出支路11为相互不连通的管路。

负极电解液供给区6为具有负极电解液分配流路15、阵列分布树状负极电解液供给支路16及除流路外空腔的腔体，负极电解液供给区6包括负极电解液进口14、负极电解液分配流路15和树状负极电解液供给支路16。负极电解液进口14为负极电解液分配流路15进口与液流电池外侧相连，树状负极电解液供给支路16进口与负极电解液分配流路15相连，树状负极电解液供给支路16出口与负极电极5相连；负极电解液供给区6空腔与负极电极5相连。

负极电解液回流区7为具备阵列分布阵列状负极电解液排出支路、负极电解液回收流路和负极电解液分配流路分布的流场板，负极电解液回流区7包括阵列状负极电解液排出支路17、负极电解液回收流路18和负极电解液出口19。阵列状负极电解液排出支路17进口通过负极电解液供给区6空腔与负极电极5相连，阵列状负极电解液排出支路17出口与负极电解液回收流路18相连，负极电解液出口19为负极电解液回收流路18出口与液流电池外侧相连；树状负极电解液供给支路16和阵列状负极电解液排出支路17为相互不连通的管路。

所述负极电解液进口14位于负极电解液回流区7侧壁上，负极电解液回收流路18纵向设置在负极电解液回流区7中，负极电解液回收流路18分为上半段和下半段，上、下半段均设置有负极电解液出口19，两个负极电解液出口19分别位于负极电解液回流区7底部和顶部。

树状正极电解液供给支路10和树状负极电解液供给支路16为二叉树状逐级分散流场，即树状电解液供给支路可以为由1条电解液供给流路以90°旋转阵列分为4条支路，4条支路进一步分为16条支路，通过“1-4-16”逐级分散方式使电解液进入电极更加均匀；阵列状正极电解液排出支路11和阵列状负极电解液排出支路17以“4×4”阵列分布于电解液回流区1、7。

其中电解液为具有氧化还原特性的电解液即含有氧化还原电对V⁴⁺/V⁵⁺、V²⁺/V³⁺、Cr²⁺/Cr³⁺、Fe²⁺/Fe³⁺、Mn²⁺/Mn³⁺的无机电解液、基于咯嗪、硝酰自由基或醌类的有机电解液、含有硫化锂、钛酸锂、锂镍锰氧化物或高分子聚合物的纳米流体电解液。

正极电解液回流区1、负极电解液回流区7、正极电解液供给区2和负极电解液供给区6所用材料具备液流电池所需要的机械强度及对于所用电解液的耐腐蚀性，包括石墨等无机非金属材料、不锈钢等金属复合材料、聚甲基丙烯酸甲酯等有机高分子材料。

正极电极3和负极电极5为具有多孔结构的导电金属材料或碳材料；交换膜4为阳离子交换膜、阴离子交换膜或中性交换膜。

参见图3-4，本发明先进性理论分析如下：

根据多孔介质内流体流动公式Darcy-Brinkman修正方程：

其中

为压力梯度，μ为粘性系数，k为多孔介质渗透率，V为流体的表观速度，μ_m为有效粘性系数，其中在相同电极材料的情况下，μ、k和μ_m均为常数。

进一步可得电极内某一长度下进出口的压力差值ΔP：

其中l为流体的流程。

在阻力、距离等条件相同的情况下，各支路压力应与总压力相同，由此，根据图3可以得出传统“流通型”流路的压差：

作为对比，“流通型”结构液流电池与本发明液流电池采用相同流量，即：

Q₁＝Q₂

其中流量与速度关系为：

其中，w为支路流路横截面直径。

由于传统结构与本发明液流电池电极支路流路横截面直径关系为：

w₁＝w₂

因此二者流体速度关系为：

由图3-4可得，传统结构与本发明液流电池支路流程关系为：

因此，传统结构与本发明液流电池进出口压差关系为：

因此本发明液流电池中流场压差远小于传统结构流动压差，在保证电解质更加均匀分配到电极表面的同时，具有更小的泵功。

本发明的纵向均匀流场液流电池工作方法包括以下步骤：

步骤S100：电解液均匀分配进入电极：

液流电池未反应的正极电解液通过正极电解液进口8进入液流电池正极侧，在泵功的作用下通过正极电解液分配流路9均匀分配到树状正极电解液供给支路10，进入正极电极3中；同样，液流电池未反应的负极电解液通过负极电解液进口14进入液流电池负极侧，在泵功的作用下通过负极电解液分配流路15均匀分配到树状负极电解液供给支路16，进入负极电极5中；

