CN115642270B - 一种液流电池流场板和液流电池 - Google Patents

Abstract

本发明适用于液流电池技术领域，提供了一种液流电池流场板和液流电池。所述液流电池流场板设置有用于供电解液流过的蛇形流道，所述蛇形流道具有第一端和第二端；所述蛇形流道沿所述第一端至第二端的方向，所述蛇形流道的深度无增大且至少有一处减小。所述液流电池具有上述的一种具有梯度的蛇形流道结构。本发明所提供的一种液流电池流场板和液流电池，其可以提高液流电池的性能，且可行性高、利于推广使用。

Description

一种液流电池流场板和液流电池

技术领域

本发明属于液流电池技术领域，尤其涉及一种液流电池流场板和液流电池。

背景技术

随着碳达峰碳中和目标的提出，我国能源结构加速调整，新能源正在逐渐完成对化石能源的取代，构建新能源为主体的新型电力结构已成为了发展的必然趋势。我国幅员辽阔，拥有广阔的太阳能及风能资源，但这些新能源具有较强的间歇性和波动性，直接并网会对电网产生较大的冲击。大规模储能系统可有效实现可再生能源发电的调幅调频、平滑输出、跟踪计划发电，从而减小可再生能源发电并网对电网的冲击，提高电网对可再生能源发电的消纳能力，同时可解决弃光、弃风等瓶颈问题。因此，大规模储能技术是解决可再生能源发电不连续、不稳定特性，推进可再生能源的普及应用，实现节能减排重大国策的关键核心技术。

作为一种本征安全的液流电池技术，液流电池由于电容量和功率可独立设计、循环寿命长、安全性高等优点，在大规模电化学储能领域有广阔的应用前景。为了提升液流电池的性能，我们需要降低各种极化损失：动力学极化损失、欧姆极化损失、浓差极化损失。其中在低电流密度下，电池的活化极化与电化学反应速率呈正相关，加快电化学反应速率能够降低动力学极化损失，提升电池性能。

然而，除了性能有待进一步提升，液流电池的较高成本也限制了其商业化推广。液流电池当前的产业化进程较快，但是面临着钒资源约束的问题。液流电池主要由电解液、隔膜、电极材料、泵、功率转换系统等部分组成。电解液是液流电池的核心材料，是整个化学体系中存储能量的介质。在液流电池中，电解液成本占据了储能电池成本的一半以上。因此，提升电解液利用率和能量效率，增加单位电解液储电量，被认为是有效地降低液流电池系统成本的手段。 为了提升能量效率，两种方案被广泛讨论：一是开发高性能多孔电极，二是设计强化对流的流场。目前商业化多孔电极为碳纸和碳毡，技术已经相对成熟。而常用流场种类研究较少，且不具有普适性。

传统的液流电池不含流场结构，电解液直接流过整个压缩电极，这造成了巨大的泵功损耗。采用不含流场结构的液流电池需要控制电极的厚度和压缩率，这大幅限制了活性反应面积，造成电池性能的低下。 为了解决这一问题，燃料电池中的流场结构被引入液流电池，以降低电解液和活性物质传输的浓差损失。这些场结构通常为毫米级或厘米级，包裹多个几何轮廓分明的沟道和肋的阵列。与不含流场结构的传统液流电池相比，流场结构的引入显著降低了电解液循环的泵功损耗，增强了活性物质的传输，提升了电池的功率输出。目前的流场结构包括平行流场、叉指形流场和蛇形流场。随着电化学反应的进行，流场中的活性物质浓度随着入口向出口减小，因此传统的流场设计难以实现大电流密度和高能量效率。

流道的引入提升了液流电池多孔电极表面的活性物质传输、然而目前大多的流道设计源自燃料电池，而燃料电池中的气体与液流电池中的液体物性参数存在较大差别，比如扩散系数、粘度、密度等有数量级的差异，燃料电池中很多设计经验在液流电池领域中并不可行。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供了一种液流电池流场板和液流电池，其可以提高液流电池的性能，且可行性高、利于推广使用。

