CN109841867B - 一种适用于梯形液流电池电堆的液流框 - Google Patents
一种适用于梯形液流电池电堆的液流框 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种适用于梯形液流电池电堆的液流框，液流框为一中部带有通孔的平板状结构，通孔为电极区域，通孔平行于板体平面的截面为等腰梯形，于平板的一侧表面或二侧表面上靠近通孔上下二条底边的边缘处分别设有作为电解液自由流动区域的凹槽，下底边边缘处的凹槽为入口自由流动区域、上底边边缘处的凹槽为出口自由流动区域，每个自由流动区域与通孔间均开设有2个以上作为次级导流流道的凹槽；该液流框结构简单，加工方便，能有效提高电解液分配的均匀性，抑制电堆内部局域过热，降低极化，提高电解液利用率。
Description
技术领域
本发明涉及液流电池领域，特别涉及梯形液流电池电极框。
背景技术
随着能源结构的调整，利用风能、太阳能等可再生能源发电受到越来越广泛的关注，但可再生能源发电具有不连续、不稳定等特点，直接并网难，弃风、弃光率高。以液流电池为代表的电储能技术为解决这一问题提供了契机。电推是液流电池的核心部件，其性能的好坏直接关系到整个系统的性能与成本。电堆包括端板、电极、液流框、离子交换膜等部件，其中，液流框的主要作用在于保证电解液准确、合理地流入、流出电极区域和支撑电极，从而使得电堆高效运行。尤其是在电极面积较大的大功率电堆中，合理的液流框设计对于电解液的均匀分布尤为重要。中国专利(专利申请号：201410495737.5)中提出了梯形电堆的新型结构，该结构可以有效减小电极中的浓差极化，具有很高的实用性。但是，该专利中未涉及导流结构。同时，与矩形电堆相比，实现梯形电堆中电解液的均匀分布更加困难。若采用现有的导流结构难以实现电解液的均匀分配。
发明内容
本发明的目的在于，针对现有梯形液流电池中设计中电解液在在进出口截面上分布不均匀的问题，设计一种适用于梯形液流电池电堆的液流框，通过合理地设计电解液进出口导流流道的长度从进出口中部到两端逐渐变化而实现电解液沿着进出口截面方向均匀分布，从而避免出现局部极化过高的问题，为液流储能电池的大规模应用奠定基础。
为实现上述目的，本发明采用的具体技术方案如下：
一种适用于梯形液流电池的液流框，液流框为一中部带有通孔的平板状结构，通孔为电极区域，通孔平行于板体平面的截面为等腰梯形，于平板的一侧表面或二侧表面上靠近通孔上下二条底边的边缘处分别设有作为电解液自由流动区域的凹槽，下底边边缘处的凹槽为入口自由流动区域、上底边边缘处的凹槽为出口自由流动区域，每个自由流动区域与通孔间均开设有2个以上作为次级导流流道的凹槽；
入口自由流动区域：A、入口自由流动区域平行于板体平面的凹槽截面为左右对称结构，凹槽截面宽度从入口自由流动区域的对称中心向左右二侧左右对称逐渐减小后再逐渐增大，凹槽截面宽度是指凹槽截面远离次级导流流道侧边与次级导流流道所在凹槽截面侧边的距离；入口自由流动区域上的次级导流流道的长度相等，次级导流流道的长度是指每个次级导流流道处的入口自由流动区域与通孔间的距离；于板体平面的入口自由流动区域向远离通孔侧设有流体入口，流体入口处于凹槽截面的对称轴上，于下底边边缘处的平板表面开设有作为入口主导流流道的凹槽，入口主导流流道的凹槽一端与流体入口相连，另一端与板体上作为电解液主流入口的一个通孔相连；
或B、入口自由流动区域平行于板体平面的凹槽截面为左右对称的M字形结构，入口自由流动区域的凹槽截面宽度相等，凹槽截面宽度是指凹槽截面远离入口次级导流流道侧边与入口次级导流流道所在凹槽截面侧边的距离；入口自由流动区域上的入口次级导流流道的长度从入口自由流动区域的对称中心向左右二侧左右对称先逐渐减小后逐渐增加，入口次级导流流道的长度是指每个入口次级导流流道处的入口自由流动区域与通孔间的距离；于板体平面的入口自由流动区域向远离通孔侧设有流体入口，流体入口处于凹槽截面的对称轴上，于下底边边缘处的平板表面开设有作为入口主导流流道的凹槽，入口主导流流道的凹槽一端与流体入口相连，另一端与板体上作为电解液主流入口的一个通孔相连；
