CN115172794A - 一种液流电池用肋宽渐变型流道结构及液流电池 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种液流电池用肋宽渐变型流道结构，反应区内设有多个平行流道，相邻平行流道间肋宽从电解液入口侧到电解液出口侧依次增加。本发明还公开了一种液流电池，所述液流电池包括上述的液流电池用肋宽渐变型流道结构。本发明通过使相邻流道间肋宽从电解液入口侧到电解液出口侧逐渐增加，促进活性物质在液流电池多孔电极内的均匀分布，显著提高液流电池的充放电性能、功率密度和循环稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及储能技术中的液流电池技术领域，特别涉及一种液流电池用肋宽渐变型流道结构及液流电池。
背景技术
目前，开发利用可再生能源是我国能源战略的重要组成部分，风能、太阳能等可再生能源由于具有清洁、无污染的优点，其装机量在全国范围内逐年提高。然而，由于可再生能源具有间歇性、不稳定的特点，其产生的电量大规模直接并网会对电网的安全、稳定运行造成严重冲击。目前，“弃风”“弃光”现象严重。为了推动可再生能源的规模化应用，一种有效的途径是开发高效、稳定、低成本的大规模电化学储能系统。液流电池由于具有容量和功率相互独立、可扩展性好、安全性高、循环寿命长、响应时间短等优势，在大规模储能领域受到了广泛关注和快速发展。虽然液流电池优势突出，但是由于其建设成本不具竞争力，大规模产业化依旧受限。为了降低液流电池的建设成本以促进其商业化应用，一个公认而有效的方法是提高电池的运行电流密度并保持高能量效率和高电解液利用率。因为高运行电流密度和高能量效率可以减小电堆的尺寸，从而减少电极、隔膜、双极板等电堆材料的用量；而高电解液利用率可以减少活性物质的需求。目前，液流电池领域的研究大多集中于新型电极材料的开发。石墨毡、碳毡、碳纸、碳布等碳素材料由于具有导电性好、稳定性高、价格低廉的优势，通常被用作全钒液流电池的电极。但是，传统的碳素材料由于其电化学活性差、比表面积低的缺陷，制约了全钒液流电池性能的提高。针对该问题，研究者们通常采用两种途径来提高碳素电极的电化学性能：一种是通过调控含氧官能团种类与比例、引入杂原子掺杂、负载高活性电化学催化剂等方式来提高碳纤维表面的反应动力学；另一种是通过气、碱刻蚀、金属氧化物刻蚀等方式来提高碳纤维表面的粗糙度，增加电极的比表面积。
提高液流电池性能的另一个途径是对流道结构进行创新设计。传统的液流电池采用穿流电池结构，但在该结构中为了保持高反应面积和低流动阻力，通常需要使用厚的电极，使液流电池的欧姆损失增加，制约了电池性能的提高。研究人员后来提出了新型“零间隙”旁流电池结构来降低电池的欧姆损失。在该结构中，电解液不再从电极的一端直接流向另一端，而是首先在流道中流动，然后通过对流和扩散的方式进入多孔电极。传统的旁流电池结构流道宽度和流道间隔都是均匀分布的。然而，由于多孔电极内在靠近流道入口侧的反应物浓度要高于靠近出口侧的反应物浓度，因此在入口侧电化学反应更剧烈，使得多孔电极局部电流密度在面内方向分布不均匀。研究人员通过实验测量的方式发现流道入口侧电极的局部电流密度高于流道出口侧，且多孔电极肋下区域的局部电流密度高于流道下区域。局部电流密度的不均匀性分布降低了电极利用率、促进了副反应发生、加速了电池容量衰减、制约了液流电池的充放电性能和循环性能。
发明内容
本发明为解决公知技术中存在的技术问题而提供一种液流电池用肋宽渐变型流道结构及液流电池。
本发明为解决公知技术中存在的技术问题所采取的技术方案是：一种液流电池用肋宽渐变型流道结构，反应区内设有多个平行流道，相邻平行流道间肋宽从电解液入口侧到电解液出口侧依次增加。
进一步地，设靠近电解液入口侧的相邻流道间肋宽为a,相邻流道间肋宽从电解液入口侧到电解液出口侧依次增加1/50a～1/2a。