本发明的技术方案是：一种液流电池流场板，所述液流电池流场板设置有用于供电解液流过的蛇形流道 ，所述蛇形流道具有第一端和第二端；所述蛇形流道沿所述第一端至第二端的方向，所述蛇形流道的深度无增大且至少有一处减小。

可选地，所述蛇形流道包括至少两条长流道和至少一条短流道，各所述长流道和各短流道依次交替设置且首尾相接。

可选地，所述蛇形流道沿所述第一端至第二端的方向，至少一所述短流道局部段或全段的深度呈梯度下降；或者，至少一所述长流道局部段或全段的深度呈梯度下降。

可选地，各所述长流道平行间隔设置，各所述短流道垂直于所述长流道设置。

可选地，所述短流道的两端分别为第一段和第二段，所述第一段连接于上一段长流道，所述第二段连接于下一段长流道，所述第一段的深度与该上一段长流道的深度相同，所述第二段的深度与该下一段长流道的深度相同；

至少一所述短流道的所述第一段和所述第二段之间具有梯度段，自所述第一段向第二段的方向，所述梯度段的深度呈线性减小。

可选地，所述短流道包括靠近于所述液流电池流场板一侧的第一组短流道和靠近于所述液流电池流场板另一侧的第二组短流道，所述第一组短流道中的短流道具有深度呈线性减小的梯度段，与所述第一组短流道直接连接且相邻的长流道为深度递减流道；所述第二组短流道中的短流道均为等高流道，且与所述第二组短流道直接连接且相邻的长流道为等高流道。

可选地，所述蛇形流道的第一端为进液端，所述蛇形流道的第二端为出液端，所述蛇形流道的第一端和第二端之间的直线距离为20至1000mm。

可选地，所述长流道的深度在0.01-5mm之间；

所述短流道的深度在0.01-5mm之间；

相邻所述长流道间隔距离范围为3至500mm。

可选地，沿所述第一端至第二端的方向，所述蛇形流道的深度呈连续梯度变化。

可选地，沿所述第一端至第二端的方向：

所述蛇形流道的深度呈线性连续梯度变化；

或者，所述蛇形流道的深度呈抛物线连续梯度变化；

或者，所述蛇形流道的深度呈指数连续梯度变化；

或者，所述蛇形流道的深度呈对数连续梯度变化。

本发明还提供了一种液流电池，所述液流电池具有上述的一种液流电池流场板。

本发明所提供的一种液流电池流场板和液流电池，其可以提高液流电池的性能，且可行性高、利于推广使用。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例一的一种具有梯度的蛇形流道结构的平面示意图；