出口自由流动区域：A、出口自由流动区域平行于板体平面的凹槽截面为一上底边向下内凹的等腰梯形，上底边向梯形内部的内凹面为以上底面为底的等腰三角形，出口自由流动区域上的出口次级导流流道的长度相等，出口次级导流流道的长度是指每个出口次级导流流道处的出口自由流动区域与通孔间的距离；出口自由流动区域的等腰三角形顶角处设有流体出口，于上底边边缘处的平板表面开设有作为出口主导流流道的凹槽，出口主导流流道的凹槽一端与流体出口相连，另一端与板体上作为电解液主流出口的一个通孔相连；
或B、出口自由流动区域平行于板体平面的凹槽截面为左右对称的二个平行四边形结构，出口自由流动区域上的出口次级导流流道的长度从入口自由流动区域的对称中心向左右二侧逐渐左右对称增大，出口次级导流流道的长度是指每个出口次级导流流道处的出口自由流动区域与通孔间的距离；于板体平面的出口自由流动区域向远离通孔侧设有流体出口，流体出口处于出口自由流动区域凹槽截面的对称轴上，于上底边边缘处的平板表面开设有作为出口主导流流道的凹槽，出口主导流流道的凹槽一端与流体出口相连，另一端与板体上作为电解液主流出口的一个通孔相连。
作为优选，所述主导流流道由1个或1个以上流道组成，所述流道间用宽度0.5～10mm的主导流流道肋板分隔，以使电解液均匀流入自由流动区域，主导流流道宽度1～50mm，深度0.5～5mm；所述次级导流流道宽度1～50mm，长度1～100mm，深度0.5～5mm，次级导流流道肋板宽度1～50mm，长度1～100mm，厚度为0.5～5mm。
所述自由流动区域宽度1～50mm，深度0.5～5mm，通过自由流动区域的缓冲使电解液均匀流入次级导流流道。
所述入口次级导流流道和出口次级导流流道分别排布在入口和出口截面处，且左右两侧次级导流流道长度、宽度和深度应保持对称一致，以达到分配均匀的目的。
作为优选，所述主导流流道、所述次级导流流道、所述自由流动区域上方可设置用于与电极框形成封闭流道的保护盖板，所述保护盖板厚度0.5～10mm。若不设置保护盖板，将电极框直接与双极板接触形成封闭流道亦可。
作为优选，所述正极和负极电解液流入、流出口直径1～50mm。
所述电极框框体上设置的正极、负极电解液主流入、流出口和主、次级导流流道的两侧框体宽度为5～200mm，非设置上述区域的两侧框体宽度为1～100mm，电极框厚度为0.5～50mm。
作为优选，所述主、次级导流流道和自由流动区域内部转角与各边缘交汇处均为弧形过渡。
本发明提供的电极框材质可以选用聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯等材料，但不限于此。框体上的主、次级导流流道可采用机械加工雕刻成型、注塑等，但不限于此。
较现有技术相比，本发明采用的电极框机构特别适用与梯形液流电池，可使电解液分配的均匀性得到极大提高，从而保证电池和电堆内部反应均匀一致，减弱局部放热，降低极化，极高电解液利用率。尤其对于大功率电堆，可以有效较低成本，节约材料。
发明技术方案带来的有益效果
该液流框结构简单，加工方便，能有效提高电解液分配的均匀性，抑制电堆内部局域过热，降低极化，提高电解液利用率。具体来说：
利用商业软件包COMSOL Multiphysics@进行模拟计算发现，当次级导流流道均匀分布时，如图1所示，在入口截面上，沿着入口截面中点到两端，压强先增大后减小，而出口截面上，沿着入口截面中点到两端，压强不断增大；同时根据流体力学基本原理，在梯形液流电池中，入口截面上，从中部到两端，压强和流速越来越小；出口截面上，从中部到两端，压强和流速越来越大。故设计沿着入口截面中点到两端，入口次级导流流道长度先减小后增大，靠近出口截面中点的出口次级导流流道长度较小而远离端较大，利用次级导流流道长度变化消除入、出口截面方向上的流速分布不均，从而实现电解液均匀地流入、流出电极区域，消除流动死区，增加电解液利用率。另外，通过设计沿着入口截面中点到两端入口自由流动区域宽度先减小后增大，靠近出口截面中点处出口自由流动区域宽度较小而远离端较大亦可以达到类似效果，且通过局部增大自由流动区域，为电解液提供更大的缓冲区域，使电解液分布更均匀。
