CN110690488A - 一种液流电池 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种液流电池，包括：本体，第一双极板、第二双极板；第一双极板和第二双极板结构相同；第一双极板包括：通道、位于通道上的电解液入口、电解液出口；通道包括：多个第一流道；第二流道，其一端与电解液入口相连，其上设置有多个第一连接口，每一个第一连接口分别与第一流道的一端相连；第三流道，其一端与电解液出口相连，其上设置有多个第二连接口，每一个第二连接口分别与第一流道的另一端相连。应用本发明实施例，设置具有周期性交替的波纹型流动通道，在相同的泵功损耗下，使流道内的电解液尽可能多地渗流进入电极参与反应，这将为在最大化传质和最小化压降之间优化设计提供极大的灵活性。

Description

一种液流电池
技术领域
本发明涉及电化学储能技术中的液流电池技术领域，尤其涉及一种液流电池。
背景技术
氧化还原液流电池作为高效的电化学储能技术，应用于可再生能源的存储与转换相关领域。随着液流电池技术的发展，具有分配电解液流动通道的液流电池结构凭借更加出色的电池性能逐渐取代了流通型无流场电池结构。
目前的流场设计主要包括：平行流场，蛇形流场和叉指型流场。目前的流场设计主要采用直通道来分配电解液，这对电池性能的改进尚且不足，液流电池中的质量传递还存在进一步增强的可能。
发明内容
本发明的目的在于提供一种液流电池，旨在设置具有周期性交替的波纹型流动通道，在相同的泵功损耗下，使流道内的电解液尽可能多地渗流进入电极参与反应，这将为在最大化传质和最小化压降之间优化设计提供极大的灵活性。
为了实现上述目的，本发明提供一种液流电池，包括：本体，位于所述本体内部的正极端和负极端，以及分别位于正极端的第一双极板和位于负极端的第二双极板；
所述第一双极板和所述第二双极板结构相同；
所述第一双极板包括：通道、位于所述通道上的电解液入口、电解液出口；
所述通道包括：
多个第一流道；
第二流道，其一端与所述电解液入口相连，其上设置有多个第一连接口，每一个第一连接口分别与第一流道的一端相连；
第三流道，其一端与所述电解液出口相连，其上设置有多个第二连接口，每一个第二连接口分别与第一流道的另一端相连；在所述电解液入口流入电解液时，电解液通过所述第二流道流进所述多个第一流道，后流经所述第三流道，并经所述电解液出口流出；
所述多个第一流道中每一个流道为波纹型流道。
一种实现方式中，所述第一流道包括：间隔设置的收缩区和膨胀区，其中，第一截面积小于第二截面积，所述第一截面积为所述收缩区的面积，所述第二截面积为所述膨胀区的截面积，其中，所述第一截面积和所述第二截面积为与电解液流经方向相垂直的截面所对应的面积。
一种实现方式中，所述本体包括：第一端板、第一电极框、正极多孔电极、离子交换膜、负极多孔电极、第二电极框、第二端板；
所述第一端板、所述第一双极板、所述第一电极框、所述正极多孔电极、所述离子交换膜、所述负极多孔电极、所述第二电极框、所述第二双极板、所述第二端板依次相连。
一种实现方式中，所述第一双极板或者所述第二双极板的流道分别设置在靠近所述正极多孔电极或者所述负极多孔电极的一侧。
一种实现方式中，在垂直方向上，所述收缩区和膨胀区的剖面为矩形，所述收缩区和膨胀区通过收缩口和膨胀口相互连接，且所述收缩口或膨胀口为等腰梯形渐变口。
一种实现方式中，所述第一双极板和/或所述第二双极板为无孔石墨板，且所述无孔石墨板的厚度为2mm，面积尺寸为1.2cm×1.2cm。
一种实现方式中，所述第一流道与所述第二流道和所述第三流道连接处均设置膨胀区作为入口和出口。
一种实现方式中，所述第一流道垂直设置于所述第二流道和所述第三流道，所述第一流道之间的任意一个流道为平行阵列设置。
应用本发明实施例提供的一种液流电池，具备的有益效果如下：
(1)通过设置具有周期性交替的波纹型流动通道，在相同的泵功损耗下，使流道内的电解液尽可能多地渗流进入电极参与反应，这将为在最大化传质和最小化压降之间优化设计提供极大的灵活性。
(2)随着收缩区和膨胀区内电解液周期性收缩和膨胀，流道内的电解液在通道的收缩区域将形成流动阻塞，这将导致较大的局部压力，从而迫使通道内更多的电解液渗流进入多孔电极中，提高了电解液单次循环的利用效率；此外，局部阻力的增大还将有效地增加电极多孔区域内的表观速度，使电极内部传质显著增强，明显改善电池性能。