图2为本发明实施例一的蛇形流道结构中正极流场的示意图；

图3为本发明实施例一的蛇形流道结构的流场板与多孔电极的相对位置以及电解液在二者中的流动方式示意图；

图4为现有技术无梯度蛇形流场在初始流速为4ml/min下的速度分布示意图；

图5为现有技术无梯度蛇形流场在初始流速为4ml/min下的压力分布示意图；

图6为本发明实施例一中对比实施例1的液流电池结构示意图；

图7为本发明实施例一中对比实施例1的蛇形流道结构的梯度蛇形流场在初始流速为4ml/min下的速度分布示意图；

图8为本发明实施例一中对比实施例1所述梯度蛇形流场在初始流速为4ml/min下的速度分布示意图；

图9为本发明实施例一中对比实施例2所述梯度蛇形流场组装的液流电池结构示意图；

图10为本发明实施例一中对比实施例2所述梯度蛇形流场在初始流速为4ml/min下的速度分布示意图；

图11为本发明实施例一中对比实施例2所述梯度蛇形流场在初始流速为4ml/min下的速度分布示意图；

图12为本发明实施例一中对比实施例3所述梯度蛇形流场组装的液流电池结构示意图；

图13为本发明实施例一中对比实施例3所述梯度蛇形流场在初始流速为4ml/min下的速度分布示意图；

图14为本发明实施例一中对比实施例3所述梯度蛇形流场在初始流速为4ml/min下的速度分布示意图；

图15发明实施例一中蛇形流道的示意图；

图16a为实施例一的流场结构的侧面视图；

图16b为实施例一的流场结构的局部放大视图；

图17为现有技术无梯度蛇形流场以及实施例1、2、3梯度蛇形流场的电池I-V曲线图；

图18为本发明实施例一中液流电池的性能图；

图19为本发明实施例一中液流电池的性能图；

图20a为本发明实施例二中蛇形流场的示意图；

图20b为本发明实施例二中蛇形流场的示意图；

图21a为本发明实施例二中连续梯度蛇形流场(深度呈线性连续梯度变化)的平面示意图；

图21b为本发明实施例二中连续梯度蛇形流场(深度呈抛物线连续梯度变化)的平面示意图；

图21c为本发明实施例二中连续梯度蛇形流场(深度呈指数连续梯度变化)的平面示意图；

图21d为本发明实施例二中连续梯度蛇形流场(深度呈对数连续梯度变化)的平面示意图；

图22为本发明所述传统蛇形流场在流量为3 mL·min^-1·cm^-2下电极内流速分布示意图；

图23为本发明实施例二中传统蛇形流场在流量为3 mL·min^-1·cm^-2下、电流密度为100 mA·cm^-2下的电极内活性物质浓度分布示意图；

图24a为本发明实施例二中所述蛇形流场的平面示意图；

图24b为本发明实施例二中所述蛇形流场的剖面示意图；

图25为本发明实施例二中所述蛇形流场在流量为3 mL·min^-1·cm^-2下电极内流速分布示意图；

图26为本发明实例实施例二中所述蛇形流场在流量为3 mL·min^-1·cm^-2下、电流密度为100 mA·cm^-2下的电极内活性物质浓度分布示意图；

图27为本发明实施例二中传统蛇形流场与对比实施例4的电压效率对比图；

图28为本发明实施例二中传统蛇形流场与对比实施例4的系统电压效率对比图；

图29为本发明实施例二中传统蛇形流场与对比实施例4的充放电曲线图；

图30为本发明实施例二中传统蛇形流场与对比实施例4的容量效率、电压效率、能量效率和电解液利用率对比图。

实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者可能同时存在居中元件。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。

另外，本发明实施例中若有“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系的用语，其为基于附图所示的方位或位置关系或常规放置状态或使用状态，其仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的结构、特征、装置或元件必须具有特定的方位或位置关系、也不是必须以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在具体实施方式中所描述的各个具体技术特征和各实施例，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，例如通过不同的具体技术特征/实施例的组合可以形成不同的实施方式，为了避免不必要的重复，本发明中各个具体技术特征/实施例的各种可能的组合方式不再另行说明。

实施例

如图1至图3所示，本发明实施例提供的一种具有梯度的蛇形流道结构，包括液流电池流场板（流场板）300，所述液流电池流场板300设置有用于供电解液流过的蛇形流道（蛇形脊/蛇形流场），所述蛇形流道具有第一端101和第二端102；所述蛇形流道沿所述第一端101至第二端102的方向，所述蛇形流道的深度无增大且至少有一处减小。具体应用中，蛇形流道的流道宽度可以相等，且蛇形流道沿所述第一端101至第二端102的方向，蛇形流道设置有至少一个平滑的深度降（流道降低），且该深度降的设置必须不少于一处，当深度降的设置大于一处时，整个流场的各深度应在同一个方向上呈现阶梯状的递增（或递减）的状态，本实施例中，蛇形流道的深度以第一端101（进液端）向第二端102（出液端）递减为例。蛇形流场结构能够对液流电池性能产生较大改变，同时，在蛇形流道两端的深度降都相同的情况下，相较于在整体流场板上增加梯度的工艺，无需将深度降分摊给蛇形流场板的整个面上，只需要在连接至少一处局部段设置有深度降即可，在毫米级的加工生产当中，这样施加的深度降相比于在整体流场板上施加的平缓深度降会更加精确，且该深度降可以根据实际需要灵活改变、调整，可以灵活应用于不同要求的液流电池，设计适用性较好，且加工工艺简单、成本低，有利于大规模应用。传统的流道由于相邻的流道之间的压差较小，脊下对流传输速度较低，使得多孔电极中活性物质到电极表面的传输受到限制，而本实施例中所采用在流场板面向方向具有梯度分布的流场（蛇形流道），通过流道深度梯度调节，增加相邻流道之间的压力差，增加了脊下对流的速度以及多孔电极的传质能力，可以有效提高液流电池的性能。具体应用中，可以在原设置平面流道图案的基础上应用，无需对流场方向的流道图案进行重新排布，通过模拟及实验测试得出，采用本实施例的蛇形流道结构，其泵功损耗大幅降低，同时提升了液流电池的充放电效率并减少了泵功，有益效果显著。

