CN110867594B - 液流电池流场结构 - Google Patents

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Abstract

液流电池流场结构,为了解决现有技术中液流电池流场结构因电解液的流入、流出区域是短边侧导致电极区域与流场过长的问题,所述中间流场包括长方形电极区,电极区两长边侧的区域分别为电解液的流入区域与流出区域,所述流入区域连通电解液入口公共流道,所述的入口公共流道连通电解液进口,所述流出区域连通电解液出口公共流道,所述的出口公共流道连通电解液出口,效果是电解液流程缩短。

Description

液流电池流场结构
技术领域
本发明属于液流电池领域,涉及一种液流电池流场结构。
背景技术
全钒液流电池电堆的电解液通过电堆进口进入电堆,之后通过公用流道进入到每节电池的电极框中,然后流经电极区域,完成电化学反应,进行充放电。这里所说的电极区域通常是整块电极配合单一流动方式的流场形式。如图1,其示出了现有的液流电池流场结构,电极区附近的电解液的流入、流出区域是短边侧,导致现有液流电池流场结构因电解液流经电极区域过长,电池的浓差极化严重,影响电池的性能和寿命。现有流场结构流场过长,还导致电堆阻力较大,高电密大流量运行条件下影响电池密封可靠性。
发明内容
为了解决现有技术中液流电池流场结构因电解液的流入、流出区域是短边侧导致电极区域与流场过长的问题,本发明提出如下技术方案:
一种液流电池流场结构,包括电极框及中间流场,电解液进口、电解液出口分布于电极框的边角附近,且同级电解液进、出口斜对,在电极框的中间部分安装中间流场,所述中间流场包括长方形电极区,电极区两长边侧的区域分别为电解液的流入区域与流出区域,所述流入区域连通电解液入口公共流道,所述的入口公共流道连通电解液进口,所述流出区域连通电解液出口公共流道,所述的出口公共流道连通电解液出口。
进一步的,流入区域和流出区域沿长边方向被设置为两段或以上的分区,各流入区域的分区对应流出区域的分区并连通,入口公共流道中设置分流结构使入口公共流道中的电解液分流至流入区域的不同分区,流出区域的不同分区汇流至出口公共流道。
进一步的,所述的中间流场包括并行排列的两组中间流场,两组中间流场的靠近电极框长边框侧的区域为流入区域,两组中间流场的流出区域相邻,并位于电极框的中间位置。
进一步的,入口公共流道分支出两个分支入口流道,第一分支入口流道与第一组中间流场的流入区域连通,第二分支入口流道与第二组中间流场的流入区域连通,各分支流道中设置分流结构使入口公共流道中的电解液分流至流入区域的不同分区,第一组中间流场的流出区域与第一分支出口流道连通,第二组中间流场的流出区域与第二分支出口流道连通,第一分支出口流道及第二分支出口流道汇流至出口公共流道。
进一步的,第一分支出口流道及第二分支出口流道间具有支撑。
进一步的,所述的分流结构是安装在公共流道中的支撑板,且其呈沿长边方向被设置。
进一步的,电极区覆盖在多个支撑上方,流入区域的分区及其对应的流出区域的分区间以两个分区间的相邻支撑间形成的间隙连通,流入区域、流出区域其边沿为封闭的,由相邻支撑间形成的间隙连通以将电解液供给电极区。
进一步的,在流出区域与流出公共流道之间安装用于支撑的支撑结构。
进一步的,所述电解液进口包括正极电解液进口、负极电解液进口;电解液出口包括正极电解液出口、负极电解液出口;且同极性的进口与出口斜对。
有益效果:现有的电极区附近的电解液的流入、流出区域是短边侧,本发明使用手段“所述中间流场包括长方形电极区,电极区两长边侧的区域分别为电解液的流入区域与流出区域”将现有的电解液的流入、流出区域改进为长边侧,能够保证电极面积不变,因而电池效率不变。作为进一步的效果,电解液的流入、流出区域是长边侧,电解液流程缩短,电池的浓差极化减小,电池性能提升,因而电池的功率提升;电解液的流入、流出区域是长边侧,电解液流程缩短,电堆压力降低,减小泵耗;电堆压力减小,可以在电堆能承受的压力范围内增加流量,同时增加电密,实现高功率密度电堆。
附图说明
图1是现有技术中电池流场结构示意图;
图2是本发明的具有两个进出口的电池流场结构示意图;
图3是本发明的第二个实施例中的电池流场结构示意图;
图4是效率的对比曲线图:图4(a)是库伦效率图,图4(b)是电压效率图,图4(c)是能量效率图;
其中:1.正极电解液进口,2.负极电解液进口,3.正极电解液出口,4.负极电解液出口,5.电极区,6.流入区域,7.流出区域,8.分流结构,9.第一分支入口流道,10.第二分支入口流道,11.第一分支出口流道,12.第二分支出口流道,13.支撑,14.第一支撑结构,15.第二支撑结构,16.支撑孔,17.密封线槽。
具体实施方式