进一步地，设靠近电解液入口侧的相邻流道间肋宽为a，靠近电解液出口侧的相邻流道间肋宽为1a～20a。
进一步地，流道包括蛇形流道、平行流道、叉指形流道或螺旋形流道。
进一步地，流道设有进液流道与出液流道，进液流道与出液流道相连通且无分支流道。
进一步地，流道设有进液流道与出液流道，进液流道设有两个以上进液分支流道，出液流道设有两个以上出液分支流道，进液分支流道和出液分支流道交错排列且不连通。
进一步地，流道设有进液流道与出液流道，进液流道设有两个以上进液分支流道，进液分支流道与出液流道相连通。
本发明还提供了一种液流电池，包括上述的液流电池用肋宽渐变型流道结构。
本发明具有的优点和积极效果是：
(1)本发明突破了传统流道的限制，通过使相邻流道间肋宽从电解液入口侧到电解液出口侧逐渐增加，显著提高活性物质在液流电池多孔电极内的分布。
(2)本发明适用于包括蛇形流道、插指形流道和平行流道在内的多种流道，具有很强的普适性，是液流电池流道结构设计的通用性策略。
(3)本发明不会改变拐角数目和流动距离，不增加额外的流动阻力和泵功，不影响原有的电池设计。
(4)本发明应用于多种液流电池，均可使充放电性能提高、电解液利用率提高、循环稳定性增强。
附图说明
图1为本发明的一种液流电池用肋宽渐变型流道结构-蛇形流道示意图；
图2为传统液流电池蛇形流道示意图；
图3为本发明的一种液流电池用肋宽渐变型流道结构-叉指形流道示意图；
图4为传统液流电池叉指形流道示意图；
图5为本发明的一种液流电池用肋宽渐变型流道结构-平行流道示意图；
图6为传统液流电池平行流道示意图。
图中：1、电解液入口；2、流道肋；3、电解液出口；4、进液分支流道；5、出液分支流道。箭头方向为液流方向。
具体实施方式
为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹列举以下实施例，并配合附图详细说明如下：
请参见图1至图6，一种液流电池用肋宽渐变型流道结构，反应区内设有多个平行流道，相邻平行流道间肋宽从电解液入口侧1到电解液出口侧3依次增加。
优选地，可设靠近电解液入口侧1的相邻流道间肋宽为a,即流道肋2的宽度为a；相邻流道间肋宽从电解液入口侧1到电解液出口侧3依次增加1/50a～1/2a。
优选地，可设靠近电解液入口侧1的相邻流道间肋宽为a，靠近电解液出口侧3的相邻流道间肋宽为1a～20a。
优选地，流道可包括蛇形流道、平行流道、平行蛇形流道、叉指形流道或螺旋形流道。
优选地，流道可设有进液流道与出液流道，进液流道可与出液流道相连通且无分支流道。
优选地，流道可设有进液流道与出液流道，进液流道可设有两个以上进液分支流道4，出液流道可设有两个以上出液分支流道5，进液分支流道4和出液分支流道5可交错排列且不连通。
优选地，流道可设有进液流道与出液流道，进液流道可设有两个以上进液分支流道4，进液分支流道4与出液流道相连通。
本发明还提供了一种液流电池，包括上述的液流电池用肋宽渐变型流道结构。
该液流电池，可包括依照如下次序叠放的元器件：电木板、端板、集流板、石墨板、电极、垫片、隔膜、垫片、电极、石墨板、集流板、端板、电木板。上述元器件通过螺栓螺母固紧组装。
其中石墨板上设有上述液流电池用肋宽渐变型流道结构。
在一些实例中，所述电极包括碳纸、碳布、石墨毡、炭毡、泡沫金属等。
在一些实例中，所示隔膜包括阴离子交换膜、阳离子交换膜、多孔隔膜等。
在其中一些实施例中，所述液流电池包括全钒液流电池、铁铬液流电池、铁钒液流电池、锌溴液流电池、锌碘液流电池、钒溴液流电池、锌铈液流电池或钒铈液流电池。
进一步地，本发明的工作原理：