具体地，所述蛇形流道包括至少两条长流道100和至少一条短流道200，各所述长流道100和各短流道200依次交替设置且首尾相接。蛇形流道呈蛇形迂回状，其两端分别为第一端101（进液端）和第二端102（出液端）。各长流道100可以横向平行间隔排列，且各长流道100的长度可以相等，各长流道100的两端部在纵向上对齐，一短流道200连接于一长流道100的前端且与上一段长流道100的后端连接，另一短流道200连接于该长流道100的后端且与下一段长流道100的前端连接，蛇形流道的平面图案可呈方波状（长流道100的长度相当于幅值，短流道200的长度相当于周期值）。具体应用中，长流道100和短流道200可以垂直，相交处可为直角或设置为圆角过渡。

本实施例中，长流道100包括长流道1、长流道3、长流道5、长流道7、长流道9、长流道11、长流道13、长流道15、长流道17、长流道19。短流道200包括短流道2、短流道4、短流道6、短流道8、短流道10、短流道12、短流道14、短流道16、短流道18。第一端101为长流道1的起始端，电解液从长流道1的起始端依次流过短流道2、长流道3、短流道4、…… 、短流道18、长流道19，长流道19的末端为第二端102。

具体地，所述蛇形流道沿所述第一端101至第二端102的方向，至少一所述短流道200的局部段或全段的深度呈梯度下降；或者/和，至少一所述长流道100局部段或全段的深度呈梯度下降。本实施例中，各长流道100和短流道200的宽度相等，在至少一所述短流道200（短流道2、短流道4、短流道6、短流道8、短流道10、短流道12、短流道14、短流道16、短流道18中的至少一）的局部段或全段设置有深度降，其加工方便。

当然，也可以选择在至少一所述长流道100（长流道1、长流道3、长流道5、长流道7、长流道9、长流道11、长流道13、长流道15、长流道17、长流道19中的至少一）的局部段或全段设置有深度降。

本实施例中，如图16b所示，所述蛇形流道沿所述第一端101至第二端102的方向，所述蛇形流道的宽度相等，且至少一所述短流道200局部段或全段的深度呈梯度下降。所述短流道200的两端分别为第一段201和第二段202，所述第一段201连接于上一段长流道，所述第二段202连接于下一段长流道，所述第一段201的深度与该上一段长流道的深度相同，所述第二段202的深度与该下一段长流道的深度相同；至少一所述短流道的所述第一段201和所述第二段202之间具有梯度段203，自所述第一段201向第二段202的方向，所述梯度段203的深度呈线性减小。

具体应用中，所述短流道包括靠近于所述液流电池流场板一侧（例如左侧）的第一组短流道和靠近于所述液流电池流场板另一侧（例如右侧）的第二组短流道，需要说明的是，本实例的左侧和右侧仅为相对概念，不应认为是具有限定作用。所述第一组短流道中的短流道具有深度呈线性减小的梯度段（或者，所述第一组短流道中的短流道为深度呈线性减小的梯度段），与所述第一组短流道直接连接且相邻的长流道为深度递减流道，即同一条长流道的深度可以相等，但下一条长流道的深度小于上于条长流道的深度；所述第二组短流道中的短流道均为等高流道，且与所述第二组短流道直接连接且相邻的长流道为等高流道，同一条长流道的深度相等，且与所述第二组短流道直接连接的两条长流道的深度相等。

