CN113889640B - 一种液流电池电堆 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及液流电池，特别涉及一种液流电池电堆，于电极区域内的多孔电极上设有1个或2个以上从左侧边至右侧边依次间隔设置的通孔，即于中部通孔内形成用于电解液缓冲再分布的1个或2个以上从左侧边至右侧边依次间隔设置的空腔。可实现电解液在电极区域，尤其是出口附近区域得到充分有效的利用，降低电池极化，消除局部效应，提高电堆和系统的可靠性与稳定性。

Description

一种液流电池电堆
技术领域
本发明涉及液流电池领域，特别涉及液流电池电堆装配结构。
背景技术
电化学储能技术在可再生能源有效利用和环境污染治理等领域有着光明的应用前景，其 中以全钒液流电池为代表的液流电池储能技术因其通常具有储能容量与功率独立设计 等优点而广受关注。电堆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 稳定性和经济性。液流电池电堆通常结构为矩形，其组成部件包括端板、矩形电极、液流框、离子交换膜等。液流电池运行过程中，电解液从电堆入口流至出口，在流动的同 时不断进行电化学反应，发生活性物质的产生或消耗。从电堆入口和出口，随着反应的 不断进行，反应物浓度不断下降(如图1所示)，从而影响电化学反应在整个电极区域 的均匀进行，其导致的直接结果是从入口到出口，浓差极化不断增加，电极材料得不到 有效的利用，甚至产生局部效应造成电堆材料的腐蚀等问题，严重影响电堆的可靠性。
发明内容
本发明的目的在于：针对液流电池中，尤其是液流电池电堆中电解液沿着入口到出 口方向活性物质浓度不断下降导致的极化问题(如图1)，提出并研究一种更加合理的适用于液流电池电堆的结构，结构简单，加工方便，通过在电极区域设定一定数量的用于 电解液再分配的空腔，可实现电解液在电极区域，尤其是出口附近区域得到充分有效的 利用，降低电池极化，消除局部效应，提高电堆和系统的可靠性与稳定性。
为实现上述目的，本发明提供的具体技术方案如下:
一种液流电池电堆，包括片状多孔电极和中部带与其相应形状及尺寸通孔的液流框，多孔电极置于液流框的中部通孔内，于液流框上设有作为电解液流入通道的通孔和 作为电解液流出通道的通孔，电解液流入通道的通孔通过作为入口导流区域的设置于平 板状液流框的板体一侧表面凹槽或设置于平板状液流框的板体内的通孔与中部通孔相 连通，电解液流出通道的通孔通过作为出口导流区域的设置于平板状液流框的板体一侧 表面凹槽或设置于平板状液流框的板体内的通孔与中部通孔相连通；中部通孔靠近电解 液流入通道的一侧(即中部通孔靠近入口导流区域的一侧)称之为入口侧边，中部通孔 靠近电解液流出通道的一侧(即中部通孔靠近出口导流区域的一侧)称之为出口侧边， 中部通孔除入口侧边和出口侧边以外的两个侧边称为左右侧边；其特征在于：于电极区 域内的多孔电极上设有1个或2个以上从左侧边至右侧边依次间隔设置的通孔，即于中 部通孔内形成用于电解液缓冲再分布的1个或2个以上从左侧边至右侧边依次间隔设置 的空腔。
所述空腔平行于平板状液流框的板体表面的截面为从靠近入口侧边处向靠近出口侧边处延伸的长条状；多孔电极和液流框中部通孔平行于平板状液流框板体表面的截面均为长方形；长方形通孔的四边分别为入口侧边、出口侧边、左右侧边。