液流电池流道的设计主要是为了促进活性物质在多孔电极内的均匀分布，同时减小流动阻力。传统均匀流道结构随着从入口侧到出口侧多孔电极内电化学反应的进行，出口侧电极表面活性物质浓度将远低于入口侧。该活性物质的不均匀分布造成电化学反应主要发生在入口侧，使得局部电流密度在面内方向分布不均匀，降低了多孔电极的空间利用率低，制约了液流电池充放电性能和循环性能的提高。在新型梯度流道中，相邻流道间肋宽的面积从流道入口侧到出口侧逐渐增加，流道面积从入口侧到出口侧保持不变。该设计将有效提高在出口侧主要电化学反应区域(即相邻流道间区域)的平均流速，促进活性物质从电解液中向电极表面的传输，提高活性物质在电极表面的浓度，使活性物质在面内方向均匀分布。同时，相比于传统流道设计，该梯度流道不会改变拐角数目和流动距离，不增加额外的流动阻力和泵功。
以下实施例及对比例进一步说明本发明的各种流道结构及与现有技术相比，所具有的不同点及有益效果：
实施例1：
本发明的实施例1为一种液流电池用梯度蛇形流道。梯度蛇形流道相邻流道间肋宽从电解液入口1侧到电解液出口3侧分别为1.5、2.0、2.5、3.0、3.5、4.0、4.5、5.0、5.5、6.0、6.5、7.0、7.5、8.0、8.5mm，流道宽度均为5.0mm。采用碳纸电极和Nafion 211隔膜，正极电解液为20mL含1M VO2++3M H2SO4的溶液，负极电解液为20mL含1M V3++3M H2SO4的溶液。在250mA cm-2电流密度下，采用本发明梯度蛇形流道组装的全钒液流电池能量效率为82.3％，活性物质利用率为85.5％，稳定循环2000圈。
对比例1：
本对比例提供一种液流电池用传统蛇形流道。传统蛇形流道相邻流道间肋宽从电解液入口1侧到电解液出口3侧分别为5.0、5.0、5.0、5.0、5.0、5.0、5.0、5.0、5.0、5.0、5.0、5.0、5.0、5.0、5.0mm，流道宽度均为5.0mm。采用碳纸电极和Nafion 211隔膜，正极电解液为20mL含1M VO2++3M H2SO4的溶液，负极电解液为20mL含1M V3++3M H2SO4的溶液。在250mA cm-2电流密度下，采用本对比例传统蛇形流道组装的全钒液流电池能量效率为74.1％，活性物质利用率为70.6％，稳定循环600圈。
实施例2：
本发明实例一种液流电池用梯度插指形流道。梯度插指形相邻流道间肋宽从电解液入口1侧到电解液出口3侧分别为1.8、2.4、3.0、3.6、4.2、4.8、5.4、6.0、6.6、7.2、7.8、8.4、9.0、9.6、10.2mm，流道宽度均为6.0mm。采用碳布电极和Nafion 212隔膜，正负极电解液均为40mL 1.0M FeCl2+1.0M CrCl3+3.0M HCl+0.01M BiCl3溶液。在300mA cm-2电流密度下，采用本发明梯度插指形流道组装的铁铬液流电池能量效率为80.2％，活性物质利用率为79.8％，稳定循环1000圈。
对比例2：
本对比例提供一种液流电池用传统插指形流道。传统插指形流道相邻流道间肋宽从电解液入口1侧到电解液出口3侧分别为6.0、6.0、6.0、6.0、6.0、6.0、6.0、6.0、6.0、6.0、6.0、6.0、6.0、6.0、6.0mm，流道宽度均为6.0mm。采用碳布电极和Nafion212隔膜，正负极电解液均为40mL 1.0M FeCl2+1.0M CrCl3+3.0M HCl+0.01M BiCl3溶液。在300mA cm-2电流密度下，采用本对比例传统插指形流道组装的铁铬液流电池能量效率为70.7％，活性物质利用率为65.2％，稳定循环400圈。
实施例3：
本发明实例一种液流电池用梯度平行流道。梯度平行流道相邻流道间肋宽从电解液入口1侧到电解液出口3侧分别为0.75、1.00、1.25、1.50、1.75、2.00、2.25、2.50、2.75、3.00、3.25、3.50、3.75、4.00、4.25mm，流道宽度均为2.50mm。采用石墨毡电极和PBI多孔隔膜，正负极电解液均为60mL 2.0M ZnBr2溶液。在40mA cm-2电流密度下，采用本发明梯度平行流道组装的锌溴液流电池能量效率为81.6％，库伦效率为98.5％，稳定循环800圈。