具体应用中，所述第一组短流道、第二组短流道中的短流道均具有深度呈线性减小的梯度段，各长流道的深度递减（同一长流道的深度可相等）。

具体地，所述蛇形流道的第一端101和第二端102之间的直线距离可为20至1000mm等合适范围。即蛇形流道的第一端101在液流电池流场板300的投影位置和第二端102在液流电池流场板300的投影位置之间的直线距离可为20至1000mm等合适范围。

具体地，所述长流道的深度可以在0.01-5mm之间，即长流道最深处可以不大于5mm，长流道最浅处可以大于0.01mm。

具体地，所述短流道的深度可以在0.01-5mm之间，即短流道最深处可以不大于5mm，短流道最浅处可以大于0.01mm

具体地，相邻所述长流道间隔距离范围可以为3至500mm等合适范围。

具体设计和应用中，可调节所述蛇形流道两端之间直线距离、长流道深度、相邻两个长流道（深度可不同）在正视图中直线间隔距离三个参数来控制介质在其中的运动，进而调节其传质能力，以改善电池(液流电池)的性能。

在对比实施例1中，如图6至图8所示，以蛇形流道Ⅰ两端之间直线距离为20mm的蛇形流场液流电池为例，长流道1的深度h1=1.00mm,长流道3的深度h3=长流道的深度h5=0.84mm, 长流道7的深度h7=长流道的深度h9=0.68mm, 长流道11的深度h11=长流道的深度h13=0.0.52mm, 长流道15的深度h15=长流道的深度h17=0.36mm, 长流道19的深度h19=0.20 mm。第一端101为长流道1的起始端，电解液从长流道1的起始端依次流过长流道1、短流道2、长流道3、短流道4、…… 、长流道17、短流道18、长流道19至第二端102。

在0.1MPa、20℃、入口浓度为500mol/cm³、入口初始流速为4ml/min的情况下，对正极流场和负极流场进行改进。凡是紧贴着出入口（101、102）对侧所在平面的短流道Ⅳ均有一个0.16mm的平滑深度降，正极流场在此平面上共有5个短流道紧贴着，负极流场在此平面上共有5个短流道紧贴着，两流场紧贴多孔电极。由于梯度的存在，可以增加相邻流道之间的压差，从而增加脊下的局部对流传输。以无梯度蛇形流道为例，在不设置梯度下的压力与速度分布图如图4、5，当设置面向梯度之后，压力和速度的分布图如图7、图8。可以看到，任意流道相邻处的压差显著增强，以出入口压差为例，相比于没有梯度的情况，出入口压差从768.8378Pa提高到4068.841Pa，提高了429.22%。同时，出口速度从0.03333m/s提高到0.25000m/s，提高了650.08%，从而加强了多孔电极的局部对流传输。在该条件下测试液流电池的极化曲线见图17。相比于没有梯度的情况，在电压为0.9V时，电流密度从251.06mA/cm²提高到349.95mA/cm²，提高了39.39%；在电流密度为195mA/cm²时，电压从1.06V提高到1.11V，提高了4.72%。

通过将该流道装配到液流电池中后和传统流道进行了充放电测试对比，得到的电池性能图如图18、19所示。采用本设计的蛇形流道在接近电堆实际运行的情况下，即较低的流速下（5毫升/分钟）及较大的电流密度（200mA/cm²）下，容量远远高于传统流道下的液流电池，充电电压远低于传统流道的液流电池，放电电压远远高于传统流道的液流电池，使用效果好。

