CN110970636B - 一种阴极电极框在锌溴单液流电池中的应用 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及液流电池储能技术领域，特别涉及一种阴极电极框在锌溴单液流电池中的应用，其为矩形平板，于电四角设置电解液进口和电解液出口；中部设有容置多孔电极的通孔；于电极框一侧表面上，于中部通孔相对二条边分别设有液体分配凹槽；电解液出口位于平板左上方，出口主流道凹槽分成上下二个，出液分配凹槽分成左右二个，上部的出口主流道凹槽与电解液出口的上半部分相连通，下部的出口主流道凹槽与电解液出口的下半部分相连通；上部的出口主流道凹槽右端与右侧的出液分配凹槽左端相连通，下部的出口主流道凹槽右端与左侧的出液分配凹槽左端相连通；电解液进口与出口相对称。本发明增加了电解液流通面积；减小了流动阻力。

Description

一种阴极电极框在锌溴单液流电池中的应用
技术领域
本发明涉及液流电池储能技术领域，特别涉及一种锌溴单液流电池领域。
背景技术
锌溴单液流电池是一种新型的低成本、高效率、长使用寿命的液流电池储能技术，具有较高的能量密度，装置简单易操纵，正极活性物质封闭在电堆内部，不仅可以减少循环泵和储液桶的使用，降低电堆成本，还可有效杜绝溴的污染。其主要应用于电网调峰、风能和太阳能等可再生能源发电等领域。电极框作为电堆结构中重要的组成部分，承接着碳塑复合双极板和隔膜，以及实现电解液的密封和分配等作用。现有锌溴单液流电池负极电极框存在以下缺点：1.电解液进出口主流道凹槽流通面积过小，流阻较大，减小了电堆的流量，降低了电解液流速；2.电极框上的进出口主流道凹槽具有较大的折转，造成较大的流阻，降低电解液流速；3.进出口分液流道流通面积很小，且采用渐扩设计，减小了电解液的流速。由于锌溴单液流电池负极为锌的沉积溶解反应，如果电解液流速过低，锌的沉积均匀性会变差，影响电池寿命。除此之外还会导致锌枝晶的生长，锌枝晶若刺破隔膜，不仅会造成电池自放电影响库伦效率，严重者还会导致电池短路，存在重大安全隐患。
发明内容
本发明为解决上述技术问题，提供了一种阴极电极框在锌溴单液流电池中的应用。阴极电极框材料选用PVC聚氯乙烯，易于加工。电解液进出口主流道凹槽分为上下二个，极大的增加了电解液流通面积；减小了主流道的弯折角度，减小了流动阻力；增大进出口分液流道流通面积，并且采用渐缩设计，对电解液起到了二次加速的作用。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
阴极电极框为矩形平板；于阴极电极框靠近四角的边缘处分别设置通孔，四处通孔分别作为阴极电解液进口、阴极电解液出口、阳极电解液进口和阳极电解液出口；于矩形平板的中部设置有一个镂空的、可容置多孔电极的矩形中部通孔；于电极框一侧表面上，于靠近矩形中部通孔的相对二条边的电极框表面分别设有上、下二个液体分配凹槽，分别作为阴极电解液进液分配凹槽和阴极电解液出液分配凹槽，进液分配凹槽通过进口主流道凹槽与阴极电解液进口相连通，出液分配凹槽通过出口主流道凹槽与阴极电解液出口相连通；进液分配凹槽经进口分液流道与中部通孔相连通，出液分配凹槽经出口分液流道(或凹槽)与中部通孔相连通。阴极电解液出口位于平板左上方，出口主流道凹槽分成上下二个，出液分配凹槽分成左右二个，上部的出口主流道凹槽与阴极电解液出口的上半部分相连通，下部的出口主流道凹槽与阴极电解液出口的下半部分相连通；上部的出口主流道凹槽右端与右侧的出液分配凹槽左端相连通，下部的出口主流道凹槽右端与左侧的出液分配凹槽左端相连通；出口分液流道与矩形平板板面相平行的截面为倒梯形，出液分配凹槽经出口分液流道与中部通孔相连通。阴极电解液进口位于平板右下方，进口主流道凹槽分成上下二个，进液分配凹槽分成左右二个，上部的进口主流道凹槽与阴极电解液进口的上半部分相连通，下部的进口主流道凹槽与阴极电解液进口的下半部分相连通；上部的进口主流道凹槽左端与右侧的进液分配凹槽右端相连通，下部的进口主流道凹槽左端与左侧的进液分配凹槽右端相连通；进口分液流道与矩形平板板面相平行的截面为梯形，进液分配凹槽经进口分液流道与中部通孔相连通。