所述空腔平 行于平板状液流框的板体表面的截面为左右对称结构；其结构包括下述中的任一一种， A、空腔截面为1个或2个以上从左侧边至右侧边依次间隔设置的等腰梯形，其中梯形 的上底边靠近且平行于入口侧边，梯形的下底边靠近且平行于出口侧边；或B、空腔截 面为1个或2个以上从左侧边至右侧边依次间隔设置的两腰为内凹曲边的类等腰梯形， 其中梯形的上底边靠近且平行于入口侧边，梯形的下底边靠近且平行于出口侧边；或C、 空腔截面为1个或2个以上从左侧边至右侧边依次间隔设置的等腰三角形，其中等腰三 角形的底边靠近且平行于出口侧边，顶点靠近入口侧边；或D、空腔截面为1个或2个以 上从左侧边至右侧边依次间隔设置的两腰为内凹曲边的类等腰三角形，其中三角形的底 边靠近且平行于出口侧边，顶点靠近入口侧边；或E、空腔截面为，a)：1个或2个以上 的等腰梯形、b)：1个或2个以上两腰内凹曲边的类等腰梯形，c)：1个或2个以上 的等腰三角形、d)：1个或2个以上两腰内凹曲边的类等腰三角形，a-d中的任意两者 或任意三者或四者共同组成，上述任意两者或任意三者或四者沿着从中部通孔几何中心 到左侧侧边和右侧侧边的方向对称间隔设置，其中梯形的上底靠近且平行于入口侧边， 梯形的下底靠近且平行于出口侧边，三角形的底边靠近且平行于出口侧边，顶点靠近入 口侧边；对于情况A、B、C、D、或E，所述空腔之间互不连通，即相邻两个梯形或 类梯形或三角形或类三角形的相邻两条腰之间留有间隔；每个梯形空腔截面下底边或三 角形空腔截面底边到出口侧边的最近距离为不小于(大于等于)左侧边长度(左侧边分 别与出口侧边和入口侧边相交处交点间的距离)或右侧边长度(右侧边分别与出口侧边 和入口侧边相交处交点间的距离)的1/200，且不超过(小于等于)左侧边长度或右侧 边长度的1/4；每个梯形空腔截面上底边或三角形空腔截面顶点到入口侧边的最近距离 为不小于(大于等于)左侧边长度或右侧边长度的1/200，且不超过(小于等于)左侧边长度或右侧边长度的1/4；每个梯形空腔截面下底边或三角形空腔截面底边长度为不 小于(大于等于)2mm，且不超过(小于等于)入口侧边宽度(入口侧边分别与左侧边 和右侧边相交处交点间的距离)或出口侧边宽度(出口侧边分别与左侧边和右侧边相交 处交点间的距离)的1/6；该梯形空腔截面上底边为不小于(大于等于)1mm，且不超 过(小于等于)入口或出口侧边宽度的1/20；左右侧边长度指电极入口侧边(即长方 形通孔的入口侧边)到出口侧边(即长方形通孔的出口侧边)的垂直距离，入口或出口 侧边宽度指电极左侧侧边(即长方形通孔左侧侧边)到右侧侧边(即长方形通孔的右侧 侧边)的垂直距离。所述类等腰梯形的上底边和下底边为二条平行的、中垂线重合的直 线线段，作为两腰的左右二边为向梯形内部内凹的、关于上下底边中垂线对称的曲线线 段；所述类等腰三角形的底边为一条直线线段，作为两腰的左右二边为向三角形内部内 凹的、关于底边中垂线对称的曲线线段；
多孔电极的四周边缘均与液流框的中部通孔内壁面相贴接。空腔平行于平板状液流框的板体表面的截面面积之和为液流框中部通孔平行于平板状液流框的板体表面的 截面面积的2-70％，优选5-40％，更优选10-20％；且每个空腔平行于平板状液流框的板 体表面的截面面积之和为液流框中部通孔平行于平板状液流框的板体表面的截面面积 的1-20％，优选2-10％。
从图1可看出，现有技术矩形流场的电堆在充电过程中，从入口和出口，随着反应的 不断进行，反应物(四价钒离子)浓度不断下降，采用本发明的电池或电堆结构时，电解液先 从入口流入电极区域，进入电极区域后一部分电解液会渗入空腔，另一部分电解液在电 极中继续流动，同时不断发生电极和空腔中电解液的交换，最后透过出口附近的电极从出口汇流出。一方面，从入口侧边到出口侧边，电极宽度越来越窄，电解液从空腔进入 电极越来越易，同时反应对活性物质的需求也不断减少，故虽然活性物质浓度降低，但 活性物质的更新加快消耗减少；另一方面，部分电解液从入口附近快速到达出口附近进 行反应，活性物质浓度相对较高。通过改变电解液流动路径和缓冲电解液流速的双重作 用下改善电极出口附近的传质过程，从而有效降低浓差极化，尤其对于大功率电堆，可 以有效提高电堆和系统的稳定性，较低成本。