在对比实施例2中，如图9至图11所示，所述蛇形流道由多个长流道和短流道依次拼接而成。所述长流道深度至少有一处不相同，当深度差异不止一处时，深度需依次递增或递减，所有长流道与长流道间所连接的短流道应平滑,且从正视图中可见该短流道与所连接的两个长流道都是垂直的；本对比实施例2以蛇形流道Ⅰ两端之间直线距离为20mm的蛇形流场液流电池为例，在0.1MPa、20℃、入口浓度为500mol/cm³、入口初始流速为4ml/min的情况下，对正极流场和负极流场进行改进。凡是紧贴着出入口（101、102）所在平面的短流道（短流道4、短流道8、短流道12、短流道16）均有一个0.2mm的平滑深度降，正极流场在此平面上共有4个短流道紧贴着，负极流场在此平面上共有4个短流道紧贴着，两流场紧贴多孔电极。由于梯度的存在，可以增加相邻流道之间的压差，从而增加脊下的局部对流传输。以无梯度蛇形流道为例，在不设置梯度下的压力与速度分布图如图4、5，当设置面向梯度之后，压力和速度的分布图如图10、图11。可以看到，任意流道相邻处的压差显著增强，以出入口压差为例，相比于没有梯度的情况，出入口压差从768.8378Pa提高到4141.962Pa，提高了438.73%。同时，出口速度从0.03333m/s提高到0.25000m/s，提高了650.08%，从而加强了多孔电极的局部对流传输。在该条件下测试的极化曲线见图17。相比于没有梯度的情况，在电压为0.9V时，电流密度从251.06mA/cm²提高到342.92mA/cm²，提高了36.59%；在电流密度为195mA/cm²时，电压从1.06V提高到1.11V，提高了4.72%。

在对比实施例3中，如图12至图15所示，所述蛇形流道Ⅰ由多个长流道Ⅱ和短流道Ⅲ依次拼接而成。所述长流道深度至少有一处不相同，当深度差异不止一处时，深度需依次递增或递减，所有长流道与长流道间所连接的短流道应平滑,且从正视图中应看到该短流道与所连接的两个长流道都是垂直的；本实施例以蛇形流道Ⅰ两端之间直线距离为20mm的蛇形流场液流电池为例，在0.1MPa、20℃、入口浓度为500mol/cm³、入口初始流速为4ml/min的情况下，对正极流场和负极流场进行改进。正极流场在出入口对侧所在平面上共有5个短流道Ⅲ紧贴着，居于最中心的短流道（短流道12）置有一个0.5mm的平滑深度降，负极流场在出入口对侧所在平面上共有5个短流道Ⅲ紧贴着，居于最中心的短流道Ⅲ设置有一个0.5mm的平滑深度降，两流场紧贴多孔电极。由于梯度的存在，可以增加相邻流道之间的压差，从而增加脊下的局部对流传输。以无梯度蛇形流道为例，在不设置梯度下的压力与速度分布图如图4、5，当设置面向梯度之后，压力和速度的分布图如图13、图14。可以看到，任意流道相邻处的压差显著增强，以出入口压差为例，相比于没有梯度的情况，出入口压差从768.8378Pa提高到2211.136Pa，提高了187.60%。同时，出口速度从0.03333m/s提高到0.10000m/s，提高了200.03%，从而加强了多孔电极的局部对流传输。在该条件下测试液流电池的极化曲线见图17。相比于没有梯度的情况，在电压为0.9V时，液流电池的电流密度从251.06mA/cm²提高到319mA/cm²，提高了27.06%；在电流密度为195mA/cm²时，电压从1.06V提高到1.10V，提高了3.77%。

本发明实施例还提供了一种液流电池，所述液流电池具有上述的一种具有梯度的蛇形流道结构。

实施例

本实施例中，与实施例一蛇形流道结构具有局部梯度的设计不同，本实施例中提供的一种具有梯度的蛇形流道结构，如图20a和图20b所示，包括液流电池流场板，所述液流电池流场板设置有用于供电解液流过的蛇形流道（蛇形流道），所述蛇形流道具有第一端101和第二端102；所述蛇形流道沿所述第一端101至第二端102的方向，所述蛇形流道的深度呈连续梯度变化。