阴极电解液出口的上半部分所在的180度弧角区域均与上部的出口主流道凹槽相连通；阴极电解液出口的下半部分所在的120-180度弧角区域均与下部的出口主流道凹槽相连通；阴极电解液进口的上半部分所在的120-180度弧角区域均与上部的进口主流道凹槽相连通；阴极电解液进口的下半部分所在的180度弧角区域均与下部的进口主流道凹槽相连通。出口主流道凹槽、出液分配凹槽、出口分液流道、进口主流道凹槽、进液分配凹槽、进口分液流道上均设有盖片，防止密封垫压紧时流道堵塞。
本发明采用上述技术方案，与现有技术相比，具有如下技术效果：
阴极电解液进出口主流道凹槽分为上下二个，相比于现有技术，进出口主流道凹槽流通面积提高了75％；同时由于上部的进口主流道凹槽左端与右侧的进液分配凹槽右端相连通，下部的出口主流道凹槽右端与左侧的出液分配凹槽左端相连通，减少了主流道凹槽的折转角度，减小了流动阻力，使电解液在到达分液流道时被更加均匀的分配。除此之外，提高了进口分液流道的流通面积，并且采用渐缩设计，在增加阴极电解液流量的同时，还可以对阴极电解液进行二次加速，进一步提升阴极电解液在电极内的流动速度。由于上进口主流道凹槽与下出口主流道凹槽相比于下进口主流道凹槽和上出口主流道凹槽的流程更短，因此可根据电解液的属性，调整上进口主流道凹槽与下出口主流道凹槽与阴极电解液进出口通孔的连通角度，以达到平衡上进口主流道凹槽与下进口主流道凹槽、上出口主流道凹槽与下出口主流道凹槽流阻的目的，使得电解液的流动均匀性更好。本发明大幅度地降低了电极框对电解液流动的阻力，能够在保证电解液泵的扬程不变的情况下，提升通过锌溴单液流电堆的电解液流量，增加阴极侧电极的电解液流动速度，降低电极浓差极化，提高了电解液分布均匀性，进而提高锌沉积的均匀性，并且有利于抑制锌枝晶的生长，增长锌溴单液流电堆的使用寿命。
附图说明
图1常规电极框结构。
图2本发明实施例的电极框结构。
具体实施方式
对比例
锌溴单液流电池的传统电极框结构如图1所示。于电极框靠近四角的边缘处分别设置通孔，四处通孔分别作为阴极电解液进口、阴极电解液出口、阳极电解液进口和阳极电解液出口；于矩形平板的中部设置有一个镂空的、可容置多孔电极的矩形中部通孔；于电极框一侧表面上，于靠近矩形中部通孔的相对二条边的电极框表面分别设有上、下二个液体分配凹槽，分别作为阴极电解液进液分配凹槽和阴极电解液出液分配凹槽，进液分配凹槽通过进口主流道凹槽与阴极电解液进口相连通，出液分配凹槽通过出口主流道凹槽与阴极电解液出口相连通；进液分配凹槽经进口分液流道与中部通孔相连通，出液分配凹槽经出口分液流道(或凹槽)与中部通孔相连通；电极框作为电池的一极在工作时起到组织电解液流动和支撑电极的作用。电解液进口截面长度为16.75mm。一部分电解液经由电解液入口通孔，通过进口主流道凹槽流至电极框中央，经进口分配凹槽流入进口分液流道。电解液在多孔电极区域反应后，经由出口分配凹槽流至电极框中央，经出口主流道凹槽流出电极框。进出口主流道凹槽截面宽均为8mm。进口分液流道、出口分液流道均采用渐扩设计，进口分液流道、出口分液流道与多孔电极交界的截面宽为3mm。框体材料为PVC。
电极面积：875cm2。
电堆节数：10节
电流密度：40mA/cm2，充电时间：1小时，放电截止电压：8V
电堆充放电库伦效率93.2％，电压效率81.7％，能量效率76.1％
最大充放电循环数：327个循环
实施例
锌溴单液流电池电极框如图2所示。在实施例中，电解液进口截面长度为31.4mm-37.7mm，一部分电解液经由电解液进口通孔，通过上进口主流道凹槽经由右侧进口分配流道凹槽流入进口分液流道，进口分液流道采用渐缩设计，电解液经过二次加速后进入右半侧电极框，剩余电解液沿下部进口主流道凹槽经左侧进口分配流道凹槽进口流入进口分液流道，经过二次加速后流入左半电极框。电解液在多孔电极区域反应后，一部分经由下部出口主流道经由左侧出口分配流道凹槽流出电极框，剩余电解液经右侧出口分配流道凹槽经由上部出口主流道凹槽流出电极框。进口主流道凹槽与出口主流道凹槽，流道截面总宽均为14mm，进口分液流道采用渐缩设计，进口分液流道、出口分液流道与多孔电极交界的截面宽为6mm。框体材料为PVC。