作为一种实施方案,本实施例记载了一种液流电池流场结构,包括电极框及中间流场,电解液进口、电解液出口分布于电极框的边角附近,且同级电解液进、出口斜对,所述的入口公共流道连通电解液进口,所述的出口公共流道连通电解液出口,在电极框的中间部分安装中间流场,所述的流场为单个,所述中间流场包括长方形电极区5,电极区5两长边侧的区域,分别为电解液的流入区域6与流出区域7,流入区域6和流出区域7沿长边方向被设置为两段或以上的分区,各流入区域6的分区对应流出区域7的分区并连通,所述流入区域6连通电解液入口公共流道,入口公共流道中设置分流结构8使入口公共流道中的电解液分流至流入区域6的不同分区,所述流出区域7连通电解液出口公共流道,流出区域7的不同分区汇流至出口公共流道。
所述的分流结构8是安装在公共流道中的支撑13板,且其呈沿长边方向被设置。所述各流入区域6的分区对应流出区域7的分区并连通,电解液通过分流结构8流入流入区域6的不同分区,通过支撑13所形成的间隙分配至电极区5,之后经过第一支撑结构14形成的间隙,流入流出区域7,汇流至第一分支出口流道11中。这样,电解液在流入区域6和流出区域7可以做到分布尽可能均匀,且减小了从进口到出口的流动距离,从而降低了浓差极化。即电极区5覆盖在多个支撑13上方,流入区域6的分区及其对应的流出区域7的分区间以两个分区间的相邻支撑13间形成的间隙连通。当然的,流入区域6、流出区域7其边沿为封闭的,是由相邻支撑13间形成的间隙连通以将电解液供给电极区5。在流出区域7与流出公共流道之间安装用于支撑13的支撑结构14。
作为另一种实施方案,本实施例记载了一种液流电池流场结构,包括电极框及中间流场,电解液进口、电解液出口分布于电极框的边角附近,且同级电解液进、出口斜对,在电极框的中间部分安装中间流场,当所述的中间流场为并行排列的两组时,每组中间流场包括长方形电极区5,电极区5两长边侧的区域,分别为电解液的流入区域6与流出区域7,流入区域6和流出区域7沿长边方向被设置为两段或以上的分区,各流入区域6的分区对应流出区域7的分区并连通,所述流入区域6连通电解液入口公共流道,入口公共流道中设置分流结构8使入口公共流道中的电解液分流至流入区域6的不同分区,所述流出区域7连通电解液出口公共流道,流出区域7的不同分区汇流至出口公共流道。所述的入口公共流道连通电解液进口,所述的出口公共流道连通电解液出口,入口公共流道分支出两个分支入口流道,第一分支入口流道9与第一组中间流场的流入区域6连通,第二分支入口流道10与第二组中间流场的流入区域6连通,各分支流道中设置分流结构8使入口公共流道中的电解液分流至流入区域6的不同分区,第一组中间流场的流出区域7与第一分支出口流道11连通,第二组中间流场的流出区域7与第二分支出口流道12连通,第一分支出口流道11及第二分支出口流道12汇流至出口公共流道。
如图3所示,所述的中间流场并行排列,中间流场靠近电极框长边框侧的区域为流入区域6,中间流场的流出区域7相邻,并位于电极框的中间位置,且第一分支出口流道11及第二分支出口流道12间具有支撑13。所述的分流结构8是安装在公共流道中的支撑13板,且其呈沿长边方向被设置。所述各流入区域6的分区对应流出区域7的分区并连通,即电极区5覆盖在多个支撑13上方,流入区域6的分区及其对应的流出区域7的分区间以两个分区间的相邻支撑13间形成的间隙连通。当然的,流入区域6、流出区域7其边沿为封闭的,是由相邻支撑13间形成的间隙连通以将电解液供给电极区5。在流出区域7与流出公共流道之间安装用于支撑13的支撑结构14。所述电解液进口包括正极电解液进口1、负极电解液进口2;电解液出口包括正极电解液出口3、负极电解液出口4,且同极性的进口与出口斜对。
由上述方案,本实施例采用具有中间流场汇流的液流电池流场结构;其“侧进上出”型流场,不同于传统的“下进上出”型流场;电解液通过电堆入口进入电堆,之后通过公用流道分配到每一节电池,再通过新结构电极框,从侧面进入到电极区域,经过电化学反应后,汇流到中间流场,之后流出电极框,经过公用流道排出电堆。特别是,将传统的一块电极改为更窄的两块电极,更加缩短了电解液的流程。电极框的进液口和出液口可以分别有1~5个。
下述两个测试例为使用图1所示的液流电池流场结构和本发明第二个实施例中(图3所示)液流电池流场结构测试效果对比:
测试例一
参见表1,为原流场结构电堆(旧结构电堆)和具有中间流场汇流的电堆(新结构电堆)的参数及测试条件。参见表2,为新、旧结构电堆在相同测试条件下的测试数据。测试结果显示新结构电堆库伦效率(CE)与旧结构基本保持一致,但电压效率(VE)、能量效率(EE)提升明显,分别从83.5%和82.2%提升到85.9%和84.3%。电解液利用率(EUE)提升明显,从60.5%提升到72.3%,增幅11.8%。说明新结构电堆有效降低了浓差极化,增加了电堆容量,提升了电解液利用率,提高了电池性能。
表1旧结构、新结构电堆参数及测试条件
Figure GDA0001891991640000051
表2旧结构、新结构电堆测试结果