具体地，所述蛇形流道的深度呈线性连续梯度变化(如图21a)。

或者，所述蛇形流道的深度呈抛物线连续梯度变化(如图21b)。

或者，所述蛇形流道的深度呈指数连续梯度变化(如图21c)。

或者，所述蛇形流道的深度呈对数连续梯度变化(如图21d)。

具体应用中，蛇形流道的深度连续变化规律可包括但不限于线性变化、抛物线变化、指数变化、对数变化等。

实施例二中，蛇形流道由多个长流道与短流道首尾相接构成，其中包括通入电解液的进液口，以及设置在每个流道上的转折区域。具体来说，所述的液流电池用连续梯度的蛇形流场，该连续梯度蛇形流场为单进单出单流道蛇形流场，单进单出流道具有一个入口区域101a、一个电解液分配区域103和一个出口区域102b。如图1所示，入口区域101a与电解液分配区域102b通过长流道1相连通，电解液分配区域103与出口区域102通过长流道19相联通。在电解液分配区域中，电解液从长流道1流到短流道2，从短流道2流到长流道3，从长流道3流到短流道4，从短流道4流到长流道5，从长流道5流到短流道6，从短流道6流到长流道7，从长流道7流到短流道8，从短流道8流到长流道9从长流道9流到短流道10，从短流道10流到长流道11，从长短流道11流到流道12，从短流道12流到长流道13，从长流道13流到短流道14，从短流道14流到长流道15，从长流道15流到短流道16，从短流道16流到长流道17，从长流道17流到短流道18，从短流道18流到长流道19。各长流道和相应短流道垂直连接。本实施例中，梯度在整个流道（从长流道1至长流道19）上是连续的。具体来说，在长流道上，梯度垂直于长流道的长度方向变化；在短流道上，梯度沿着短流道的长度变化。即对蛇形流场设置了一个平滑的深度降，以满足本发明所需实现的目的，且该深度降是连续的。

具体地，所述流场板与多孔电极紧密接触，其中电解液分配区域102被多孔电极完全覆盖。在流场板与多孔电极中的流动方式，包括在泵驱动下的流道中的强制对流、多孔电极向流道中的扩散传输，多孔电极中的脊下对流传输。已有文献证明，脊下对流是多孔电极中的主要流动方式，快慢决定了整个电极中的活性物质传输能力乃至电池的性能，因此提升脊下对流传输对液流电池的性能至关重要。

传统无梯度的蛇形流道（流道宽1mm深1.5mm），相邻的流道之间的压差较小，脊下对流传输非常弱。以使用传统蛇形流场的液流电池为例，在0.1 MPa、20 ℃、入口浓度为850mol·cm^-³、入口初始流速为3 mL·min^-1·cm^-2的情况下，多孔电极内的电解液流速分布图如图22。更具体地，当电流密度为100 mA·cm^-2时，多孔电极内的电解液流速分布图如图23。

对比实施例4：在本实施例的梯度蛇形流道中，如图24a和图24b所示，由于在垂直方向梯度的增加，相邻流道之间的压差大幅加，因此脊下对流速度得到了增强。

具体地，本对比实施例4中，蛇形流道结构包括19条流道，其中流道1、3、5、7、9、11、13、15、17、19为长流道，宽度为1mm，长度为20mm；流道2、4、6、8、10、12、14、16、18为短流道，宽度为1 mm，长度为3 mm，长流道和短流道垂直连接。所述连续梯度蛇形流场中长流道1左边沿（进液口101）深度为1.5 mm，长流道19右边沿（出液口102）深度为0.375 mm，蛇形流道的深度按第流道1左边沿至第流道19右边沿线性变化，即蛇形流道自进液口101向出液口102的方向，蛇形流道的深度是线性变化的。

以上述连续梯度蛇形流场液流电池为例，在0.1 MPa、20 ℃、入口浓度为850mol·cm^-³、入口初始流速为3 mL·min^-1·cm^-2的情况下，多孔电极内的电解液流速分布图如图25。相较于传统蛇形流场，流道5, 7, 9, 11, 13, 15, 17和19之间的肋下区域电解液流速显著增加。更具体的，当电流密度为100 mA·cm^-2时，多孔电极内的电解液流速分布图如图26。相较于传统蛇形流场，电极内的活性物质浓度显著增加。