本发明技术方案带来的有益效果
该发明的电池或电堆加工方便，操作简单，通过加设空腔实现电解液的合理分布，从而提高电极区域的利用率，减弱或消除局部效应，降低极化，从而有效提高电池电堆 的可靠性和稳定性。具体来说：
在液流电池中，电解液从入口流至出口的过程中伴随着电化学反应的发生，从而使 得从入口到出口反应活性物质的浓度越来越低，在靠近出口的附近区域就会出现电极利 用不充分及浓差极化增大。通过设计从入口到出口端越来越宽的空腔，利用空腔宽度变化促进出口附近电极中电解液的更新速率，从而实现电极的充分利用和反应的均匀发 生，消除局部效应，提高系统的稳定性。
附图说明
图1常规液流电池结构，矩形电极中活性物质浓度分布示意图
图2实施例1装配结构示意图
图3实施例2装配结构示意图
图4实施例3装配结构示意图
图5对比例4装配结构示意图
图6对比例5装配结构示意图
图7对比例6装配结构示意图
符号说明：
1-电解液主流出口，2-出口导流区域，3-出口侧边，4-空腔，5-右侧边，6-多孔电极， 7-入口导流区域，8-电解液主流入口，9-入口侧边，10-左侧边。
具体实施方式
实施例1
如图2所示，一种液流电池装配结构。图中所示区域外侧为液流框框体，图中为电解液流经的主体区域，包括出口导流区域2、空腔4、多孔电极6和入口导流区域7。其 中出口导流区域上设置有电解液主流出口1，入口导流区域上设置有电解液主流入口8， 空腔位于多孔电极6和液流框框体之间。多孔电极为一带孔的矩形，多孔电极的四周边 缘均与液流框的中部通孔内壁面相贴接。左右侧边距离为100mm，入口侧边和出口侧 边距离为80mm，材质为碳毡；多孔电极中设六个空腔，形为等腰梯形。入口导流区域 和出口导流区域水平方向宽度与多孔电极宽度相等，为100mm。空腔下底侧边长度从 左至右依次为8mm、9mm、7.5mm、7.5mm、9mm、8mm，上底侧边长度从左至右依次 为3mm、1.5mm、2.5mm、2.5mm、1.5mm、3mm，下底侧边到出口侧边的距离从左至 右依次为2mm、2mm、2.5mm、2.5mm、2mm、2mm，上底侧边到入口侧边的距离从左 至右依次为1mm、1.5mm、1mm、1mm、1.5mm、1mm。空腔平行于液流框板体表面的 截面面积之和为液流框中部通孔平行于液流框板体表面的截面面积的30.19％，从左至 右每个空腔平行于液流框板体表面的截面分别为液流框中部通孔平行于液流框板体表 面的截面面积的5.29％，5.02％，4.78％，4.78％，5.02％，5.29％。
实施例2
如图3所示，一种液流电池装配结构。图中所示区域外侧为液流框框体，图中为电解液流经的主体区域，包括出口导流区域2、空腔4、多孔电极6和入口导流区域7。其 中出口导流区域上设置有电解液主流出口1，入口导流区域上设置有电解液主流入口8， 空腔位于多孔电极6和液流框框体之间。多孔电极为一带孔的矩形，，多孔电极的四周 边缘均与液流框的中部通孔内壁面相贴接。左右侧边距离为200mm，入口侧边和出口 侧边距离为190mm，材质为碳毡；多孔电极中设六个空腔，形为等腰曲边梯形。入口 导流区域和出口导流区域水平方向宽度与多孔电极宽度相等，为200mm。空腔下底侧 边长度从左至右依次为18mm、17mm、17.5mm、17.5mm、17mm、18mm，上底侧边长 度从左至右依次为3mm、2mm、4mm、4mm、2mm、3mm，下底侧边到出口侧边的距 离从左至右依次为4mm、5mm、4.5mm、4.5mm、5mm、4mm，上底侧边到入口侧边的 距离从左至右依次为3mm、3mm、3mm、3mm、3mm、3mm，两腰均为内凹的锚点曲线，于腰的中点内凹1mm。空腔平行于液流框板体表面的截面面积之和为液流框中部 通孔平行于液流框板体表面的截面面积的29.12％，从左至右每个空腔平行于液流框板 体表面的截面分别为液流框中部通孔平行于液流框板体表面的截面面积的4.99％， 4.48％，4.09％，4.09％，4.48％，4.99％。