步骤S200：电池充放电反应：

以酸性水系液流电池为例，在充电过程中，正极电解质在正极电极3表面进行氧化反应，失去电子并升高价位，所失去的电子经由正极电极3、正极电解液供给区2通过外电路进入负极侧，在电场作用下电解液内质子通过交换膜4进入负极侧；电子通过外电路经过负极电解液供给区6、负极电极5到达负极电极5表面，负极电解质在负极表面发生还原反应得到电子降低价位，由此实现电池一次的充电反应；

在放电过程中，负极电解质在负极电极5表面进行氧化反应，失去电子并升高价位，所失去的电子经由负极电极5、负极电解液供给区6通过外电路进入正极侧，在电场作用下电解液内质子通过交换膜4进入正极侧；电子通过外电路经过正极电解液供给区2、正极电极3到达正极电极3表面，正极电解质在正极表面发生还原反应得到电子降低价位，由此实现电池一次的放电反应；

步骤S300：电解液均匀短流程流出：

正极电解液反应完成后，由每个树状正极电解液供给支路10出口流入的电解液经过电极流入正极电解液供给区2的空腔中，进一步通过阵列状正极电解液排出支路11入口流出，保证电解液均匀进入电极同时在电极内流程最短，进一步电解液由阵列状正极电解液排出支路11汇流至正极电解液回收流路12通过正极电解液出口13排出；同时，负极电解液反应完成后，由每个树状负极电解液供给支路16出口流入的电解液经过电极流入负极电解液供给区6的空腔中，进一步通过阵列状负极电解液排出支路17入口流出，保证电解液均匀进入电极同时在电极内流程最短，进一步电解液由阵列状负极电解液排出支路17汇流至负极电解液回收流路18通过负极电解液出口19排出。

本发明相对于现有技术，采用一种新型树状逐级分布纵向流入流场，保证电解液能够直接均匀进入电极表面，提高电解液反应程度，进一步提升电池效率；本发明在流入流场周围留有空腔，使电解液在进入电极反应完成后直接进入空腔内，保证电解液在反应完成后能够以最短的流程流出电极，降低了电池所耗泵功；本发明采用与流入流场相结合的阵列分布纵向流出流场，使电解液的流入流出实现顺流流动，保证电解液在低泵功的前提下正常流出。

最后应该说明的是：以上实施例仅用于说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本权利要求范围当中。

Claims (9)

1.一种纵向均匀流场液流电池，其特征在于：包括设置在液流电池本体上的正极电解液回流区(1)、正极电解液供给区(2)、正极电极(3)、交换膜(4)、负极电极(5)、负极电解液供给区(6)和负极电解液回流区(7)；

正极电解液供给区(2)与正极电解液回流区(1)和正极电极(3)相连，正极电极(3)和负极电极(5)通过交换膜(4)隔开，负极电解液供给区(6)与负极电极(5)和负极电解液回流区(7)相连；

正极电解液供给区(2)为具有流路及除流路外空腔的腔体，正极电解液供给区(2)设置有正极电解液进口(8)、正极电解液分配流路(9)和树状正极电解液供给支路(10)；正极电解液进口(8)为正极电解液分配流路(9)进口与液流电池外侧相连，树状正极电解液供给支路(10)进口与正极电解液分配流路(9)相连，树状正极电解液供给支路(10)出口与正极电极(3)相连；正极电解液供给区(2)空腔与正极电极(3)相连；

正极电解液回流区(1)设置阵列状正极电解液排出支路(11)、正极电解液回收流路(12)和正极电解液出口(13)；阵列状正极电解液排出支路(11)进口通过正极电解液供给区(2)空腔部分与正极电极(3)相连，阵列状正极电解液排出支路(11)出口与正极电解液回收流路(12)相连，正极电解液出口(13)为正极电解液回收流路(12)出口与液流电池外侧相连；树状正极电解液供给支路(10)与阵列状正极电解液排出支路(11)不直接连通；