在实施例中，电解液进出口主流道凹槽与阴极电解液进出口通孔的连通面积为对比例的1.87-2.25倍，进出口主流道凹槽的流通截面面积为对比例的1.75倍，进口分液流道、出口分液流道与多孔电极交界的截面面积为对比例的2倍。进出口分配流道凹槽避免了较大的折转，极大地减小了电解液在电极框内流动的流阻，在流动泵扬程不变的情况下，能够增大电解液流量，提高电解液流速。进口分液流道采用渐缩设计，对电解液起到了二次加速作用，进一步提升了电解液流速。
电极面积：875cm2。
电堆节数：10节
电流密度：40mA/cm2，充电时间：1小时，放电截止电压：8V
电堆充放电库伦效率94.1％，电压效率83.6％，能量效率78.7％
最大充放电循环数：512个循环
表1：电池性能对比
电堆序号 库伦效率％ 电压效率％ 能量效率％
对比例 93.2 81.7 76.1
实施例 94.1 83.6 78.7
通过电池性能对比可以看出，采用本发明的电极框，锌溴单液流电堆的性能要明显优于采用传统电极框的锌溴单液流电堆的性能，并且电堆的最大循环次数也有了明显的提升，说明采用本发明的电极框可以有效提升锌沉积的均匀度，在提高电堆运行寿命的同时，还可以抑制锌枝晶的增长，降低电池自放电，提升电池库伦效率。

Claims (4)

1.一种阴极电极框在锌溴单液流电池中的应用，阴极电极框为矩形平板，于阴极电极框靠近四角的边缘处分别设置通孔，四处通孔分别作为阴极电解液进口、阴极电解液出口、阳极电解液进口和阳极电解液出口；于矩形平板的中部设置有一个镂空的、可容置多孔电极的矩形中部通孔；于电极框一侧表面上，于靠近矩形中部通孔的相对二条边的电极框表面分别设有上、下二个液体分配凹槽，分别作为阴极电解液进液分配凹槽和阴极电解液出液分配凹槽，进液分配凹槽通过进口主流道凹槽与阴极电解液进口相连通，出液分配凹槽通过出口主流道凹槽与阴极电解液出口相连通；进液分配凹槽经进口分液流道或凹槽与中部通孔相连通，出液分配凹槽经出口分液流道或凹槽与中部通孔相连通；
其特征在于：阴极电解液出口位于平板左上方，出口主流道凹槽分成上下二个，出液分配凹槽分成左右二个，上部的出口主流道凹槽与阴极电解液出口的上半部分相连通，下部的出口主流道凹槽与阴极电解液出口的下半部分相连通；上部的出口主流道凹槽右端与右侧的出液分配凹槽左端相连通，下部的出口主流道凹槽右端与左侧的出液分配凹槽左端相连通；出口分液流道与矩形平板板面相平行的截面为倒梯形，出液分配凹槽经出口分液流道与中部通孔相连通；
阴极电解液进口位于平板右下方，进口主流道凹槽分成上下二个，进液分配凹槽分成左右二个，上部的进口主流道凹槽与阴极电解液进口的上半部分相连通，下部的进口主流道凹槽与阴极电解液进口的下半部分相连通；上部的进口主流道凹槽左端与右侧的进液分配凹槽右端相连通，下部的进口主流道凹槽左端与左侧的进液分配凹槽右端相连通；进口分液流道与矩形平板板面相平行的截面为梯形，进液分配凹槽经进口分液流道与中部通孔相连通。
2.按照权利要求1所述应用，阴极电解液出口的上半部分所在的180度弧角区域均与上部的出口主流道凹槽相连通；阴极电解液出口的下半部分所在的120-180度弧角区域均与下部的出口主流道凹槽相连通；
阴极电解液进口的上半部分所在的120-180度弧角区域均与上部的进口主流道凹槽相连通；阴极电解液进口的下半部分所在的180度弧角区域均与下部的进口主流道凹槽相连通。
3.按照权利要求1所述应用，出口主流道凹槽、出液分配凹槽、出口分液流道、进口主流道凹槽、进液分配凹槽、进口分液流道上均设有盖片，防止密封垫压紧时流道堵塞。
4.按照权利要求1所述应用，阴极电极框材料选用PVC聚氯乙烯。
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