附图说明
图1梯形电池内部压强分布
图2实施例1设计的液流框结构图
图3实施例2设计的液流框结构图
1-负极电解液主流入口，2-入口次级导流流道，3-入口次级导流流道肋板，4-入口自由流动区域，5-入口主导流流道肋板，6-入口主导流流道，7-正极电解液主流入口，8-入口截面，9-正极电极区域，10-负极电解液主流出口，11-出口次级导流流道，12-出口次级导流流道肋板，13-出口自由流动区域，14-出口主导流流道肋板，15-出口主导流流道，16-正极电解液主流出口，17-出口截面，18-框体
具体实施方式
实施例1
如图2所示，一种液流电池用液流框，正极和负极结构相同，以正极为例。采用聚乙烯材料制成，包括液流框框体20，框体20上设有正极电解液主流入口7、负极电解液主流入口1、正极电解液主流出口16、负极电解液主流出口10。其中，正极电解液主流入口7和负极电解液主流入口1位于框体同一侧，正极电解液主流出口16和负极电解液主流出口10位于框体同一侧；正极电解液主流入口7和正极电解液主流出口16位于框体相对的两侧，负极电解液主流入口1和负极电解液主流出口10位于框体相对的两侧。在设有正极和负极电解液主流入、流出口的框体两侧内边缘上设有与电极区9相连的进口次级导流流道2和出口次级导流流道11。以正极导流流道为例，正极电解液主流入口7通过入口主导流流道6、入口自由流动区域4和入口次级导流流道2与电极区域9相连通；正极电解液主流出口16通过出口主导流流道15、出口自由流动区域13和出口次级导流流道11与电极区域9相连通。入口和出口主导流流道分别通过入口主导流流道肋板5和出口主导流流道肋板14分割为两个流道；入口和出口次级导流流道分别包含由入口次级导流流道肋板3和出口次级导流流道肋板12分割成的30和20个小流道，使得电解液分配更加均匀。
正极电解液主流入口7直径为14mm；入口主导流流道6和出口主导流流道15均由两个流道组成，宽度均为6mm，深度2mm；入口主导流流道肋板5和出口主导流流道肋板14分别位于入口主导流流道6和出口主导流流道15中部，宽度均为2mm，高度2mm。入口主导流流道肋板5和出口主导流流道肋板14分别于入口截面8和出口截面17中部与入口次级导流流道肋板3和出口次级导流流道11相连。入口自由流动区域4和出口自由流动区域13宽度均为5mm，深度2mm。入口和出口次级导流流道深度均为2mm，方向为沿正极电极区域所在扇形的径向；沿入口截面8中点到两端入口次级导流流道2和入口次级导流流道肋板3长度先减小后增大，且左右对称，拐点位于出口截面两短点处的垂线与入口截面的交点处；入口次级导流流道2和入口次级导流流道肋板3靠近正极电解液主流入口7的一侧位于两条左右对称的折线上；在入口截面8中点处，入口次级导流流道肋板3长度为25mm，在拐点处，入口次级导流流道长度为5mm，在入口截面4左端点或右端点处，入口次级导流流道2长度为10mm；沿出口截面17中点到两端出口次级导流流道11和出口次级导流流道肋板12长度越来越大，且左右对称，出口次级导流流道11和出口次级导流流道肋板12靠近正极电解液主流出口16的一侧位于两条左右对称的直线上，在出口截面17中点处，出口次级导流流道肋板12长度为5mm，在出口截面17左端点或右端点处，出口次级导流流道11长度为10mm；入口和出口次级导流流道肋板高度均为2mm；沿入口截面中点到两端入口次级导流流道宽度依次为1.5mm、2mm、2.5mm、3mm、3.5mm、4mm、4.5mm、5mm、5.5mm、6mm、6.5mm、7mm、7.5mm、8mm、8.5mm；入口次级导流流道肋板宽度依次为：19mm、12mm、11.5mm、11mm、10.5mm、10mm、9.5mm、9mm、8.5mm、8mm、7.5mm、7mm、6.5mm、6mm、5.5mm；出口次级导流流道宽度为4mm，靠近出口截面中点处，出口次级导流流道肋板宽度为16mm，其它出口次级导流流道肋板宽度为10.5mm。入口、出口次级导流流道和入口、出口次级导流流道肋板宽度均为沿入口截面或出口截面测得。所有存在转角的交汇点均以弧形过渡。电极框上的电解液主导流流道和次级导流流道均采用机械加工雕刻成型。