通过多物理场有限元仿真，传统蛇形流场和连续梯度蛇形流场装配的液流电池的电压效率和系统电压效率分别如图27、图28。电压效率被定义为当液流电池荷电状态为0.5时，电池放电电压与充电电压的比值。在不同电解液流量（1 mL·min^-1·cm^-2、2 mL·min^-1·cm^-2、3 mL·min^-1·cm^-2）下，液流电池的电压效率随着电解液流量升高。当电解液流量相同时，采用连续梯度蛇形流场的液流电池电压效率高于采用传统蛇形流场。液流电池中的电解液循环需要消耗泵功。系统电压效率被定义为扣除泵功后的电池电压效率。当电流密度大于150 mA·cm^-2时，采用连续梯度蛇形流场的液流电池系统电压效率高于采用传统蛇形流场。

将该流道装配到液流电池中后和传统流道进行了充放电测试对比，得到的电池充放电曲线如图29。采用本设计的新型流道在给定电解液流量（3 mL·min^-1·cm^-2）及各个电流密度（100 mA·cm^-2、200 mA·cm^-2、300 mA·cm^-2）下，容量远远高于传统流道，充电电压远低于传统流道，放电电压远远高于传统流道。电池容量效率、电压效率、能量效率和电解液利用率如图30，采用h 述的连续梯度蛇形流场显著提升电池效率和电解液利用率。

本发明实施例还提供了一种液流电池，所述液流电池具有上述的一种具有梯度的蛇形流道结构。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换或改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种液流电池流场板，其特征在于，所述液流电池流场板设置有用于供电解液流过的蛇形流道 ，所述蛇形流道具有第一端和第二端；

所述蛇形流道沿所述第一端至第二端的方向，所述蛇形流道的深度无增大且至少有一处减小，所述蛇形流道包括至少两条长流道和至少一条短流道，各所述长流道和各所述短流道依次交替设置且首尾相接，各所述长流道横向平行间隔排列，且各所述长流道的长度相等，各所述长流道的两端部在纵向上对齐，一所述短流道连接于下一长流道的前端且与上一段长流道的后端连接，至少一所述短流道的局部段深度呈梯度下降；

所述长流道和所述短流道相交处为圆角过渡；所述短流道的两端分别为第一段和第二段，所述第一段连接于上一段长流道，所述第二段连接于下一段长流道，所述第一段的深度与该上一段长流道的深度相同，所述第二段的深度与该下一段长流道的深度相同；至少一所述短流道的所述第一段和所述第二段之间具有梯度段，自所述第一段向第二段的方向，所述梯度段的深度呈线性减小；

所述短流道包括靠近于所述液流电池流场板一侧的第一组短流道和靠近于所述液流电池流场板另一侧的第二组短流道；所述第一组短流道中的短流道具有深度呈线性减小的梯度段；

所述长流道包括第一长流道、第三长流道、第五长流道、第七长流道、第九长流道、第十一长流道、第十三长流道、第十五长流道、第十七长流道、第十九长流道，所述短流道包括第二短流道、第四短流道、第六短流道、第八短流道、第十短流道、第十二短流道、第十四短流道、第十六短流道、第十八短流道，所述第一端为所述第一长流道的起始端，电解液从所述第一长流道的起始端依次流过所述第二短流道、所述第三长流道、所述第四短流道、所述第五长流道、所述第六短流道、所述第七长流道、所述第八短流道、所述第九长流道、所述第十短流道、所述第十一长流道、所述第十二短流道、所述第十三长流道、所述第十四短流道、所述第十五长流道、所述第十六短流道、所述第十七长流道、所述第十八短流道、所述第十九长流道，所述第十九长流道的末端为所述第二端；

所述蛇形流道两端之间直线距离为20mm，所述第一长流道的深度为1.00mm, 所述第三长流道的深度为0.84mm，所述第五长流道的深度为0.84mm, 所述第七长流道的深度为0.68mm，所述第九长流道的深度为0.68mm, 所述第十一长流道的深度为0.52mm，所述第十三长流道的深度为0.52mm, 所述第十五长流道的深度为0.36mm，所述第十七长流道的深度为0.36mm,所述第十九长流道的深度为0.20 mm。

2.如权利要求1所述的液流电池流场板，其特征在于，各所述长流道平行间隔设置，各所述短流道垂直于所述长流道设置。

3.一种液流电池，其特征在于，所述液流电池具有如权利要求1或2所述的液流电池流场板。

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