Figure GDA0001891991640000052
说明:CE:库伦效率;VE:电压效率;EE:能量效率;EUE:电解液利用率。
测试例二
参见表3,为原流场结构电堆(旧结构电堆)和具有中间流场汇流的电堆(新结构电堆)的参数及测试条件。参见表4,为新、旧结构电堆在相同测试条件下的测试数据。分别测试了3.5kW、4kW、4.5kW恒功率充放电时的电池性能。测试结果显示新结构电堆库伦效率(CE)与旧结构基本保持一致,但电压效率(VE)、能量效率(EE)提升明显。三种功率下的电池的能量效率和电压效率均分别有3%左右的提高。图4显示了三大效率的对比曲线。
表3旧结构、新结构电堆参数及测试条件
Figure GDA0001891991640000061
表4旧结构、新结构电堆测试结果
Figure GDA0001891991640000062
说明:CE:库伦效率;VE:电压效率;EE:能量效率。
以上所述,仅为本发明创造较佳的具体实施方式,但本发明创造的保护范围并不局限于此,任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明创造披露的技术范围内,根据本发明创造的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变,都应涵盖在本发明创造的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种液流电池流场结构,包括电极框及中间流场,电解液进口、电解液出口分布于电极框的边角附近,且同级电解液进、出口斜对,在电极框的中间部分安装中间流场,所述中间流场包括长方形电极区(5),其特征在于,电极区(5)两长边侧的区域分别为电解液的流入区域(6)与流出区域(7),所述流入区域(6)连通电解液入口公共流道,所述的入口公共流道连通电解液进口,所述流出区域(7)连通电解液出口公共流道,所述的出口公共流道连通电解液出口;
所述的中间流场包括并行排列的两组中间流场,两组中间流场的靠近电极框长边框侧的区域为流入区域(6),两组中间流场的流出区域(7)相邻,并位于电极框的中间位置;
入口公共流道分支出两个分支入口流道,第一分支入口流道(9)与第一组中间流场的流入区域(6)连通,第二分支入口流道(10)与第二组中间流场的流入区域(6)连通,各分支流道中设置分流结构(8)使入口公共流道中的电解液分流至流入区域(6)的不同分区,第一组中间流场的流出区域(7)与第一分支出口流道(11)连通,第二组中间流场的流出区域(7)与第二分支出口流道(12)连通,第一分支出口流道(11)及第二分支出口流道(12)汇流至出口公共流道。
2.如权利要求1所述的液流电池流场结构,其特征在于,流入区域(6)和流出区域(7)沿长边方向被设置为两段或以上的分区,各流入区域(6)的分区对应流出区域(7)的分区并连通,入口公共流道中设置分流结构(8)使入口公共流道中的电解液分流至流入区域(6)的不同分区,流出区域(7)的不同分区汇流至出口公共流道。
3.如权利要求1所述的液流电池流场结构,其特征在于,第一分支出口流道(11)及第二分支出口流道(12)间具有支撑(13)。
4.如权利要求3所述的液流电池流场结构,其特征在于,所述的分流结构(8)是安装在公共流道中的支撑(13)板,且其呈沿长边方向被设置。
5.如权利要求3所述的液流电池流场结构,其特征在于,电极区(5)覆盖在多个支撑(13)上方,流入区域(6)的分区及其对应的流出区域(7)的分区间以两个分区间的相邻支撑(13)间形成的间隙连通,流入区域(6)、流出区域(7)其边沿为封闭的,由相邻支撑(13)间形成的间隙连通以将电解液供给电极区(5)。
6.如权利要求3所述的液流电池流场结构,其特征在于,在流出区域(7)与流出公共流道之间安装用于支撑(13)的支撑结构(14)。
7.如权利要求1所述的液流电池流场结构,其特征在于,所述电解液进口包括正极电解液进口(1)、负极电解液进口(2);电解液出口包括正极电解液出口(3)、负极电解液出口(4);且同极性的进口与出口斜对。
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Inventor after: Ma Xiangkun

Inventor after: Zhang Huamin

Inventor after: Huo Yang

Inventor after: Jiang Hongdong

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Inventor after: Zhang Yawei

Inventor after: Gao Tao

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