实施例3
如图4所示，一种液流电池装配结构。图中所示区域外侧为液流框框体，图中为电解液流经的主体区域，包括出口导流区域2、空腔4、多孔电极6和入口导流区域7。其 中出口导流区域上设置有电解液主流出口1，入口导流区域上设置有电解液主流入口8， 空腔位于多孔电极6和液流框框体之间。多孔电极为一带孔的矩形，多孔电极的四周边 缘均与液流框的中部通孔内壁面相贴接。左右侧边距离为150mm，入口侧边和出口侧 边距离为150mm，材质为碳毡；多孔电极中设11个空腔，形为等腰梯形。入口导流区 域和出口导流区域水平方向宽度与多孔电极宽度相等，为150mm。空腔下底侧边到出 口侧边的距离均为1mm，下底侧边长度为4mm，上底侧边长度从左至右依次为2mm、1.5mm、2.5mm、1.5mm、1.5mm、3mm、1.5mm、1.5mm、2.5mm、1.5mm、2mm，上 底侧边到入口侧边的距离从左至右依次为1mm、1mm、1mm、1mm、1mm、1.5mm、 1mm、1mm、1mm、1mm、1mm。空腔平行于液流框板体表面的截面面积之和为液流框 中部通孔平行于液流框板体表面的截面面积的23.82％，从左至右每个空腔平行于液流 框板体表面的截面分别为液流框中部通孔平行于液流框板体表面的截面面积的1.99％， 1.82％，2.15％，1.82％，1.82％，2.31％，1.82％，1.82％，2.15％，1.82％，1.99％。
对比例4
对比例装配结构选择传统的矩形液流电池装配结构，如图5所示。图中所示区域外侧为液流框框体，图中为电解液流经的主体区域，包括出口导流区域2、空腔4、多孔 电极6和入口导流区域7。其中出口导流区域上设置有电解液主流出口1，入口导流区 域上设置有电解液主流入口8，空腔位于多孔电极6和液流框框体之间。多孔电极为一 矩形，其水平方向长度为300mm，宽250mm，材质为碳毡。入口导流区域和出口导流 区域水平方向宽度300mm。
对比例5
如图6所示，一种液流电池装配结构。图中所示区域外侧为液流框框体，图中为电解液流经的主体区域，包括出口导流区域2、空腔4、多孔电极6和入口导流区域7。其 中出口导流区域上设置有电解液主流出口1，入口导流区域上设置有电解液主流入口8， 空腔位于多孔电极6和液流框框体之间。多孔电极为一带孔的矩形，多孔电极的四周边 缘均与液流框的中部通孔内壁面相贴接。左右侧边距离为100mm，入口侧边和出口侧 边距离为80mm，材质为碳毡；多孔电极中设六个空腔，形为等腰梯形。入口导流区域 和出口导流区域水平方向宽度与多孔电极宽度相等，为100mm。空腔上底侧边长度从 左至右依次为3mm、1.5mm、2.5mm、2.5mm、1.5mm、3mm，下底侧边长度从左至右 依次为8mm、9mm、7.5mm、7.5mm、9mm、8mm，上底侧边到出口侧边的距离从左至 右依次为1mm、1.5mm、1mm、1mm、1.5mm、1mm，下底侧边到入口侧边的距离从左 至右依次为2mm、2mm、2.5mm、2.5mm、2mm、2mm。空腔平行于液流框板体表面的 截面面积之和为液流框中部通孔平行于液流框板体表面的截面面积的30.18％，从左至 右每个空腔平行于液流框板体表面的截面分别为液流框中部通孔平行于液流框板体表 面的截面面积的5.29％，5.02％，4.78％，4.78％，5.02％，5.29％。