实施例2
如图3所示，一种液流电池用液流框。采用聚乙烯材料制成，包括液流框框体20，框体20上设有正极电解液主流入口7、负极电解液主流入口1、正极电解液主流出口16、负极电解液主流出口10。其中，正极电解液主流入口7和负极电解液主流入口1位于框体同一侧，正极电解液主流出口16和负极电解液主流出口10位于框体同一侧；正极电解液主流入口7和正极电解液主流出口16位于框体相对的两侧，负极电解液主流入口1和负极电解液主流出口10位于框体相对的两侧。在设有正极和负极电解液主流入、流出口的框体两侧内边缘上设有与电极区9相连的进口次级导流流道2和出口次级导流流道11。以正极导流流道为例，正极电解液主流入口7通过入口主导流流道6、入口自由流动区域4和入口次级导流流道2与电极区域9相连通；正极电解液主流出口16通过出口主导流流道15、出口自由流动区域13和出口次级导流流道11与电极区域9相连通。入口和出口主导流流道分别通过入口主导流流道肋板5和出口主导流流道肋板14分割为两个流道；入口和出口次级导流流道分别包含由入口次级导流流道肋板3和出口次级导流流道肋板12分割成的30和20个小流道，使得电解液分配更加均匀。
正极电解液主流入口7直径为14mm；入口主导流流道6和出口主导流流道15均由两个流道组成，宽度均为6mm，深度2mm；入口主导流流道肋板5和出口主导流流道肋板14分别位于入口主导流流道6和出口主导流流道15中部，宽度均为2mm，高度2mm。入口主导流流道肋板5和出口主导流流道肋板14分别于入口截面8和出口截面17中部与入口次级导流流道肋板3和出口次级导流流道11相连。入口自由流动区域4和出口自由流动区域13深度均为2mm；沿入口截面8中点到两端入口自由流动区域4宽度先变窄后变宽，靠近正极电解液主流入口7的一侧位于两条左右对称的折线上，在入口截面8中点处，入口自由流动区域4宽度为20mm，在拐点处入口自由流动区域4宽度为5mm，在入口截面8左端点或右端点处，入口自由流动区域4宽度为,10mm；沿出口截面17中点到两端出口自由流动区域13宽度越来越宽，且左右对称，在出口截面17中点处，出口自由流动区域13宽度为5mm，在出口截面17左端点或右端点处，出口自由流动区域13宽度为15mm。入口和出口次级导流流道深度均为2mm，方向为沿正极电极区域所在扇形的径向，长度5mm；入口和出口次级导流流道肋板高度均为2mm；入口次级导流流道2和入口次级导流流道肋板3沿入口截面8中点左右对称分布，出口次级导流流道11和出口次级导流流道肋板12沿出口截面17中点左右对称分布；入口次级导流流道2宽度均为4mm；位于入口截面8中点的入口次级导流流道肋板宽度14mm，其它入口次级导流流道肋板宽度9.5mm；出口次级导流流道11宽度为4mm；位于出口截面17中点的出口次级导流流道肋板宽度为16mm，其它出口次级导流流道肋板宽度10.5mm；入口、出口次级导流流道和入口、出口次级导流流道肋板宽度均为沿入口截面或出口截面测得。所有存在转角的交汇点均以弧形过渡。电极框上的电解液主导流流道和次级导流流道均采用机械加工雕刻成型。
对比例3
对比电极框结构如中国专利(专利申请号：200810011542.3)中图2(b)所示。以全钒液流电池为例，利用商业软件包COMSOL Multiphysics@进行模拟计算，模拟所用数学模型主要包括：
动量守恒与连续性方程：
其中，和P分别表示速度矢量和压强，μ和μ*分别表示电解质本征粘度和有效粘度，K表示多孔介质(多孔电极)的渗透性，由Carman-Kozeny方程求得。
边界条件与初始条件：
其中入口压强设为24000Pa，出口压强设为0Pa，模型收敛的相对误差因子为1×10-6。
结果如下表所示：
| 序号 | 进口截面压差(Pa) | 出口截面压差(Pa) |
| 对比例 | 1018 | 1101 |