(3)还可以通过改变收缩区和膨胀区的面积，可以灵活地设置波纹型通道收缩和膨胀的程度，使流动传质效果和电池压降损耗达到最佳平衡，这为在最大化传质和最小化压降之间优化设计提供了极大的灵活性。
附图说明
图1是本发明实施例是波纹通道结构示意图。
图2是本发明实施例是液流电池的主体结构示意图。
图3是本发明实施例是膨胀区和收缩区的放大示意图。
图4是本发明实施例现有技术中的通道结构示意图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
图1-4本发明提供一种液流电池，包括：本体，位于所述本体内部的正极端和负极端，以及分别位于正极端的第一双极板12和位于负极端的第二双极板22；
所述第一双极板12和所述第二双极板22结构相同；
所述第一双极板12包括：通道、位于所述通道上的电解液入口31、电解液出口32；
所述通道包括：
多个第一流道100；
第二流道110，其一端与所述电解液入口31相连，其上设置有多个第一连接口，每一个第一连接口分别与第一流道100的一端相连；
第三流道120，其一端与所述电解液出口32相连，其上设置有多个第二连接口，每一个第二连接口分别与第一流道100的另一端相连；在所述电解液入口流入电解液时，电解液通过所述第二流道110流进所述多个第一流道100，后流经所述第三流道120，并经所述电解液出口32流出；
所述多个第一流道100中每一个流道为波纹型流道。
需要说明的是，波纹型流场与膜平面呈平行设置，并与电极无缝贴合。电解液被泵入流场入口，通过电解液入口31流经到第二流道110中，然后通过第二流道110上设置的第一连接口流进每一个第一流道100中，并通过第三流道120的第二连接口流入第三流道120中，通过第三流道120的电解液出口32流出。在此过程中，由于第一流道100是波纹型通道，所以电解液能够均匀分配并更多地被迫渗透进入电极参与反应，其中，电极为正极多孔电极14或者负极多孔电极24。
如图2所示，一种实现方式中，所述本体包括：第一端板11、第一电极框13、正极多孔电极14、离子交换膜5、负极多孔电极24、第二电极框23、第二端板21；
所述第一端板11、所述第一双极板12、所述第一电极框13、所述正极多孔电极14、所述离子交换膜5、所述负极多孔电极24、所述第二电极框23、所述第二双极板12、所述第二端板21依次相连。
进一步的，针对波纹型流道，如图3中，一种实现方式中，所述第一流道100包括：间隔设置的收缩区101和膨胀区102，其中，第一截面积小于第二截面积，所述第一截面积为所述收缩区101的面积，所述第二截面积为所述膨胀区102的截面积，其中，所述第一截面积和所述第二截面积为与电解液流经方向相垂直的截面所对应的面积。
需要说明的是，流道内的电解液在通道的收缩区101域将形成流动阻塞，电解液通过在收缩区101由于局部高压的形成，电解液在这些区域更多地被迫偏转进入多孔电极参与反应，并且在电极中的表观速度显著提高，基于这两种效应，电解液的质量传递显著增强，这为在最大化传质和最小化压降之间优化设计提供了极大的灵活性。采用本发明设计可使电池的最大电流密度、最大输出功率具有明显的改善。
可以理解的是，第一双极板12或者第二双极板22的表面上加工刻有波纹型通道流场，与传统的直通道流场不同，如图4所示为传统的直通道流场，在单个循环周期的电解液输送中，尽可能地使更多的电解液渗流进入电极参与反应，可以提高单次电解液的利用效率，但这受到来自泵功率损耗的制衡。波纹型通道从电解液入口至出口在收缩和膨胀之间周期性交替。电解液由入口主通道管分配至各波纹型支通道管并在出口主通道管汇聚回收，在流经波纹型支通道管收缩口时，将被迫驱动进入正极多孔电极14和/或负极多孔电极24，使更多的电解液偏转到电极中参与反应。
如图3所示，在垂直方向上，所述收缩区101和膨胀区102的剖面为矩形，所述收缩区101和膨胀区102通过收缩口和膨胀口相互连接，且所述收缩口或膨胀口为等腰梯形渐变口。其中，w为收缩区101的流道宽度，d为膨胀区102的流道宽度，L为收缩区101和膨胀区102的水平长度。具体实现方式中，所述波纹型第一流道100均采用相同的结构尺寸，且收缩区101的流道宽度w、膨胀区102的流道宽度d，可根据实际情况进行合理的调整，例如w＝400μm、d＝600μm或者w＝200μm、d＝800μm。