对比例6
如图7所示，一种液流电池装配结构。图中所示区域外侧为液流框框体，图中为电解液流经的主体区域，包括出口导流区域2、空腔4、多孔电极6和入口导流区域7。其 中出口导流区域上设置有电解液主流出口1，入口导流区域上设置有电解液主流入口8， 空腔位于多孔电极6和液流框框体之间。多孔电极为一带孔的矩形，多孔电极的四周边 缘均与液流框的中部通孔内壁面相贴接。左右侧边距离为120mm，入口侧边和出口侧 边距离为100mm，材质为碳毡；多孔电极中设六个空腔，形为矩形。入口导流区域和 出口导流区域水平方向宽度与多孔电极宽度相等，为120mm。空腔宽度为8mm，出口 侧边到靠近其的矩形侧边距离为5mm，入口侧边到靠近其的矩形侧边距离为5mm。空 腔平行于液流框板体表面的截面面积之和为液流框中部通孔平行于液流框板体表面的 截面面积的36％，每个空腔平行于液流框板体表面的截面分别为液流框中部通孔平行于 液流框板体表面的截面面积的6％。
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。
物料守恒方程：
其中ci为物料i的浓度，Si为物料i守恒方程中的源项，为多孔电极区域内的有效 扩散系数。
边界条件与初始条件：
其中为法向量，入口压强Pin设为20000Pa，出口压强Pout设为0Pa。
在模型中，将入口钒离子的浓度与充放电状态(SoC)相关联，以消除反应时间的影响。根据充分发展流的假设，出口处所有物料的扩散通量均设为0。壁面边界设为0 通量。具体的表达式为：
表示各种离子入口浓度，i＝2,3,4,5表示对应价态的钒离子，/>与/>分别为正极和负极钒离子 的初始浓度，在此模型中设为1500mol m-3。模型收敛的相对误差因子为1×10-6。
以厚度4.2mm的碳毡为电极，在100mA cm-2的电流密度下充电，SoC为75％时， 对实施例和对比例模拟计算得到的结果如下表所示：
可见，采用本发明的装配结构显著提高反应的均匀性，提高电解液利用率。

Claims (7)

1.一种液流电池电堆，包括片状多孔电极和中部带与其相应形状及尺寸通孔的液流框，多孔电极置于液流框的中部通孔内，于液流框上设有作为电解液流入通道的通孔和作为电解液流出通道的通孔，电解液流入通道的通孔通过作为入口导流区域的设置于平板状液流框的板体一侧表面凹槽或设置于平板状液流框的板体内的通孔与中部通孔相连通，电解液流出通道的通孔通过作为出口导流区域的设置于平板状液流框的板体一侧表面凹槽或设置于平板状液流框的板体内的通孔与中部通孔相连通；中部通孔靠近电解液流入通道的一侧即中部通孔靠近入口导流区域的一侧称之为入口侧边，中部通孔靠近电解液流出通道的一侧即中部通孔靠近出口导流区域的一侧称之为出口侧边，中部通孔除入口侧边和出口侧边以外的两个侧边称为左右侧边；其特征在于：于电极区域内的多孔电极上设有1个或2个以上从左侧边至右侧边依次间隔设置的通孔，即于中部通孔内形成用于电解液缓冲再分布的1个或2个以上从左侧边至右侧边依次间隔设置的空腔；
所述空腔平行于平板状液流框的板体表面的截面为左右对称结构；
其结构包括下述中的任一一种，
A、空腔截面为1个或2个以上从左侧边至右侧边依次间隔设置的等腰梯形，其中梯形的上底边靠近且平行于入口侧边，梯形的下底边靠近且平行于出口侧边;
或B、空腔截面为1个或2个以上从左侧边至右侧边依次间隔设置的两腰为内凹曲边的类等腰梯形，其中梯形的上底边靠近且平行于入口侧边，梯形的下底边靠近且平行于出口侧边；