| 电极框1 | 566 | 594 |
| 电极框2 | 337 | 419 |
可见，较中国专利(专利申请号：200810011542.3)中所示结构，采用本发明的液流框能明显提高电解液分布的均匀性。
Claims (4)
1.一种适用于梯形液流电池电堆的液流框，其特征在于：液流框为一中部带有通孔的平板状结构，通孔为电极区域，通孔平行于板体平面的截面为等腰梯形，于平板的一侧表面或二侧表面上靠近通孔上下二条底边的边缘处分别设有作为电解液自由流动区域的凹槽，下底边边缘处的凹槽为入口自由流动区域、上底边边缘处的凹槽为出口自由流动区域，每个自由流动区域与通孔间均开设有2个以上作为次级导流流道的凹槽；
入口自由流动区域：A、入口自由流动区域平行于板体平面的凹槽截面为左右对称结构，凹槽截面宽度从入口自由流动区域的对称中心向左右二侧左右对称逐渐减小后再逐渐增大，凹槽截面宽度是指凹槽截面远离次级导流流道侧边与次级导流流道所在凹槽截面侧边的距离；入口自由流动区域上的次级导流流道的长度相等，次级导流流道的长度是指每个次级导流流道处的入口自由流动区域与通孔间的距离；于板体平面的入口自由流动区域向远离通孔侧设有流体入口，流体入口处于凹槽截面的对称轴上，于下底边边缘处的平板表面开设有作为入口主导流流道的凹槽，入口主导流流道的凹槽一端与流体入口相连，另一端与板体上作为电解液主流入口的一个通孔相连；
或B、入口自由流动区域平行于板体平面的凹槽截面为左右对称的M字形结构，入口自由流动区域的凹槽截面宽度相等，凹槽截面宽度是指凹槽截面远离入口次级导流流道侧边与入口次级导流流道所在凹槽截面侧边的距离；入口自由流动区域上的入口次级导流流道的长度从入口自由流动区域的对称中心向左右二侧左右对称先逐渐减小后逐渐增加，入口次级导流流道的长度是指每个入口次级导流流道处的入口自由流动区域与通孔间的距离；于板体平面的入口自由流动区域向远离通孔侧设有流体入口，流体入口处于凹槽截面的对称轴上，于下底边边缘处的平板表面开设有作为入口主导流流道的凹槽，入口主导流流道的凹槽一端与流体入口相连，另一端与板体上作为电解液主流入口的一个通孔相连；
出口自由流动区域：A、出口自由流动区域平行于板体平面的凹槽截面为一上底边向下内凹的等腰梯形，上底边向梯形内部的内凹面为以上底面为底的等腰三角形，出口自由流动区域上的出口次级导流流道的长度相等，出口次级导流流道的长度是指每个出口次级导流流道处的出口自由流动区域与通孔间的距离；出口自由流动区域的等腰三角形顶角处设有流体出口，于上底边边缘处的平板表面开设有作为出口主导流流道的凹槽，出口主导流流道的凹槽一端与流体出口相连，另一端与板体上作为电解液主流出口的一个通孔相连；
或B、出口自由流动区域平行于板体平面的凹槽截面为左右对称的二个平行四边形结构，出口自由流动区域上的出口次级导流流道的长度从入口自由流动区域的对称中心向左右二侧逐渐左右对称增大，出口次级导流流道的长度是指每个出口次级导流流道处的出口自由流动区域与通孔间的距离；于板体平面的出口自由流动区域向远离通孔侧设有流体出口，流体出口处于出口自由流动区域凹槽截面的对称轴上，于上底边边缘处的平板表面开设有作为出口主导流流道的凹槽，出口主导流流道的凹槽一端与流体出口相连，另一端与板体上作为电解液主流出口的一个通孔相连；
所述主导流流道由1个或1个以上流道组成，所述流道间用宽度0.5~10mm的主导流流道肋板分隔，以使电解液均匀流入自由流动区域。
2.按照权利要求1所述的液流框，其特征在于：入口和出口自由流动区域的左侧边缘和最左端次级导流流道左侧边缘位于其所靠近梯形通孔的底边最左侧，入口和出口自由流动区域的右侧边缘和最右端次级导流流道右侧边缘位于其所靠近梯形通孔的底边最右侧。
3.按照权利要求1或2所述的液流框，其特征在于：每个次级导流流道截面的角均为倒角。
4.按照权利要求1或2所述的液流框，其特征在于：于液流框上开设有不与自由流动相连通的作为另一极电解液主流入口和主流出口的2个通孔。
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