负极电解液供给区(6)为具有流路及除流路外空腔的腔体，负极电解液供给区(6)设置有负极电解液进口(14)、负极电解液分配流路(15)和树状负极电解液供给支路(16)；负极电解液进口(14)为负极电解液分配流路(15)进口与液流电池外侧相连，树状负极电解液供给支路(16)进口与负极电解液分配流路(15)相连，树状负极电解液供给支路(16)出口与负极电极(5)相连；负极电解液供给区(6)空腔与负极电极(5)相连；

负极电解液回流区(7)设置阵列状负极电解液排出支路(17)、负极电解液回收流路(18)和负极电解液出口(19)；阵列状负极电解液排出支路(17)进口通过负极电解液供给区(6)空腔与负极电极(5)相连，阵列状负极电解液排出支路(17)出口与负极电解液回收流路(18)相连，负极电解液出口(19)为负极电解液回收流路(18)出口与液流电池外侧相连；树状负极电解液供给支路(16)和阵列状负极电解液排出支路(17)为相互不连通的管路。

2.如权利要求1所述的纵向均匀流场液流电池，其特征在于：所述树状正极电解液供给支路(10)和树状负极电解液供给支路(16)为二叉树状逐级分散流场，即树状电解液供给支路为由1条电解液供给流路以90°旋转阵列分为4条支路，4条支路进一步分为16条支路，通过“1-4-16”逐级分散方式分布。

3.如权利要求2所述的纵向均匀流场液流电池，其特征在于：所述阵列状正极电解液排出支路(11)和阵列状负极电解液排出支路(17)以“4×4”阵列分布于正极电解液回流区(1)和负极电解液回流区(7)。

4.如权利要求3所述的纵向均匀流场液流电池，其特征在于：所述正极电解液进口(8)位于正极电解液回流区(1)侧壁上，正极电解液回收流路(12)纵向设置在正极电解液回流区(1)中，正极电解液回收流路(12)分为上半段和下半段，上、下半段均设置有正极电解液出口(13)，两个正极电解液出口(13)分别位于正极电解液回流区(1)底部和顶部。

5.如权利要求3所述的纵向均匀流场液流电池，其特征在于：所述负极电解液进口(14)位于负极电解液回流区(7)侧壁上，负极电解液回收流路(18)纵向设置在负极电解液回流区(7)中，负极电解液回收流路(18)分为上半段和下半段，上、下半段均设置有负极电解液出口(19)，两个负极电解液出口(19)分别位于负极电解液回流区(7)底部和顶部。

6.如权利要求4或5所述的纵向均匀流场液流电池，其特征在于：所述正极电解液回流区(1)、负极电解液回流区(7)、正极电解液供给区(2)和负极电解液供给区(6)所用材料为无机非金属材料、金属复合材料或有机高分子材料。

7.如权利要求4或5所述的纵向均匀流场液流电池，其特征在于：所述正极电极(3)和负极电极(5)为具有多孔结构的导电金属材料或碳材料。

8.如权利要求4或5所述的纵向均匀流场液流电池，其特征在于：所述交换膜(4)为阳离子交换膜、阴离子交换膜或中性交换膜。

9.如权利要求1所述的纵向均匀流场液流电池的工作方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤S100：电解液均匀分配进入电极：

正极电解液通过正极电解液进口(8)进入液流电池正极侧，在泵功的作用下通过正极电解液分配流路(9)均匀分配到树状正极电解液供给支路(10)，进入正极电极(3)中；同时，负极电解液通过负极电解液进口(14)进入液流电池负极侧，在泵功的作用下通过负极电解液分配流路(15)均匀分配到树状负极电解液供给支路(16)，进入负极电极(5)中；

步骤S200：电池充放电反应：

电解质在电极表面进行充放电反应；

步骤S300：电解液均匀短流程流出：

正极电解液反应完成后，由每个树状正极电解液供给支路(10)出口流入的电解液经过电极流入正极电解液供给区(2)的空腔中，进一步通过阵列状正极电解液排出支路(11)入口流出，汇流至正极电解液回收流路(12)通过正极电解液出口(13)排出；同时，负极电解液反应完成后，由每个树状负极电解液供给支路(16)出口流入的电解液经过电极流入负极电解液供给区(6)的空腔中，进一步通过阵列状负极电解液排出支路(17)入口流出，汇流至负极电解液回收流路(18)通过负极电解液出口(19)排出。

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