在本实施例中，波纹型第一流道100的收缩和膨胀周期个数以及波纹型流场的总面积尺寸应与电池结构的其余相关部件如电极尺寸、双极板尺寸合理匹配，且可做适当调整。
所述第一双极板或者所述第二双极板的流道分别设置在靠近所述正极多孔电极14或者所述负极多孔电极24的一侧。
双极板2采用厚度为2mm，面积尺寸为1.2cm×1.2cm的无孔石墨板。波纹型流道流场结构主要由入口主通道管(第二流道110)、若干波纹型支通道管(第一流道100)、出口主通道管(第三流道120)构成。其中入口主通道管的功用是将电解液分配至各波纹型支通道管，出口主通道管的功用是将完成反应的电解液汇聚回收，主通道管通道(第二流道110和第三流道120)深度为600μm，宽度为700μm。与常用的直支通道管不同的是，波纹型支通道管在收缩和膨胀之间周期性地交替，其中各波纹型支通道管的功用是尽可能多地将电解液渗流送入多孔电极参与反应，波纹型通道(第一流道100)壁厚度为250μm，深度为600μm。根据图3所示的波纹型流道局部放大结构图，设置膨胀区102的流道宽度d为700μm，收缩区101的流道宽度w为300μm，收缩区101和膨胀区102的水平长度L为500μm；多孔电极4采用厚度为2mm的碳毡。
一种实现方式中，所述第一流道100与所述第二流道110和所述第三流道120连接处均设置膨胀区102作为入口和出口。
一种实现方式中，所述第一流道100垂直设置于所述第二流道110和所述第三流道120，所述第一流道100之间的任意一个流道为平行阵列设置。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (8)

1.一种液流电池，其特征在于，包括：本体，位于所述本体内部的正极端和负极端，以及分别位于正极端的第一双极板和位于负极端的第二双极板；
所述第一双极板和所述第二双极板结构相同；
所述第一双极板包括：通道、位于所述通道上的电解液入口、电解液出口；
所述通道包括：
多个第一流道；
第二流道，其一端与所述电解液入口相连，其上设置有多个第一连接口，每一个第一连接口分别与第一流道的一端相连；
第三流道，其一端与所述电解液出口相连，其上设置有多个第二连接口，每一个第二连接口分别与第一流道的另一端相连；在所述电解液入口流入电解液时，电解液通过所述第二流道流进所述多个第一流道，后流经所述第三流道，并经所述电解液出口流出；
所述多个第一流道中每一个流道为波纹型流道。
2.根据权利要求1所述的一种液流电池，其特征在于，所述第一流道包括：间隔设置的收缩区和膨胀区，其中，第一截面积小于第二截面积，所述第一截面积为所述收缩区的面积，所述第二截面积为所述膨胀区的截面积，其中，所述第一截面积和所述第二截面积为与电解液流经方向相垂直的截面所对应的面积。
3.根据权利要求1或2所述的一种液流电池，其特征在于，所述本体包括：第一端板、第一电极框、正极多孔电极、离子交换膜、负极多孔电极、第二电极框、第二端板；
所述第一端板、所述第一双极板、所述第一电极框、所述正极多孔电极、所述离子交换膜、所述负极多孔电极、所述第二电极框、所述第二双极板、所述第二端板依次相连。
4.根据权利要求3所述的一种液流电池，其特征在于，所述第一双极板或者所述第二双极板的流道分别设置在靠近所述正极多孔电极或者所述负极多孔电极的一侧。
5.根据权利要求2所述的一种液流电池，其特征在于，在垂直方向上，所述收缩区和膨胀区的剖面为矩形，所述收缩区和膨胀区通过收缩口和膨胀口相互连接，且所述收缩口或膨胀口为等腰梯形渐变口。
6.根据权利要求2所述的一种液流电池，其特征在于，所述第一双极板和/或所述第二双极板为无孔石墨板，且所述无孔石墨板的厚度为2mm，面积尺寸为1.2cm×1.2cm。
7.根据权利要求2所述的一种液流电池，其特征在于，所述第一流道与所述第二流道和所述第三流道连接处均设置膨胀区作为入口和出口。
8.根据权利要求2所述的一种液流电池，其特征在于，所述第一流道垂直设置于所述第二流道和所述第三流道之间，所述第一流道之间的任意一个流道为平行阵列设置。
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