或C、空腔截面为1个或2个以上从左侧边至右侧边依次间隔设置的等腰三角形，其中等腰三角形的底边靠近且平行于出口侧边，顶点靠近入口侧边;
或D、空腔截面为1个或2个以上从左侧边至右侧边依次间隔设置的两腰为内凹曲边的类等腰三角形，其中三角形的底边靠近且平行于出口侧边，顶点靠近入口侧边;
或E、空腔截面为，a）：1个或2个以上的等腰梯形、b）：1个或2个以上两腰内凹曲边的类等腰梯形，c）：1个或2个以上的等腰三角形、d）：1个或2个以上两腰内凹曲边的类等腰三角形，a-d中的任意两者或任意三者或四者共同组成，上述任意两者或任意三者或四者沿着从中部通孔几何中心到左侧侧边和右侧侧边的方向对称间隔设置，其中梯形的上底靠近且平行于入口侧边，梯形的下底靠近且平行于出口侧边，三角形的底边靠近且平行于出口侧边，顶点靠近入口侧边；
所述类等腰梯形的上底边和下底边为二条平行的、中垂线重合的直线线段，作为两腰的左右二边为向梯形内部内凹的、关于上下底边中垂线对称的曲线线段；
所述类等腰三角形的底边为一条直线线段，作为两腰的左右二边为向三角形内部内凹的、关于底边中垂线对称的曲线线段。
2.按照权利要求1所述液流电池电堆，其特征在于：所述空腔平行于平板状液流框的板体表面的截面为从靠近入口侧边处向靠近出口侧边处延伸的长条状；
多孔电极和液流框中部通孔平行于平板状液流框板体表面的截面均为长方形；长方形通孔的四边分别为入口侧边、出口侧边、左右侧边。
3.按照权利要求1或2 所述液流电池电堆，其特征在于：多孔电极的四周边缘均与液流框的中部通孔内壁面相贴接。
4.按照权利要求1所述液流电池电堆，其特征在于：对于情况A、B 、C、D、或E，所述空腔之间互不连通，即相邻两个梯形或类梯形或三角形或类三角形的相邻两条腰之间留有间隔；每个梯形空腔截面下底边或三角形空腔截面底边到出口侧边的最近距离为不小于左侧边长度或右侧边长度的1/200，且小于等于左侧边长度或右侧边长度的1/4，其中左侧边长度为左侧边分别与出口侧边和入口侧边相交处交点间的距离，右侧边长度为右侧边分别与出口侧边和入口侧边相交处交点间的距离；每个梯形空腔截面上底边或三角形空腔截面顶点到入口侧边的最近距离为不小于左侧边长度或右侧边长度的1/200，且小于等于左侧边长度或右侧边长度的1/4；每个梯形空腔截面下底边或三角形空腔截面底边长度为不小于2mm，且小于等于入口侧边宽度或出口侧边宽度的1/6，入口侧边宽度为入口侧边分别与左侧边和右侧边相交处交点间的距离，出口侧边宽度为出口侧边分别与左侧边和右侧边相交处交点间的距离；该梯形空腔截面上底边为不小于1mm，且小于等于入口或出口侧边宽度的1/20； 左右侧边长度指电极入口侧边即长方形通孔的入口侧边到出口侧边即长方形通孔的出口侧边的垂直距离，入口或出口侧边宽度指电极左侧侧边即长方形通孔左侧侧边到右侧侧边即长方形通孔的右侧侧边的垂直距离。
5.按照权利要求1或2 所述液流电池电堆，其特征在于：空腔平行于平板状液流框的板体表面的截面面积之和为液流框中部通孔平行于平板状液流框的板体表面的截面面积的2-70%；
且每个空腔平行于平板状液流框的板体表面的截面面积之和为液流框中部通孔平行于平板状液流框的板体表面的截面面积的1-20%。
6.按照权利要求1或2所述液流电池电堆，其特征在于：空腔平行于平板状液流框的板体表面的截面面积之和为液流框中部通孔平行于平板状液流框的板体表面的截面面积的5-40%；
且每个空腔平行于平板状液流框的板体表面的截面面积之和为液流框中部通孔平行于平板状液流框的板体表面的截面面积的2-10%。
7.按照权利要求1所述液流电池电堆，其特征在于：多孔电极包括正极和/或负极。
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