对比例3：
本对比例提供一种液流电池用传统平行流道。传统平行流道相邻流道间肋宽从电解液入口1侧到电解液出口3侧分别为2.5、2.5、2.5、2.5、2.5、2.5、2.5、2.5、2.5、2.5、2.5、2.5、2.5、2.5、2.5mm，流道宽度均为2.5mm。采用石墨毡电极和PBI多孔隔膜，正负极电解液均为60mL 2.0M ZnBr2溶液。在40mA cm-2电流密度下，采用本对比例传统平行流道组装的锌溴液流电池能量效率为75.1％，库伦效率为96.4％，稳定循环200圈。
实施例4：
本发明实例一种液流电池用梯度平行流道。梯度平行流道相邻流道间肋宽从电解液入口1侧到电解液出口3侧分别为0.75、1.00、1.25、1.50、1.75、2.00、2.25、2.50、2.75、3.00、3.25、3.50、3.75、4.00、4.25mm，流道宽度均为2.50mm。采用石墨毡电极和Nafion 115隔膜，正负极电解液均为40mL 2.0M ZnI2溶液。在20mA cm-2电流密度下，采用本发明梯度平行流道组装的锌碘液流电池能量效率为84.3％，库伦效率为96.2％，稳定循环500圈。
对比例4：
本对比例提供一种液流电池用传统平行流道。传统平行流道相邻流道间肋宽从电解液入口1侧到电解液出口3侧分别为2.5、2.5、2.5、2.5、2.5、2.5、2.5、2.5、2.5、2.5、2.5、2.5、2.5、2.5、2.5mm，流道宽度均为2.5mm。采用石墨毡电极和Nafion 115隔膜，正负极电解液均为40mL 2.0M ZnI2溶液。在20mA cm-2电流密度下，采用本对比例传统平行流道组装的锌溴液流电池能量效率为78.2％，库伦效率为94.8％，稳定循环300圈。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述的实施例仅用于说明本发明的技术思想及特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够理解本发明的内容并据以实施，不能仅以本实施例来限定本发明的专利范围，即凡本发明所揭示的精神所作的同等变化或修饰，仍落在本发明的专利范围内。
Claims (8)
1.一种液流电池用肋宽渐变型流道结构，其特征在于，反应区内设有多个平行流道，相邻平行流道间肋宽从电解液入口侧到电解液出口侧依次增加。
2.根据权利要求1所述的液流电池用肋宽渐变型流道结构，其特征在于，设靠近电解液入口侧的相邻流道间肋宽为a,相邻流道间肋宽从电解液入口侧到电解液出口侧依次增加1/50a～1/2a。
3.根据权利要求1所述的液流电池用肋宽渐变型流道结构，其特征在于，设靠近电解液入口侧的相邻流道间肋宽为a，靠近电解液出口侧的相邻流道间肋宽为1a～20a。
4.根据权利要求1所述的液流电池用肋宽渐变型流道结构，其特征在于，流道包括蛇形流道、平行流道、叉指形流道或螺旋形流道。
5.根据权利要求1或4所述的液流电池用肋宽渐变型流道结构，其特征在于，流道设有进液流道与出液流道，进液流道与出液流道相连通且无分支流道。
6.根据权利要求1或4所述的液流电池用肋宽渐变型流道结构，其特征在于，流道设有进液流道与出液流道，进液流道设有两个以上进液分支流道，出液流道设有两个以上出液分支流道，进液分支流道和出液分支流道交错排列且不连通。
7.根据权利要求1或4所述的液流电池用肋宽渐变型流道结构，其特征在于，流道设有进液流道与出液流道，进液流道设有两个以上进液分支流道，进液分支流道与出液流道相连通。
8.一种液流电池，其特征在于，包括权利要求1至7任一所述的液流电池用肋宽渐变型流道结构。
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