CN115911439A - 一种具有双螺旋结构的液流电池双极板流道 - Google Patents

Abstract

本发明属于液流电池技术领域，具体为一种具有双螺旋结构的液流电池双极板流道，包括正极进液口、双螺旋结构流道、双极板、负极进液口、正极出液口和固定螺栓孔，所述双极板顶部中央开设正极出液口，所述正极出液口上连接双螺旋结构流道，所述双螺旋结构流道外端设置正极进液口，所述双极板顶部对角开设负极进液口，所述双极板两侧均设置固定螺栓孔，通过对流道的合理设计，保证了电解液分配的均匀性，通过减少流道长度，有效的降低了压降和泵功损耗，提高了液流电池的整体性能。

Description

一种具有双螺旋结构的液流电池双极板流道

技术领域

本发明涉及液流电池技术领域，具体为一种具有双螺旋结构的液流电池双极板流道。

背景技术

化石能源在使用过程中会产生二氧化碳和有害污染物，使用太阳能、风能、潮汐能等可再生能源可以缓解对化石能源的过度依赖，减少二氧化碳及有害物质的排放。但是，这些可再生能源受天气环境影响，具有间歇不连续、波动性较大等缺点，恶化了配电网的电能质量和可靠性。因此，需要在可再生能源系统中配备储能设备，储能设备能够解决以上可再生能源的缺点，可以实现对发电的“调峰填谷”，优化可再生能源的产能效率。

作为一种大型的储能设备，液流电池因其寿命长、响应快、低污染、效率高、可回收、系统输出功率与存储容量相互独立等特点受到越来越广泛的关注。液流电池由端板、双极板、多孔电极及质子交换膜组成，双极板作为液流电池的关键部件，不仅起着串联电池的作用，双极板流道还控制着电解液的流动方式，流道结构直接影响电解液分布均匀性和流动传质能力，良好的流动传质能力能够减小流动损失，降低泵功和电池内浓差极化，提高电池系统效率。

现有液流电池双极板流道结构一般采用蛇形流道结构和叉指形流道结构。研究表明，蛇形流道的进口和出口是连通的，电解液顺着流道从进口流向出口，以非强制对流的方式通过电极发生电化学反应，对于大型的钒电池电堆，蛇形流道的长度明显大于其他流道，因此蛇形流道的压降是最大的，泵功损耗最大。叉指型流道拥有进口主流道和出口主流道，电解液由进口主流道向进口支流道分布，在强制对流的作用下完全压入电极后再由出口支流道汇聚到出口主流道流出，电解液在进口和出口支流道分配不均匀容易造浓差极化，形成较大的浓差过电位。叉指形流道的进口与出口不直接相连，流道流程较短，压降较小，泵功损耗小。因此设计有效的流道结构，合理均匀分配电解液，同时利用结构优势减小压降和泵功损耗是提高液流电池性能的关键。。

发明内容

本部分的目的在于概述本发明的实施方式的一些方面以及简要介绍一些较佳实施方式。在本部分以及本申请的说明书摘要和发明名称中可能会做些简化或省略以避免使本部分、说明书摘要和发明名称的目的模糊，而这种简化或省略不能用于限制本发明的范围。

鉴于上述和/或现有技术中存在的问题，提出了本发明。

因此，本发明的目的是提供一种具有双螺旋结构的液流电池双极板流道，通过对流道的合理设计，保证了电解液分配的均匀性，通过减少流道长度，有效的降低了压降和泵功损耗，提高了液流电池的整体性能。

为解决上述技术问题，根据本发明的一个方面，本发明提供了如下技术方案：

一种具有双螺旋结构的液流电池双极板流道，其包括：

正极进液口、双螺旋结构流道、双极板、负极进液口、正极出液口和固定螺栓孔，所述双极板顶部中央开设正极出液口，所述正极出液口上连接双螺旋结构流道，所述双螺旋结构流道外端设置正极进液口，所述双极板顶部对角开设负极进液口，所述双极板两侧均设置固定螺栓孔。

作为本发明所述的一种具有双螺旋结构的液流电池双极板流道的一种优选方案，其中：所述正极进液口呈中心对称分布，所述正极进液口直径是正极出液口直径的一半。

作为本发明所述的一种具有双螺旋结构的液流电池双极板流道的一种优选方案，其中：所述双螺旋结构流道形状为螺旋形，所述双螺旋结构流道采用顺时针螺旋结构。

作为本发明所述的一种具有双螺旋结构的液流电池双极板流道的一种优选方案，其中：所述双螺旋结构流道沿电解液流动方向的横截面为正方形，流道宽度、流道深度与相邻两流道间的距离相等。

作为本发明所述的一种具有双螺旋结构的液流电池双极板流道的一种优选方案，其中：所述双螺旋结构流道在直角转弯处设置圆角。

作为本发明所述的一种具有双螺旋结构的液流电池双极板流道的一种优选方案，其中：所述固定螺栓孔呈两两对称。

与现有技术相比：本发明采用一种具有双螺旋结构的液流电池双极板流道，电解液从两端进口分别流入各自的螺旋流道，经多孔电极反应完成后，再汇集到中间出口排出。在减少流道长度的同时改善了电解液分布的均匀性，强化了流动传质。减少的流道长度极大的降低了系统的压降和泵功损耗。本发明适用于不同尺寸液流电池，在保持进口和出口位置不变及与本发明结构相近的前提下，可以放大或缩小流道的整体表面积，从而到达到在强化传质的同时，提升电池的系统效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施方式的技术方案，下面将结合附图和详细实施方式对本发明进行详细说明，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中：

图1为本发明双极板主体3D结构示意图；

图2为本发明双极板平面结构示意图；

图3为本发明实施例1中的压降对比结构示意图；

图4为本发明实施例2中提供的(a)蛇形流道及(b)叉指形流道平面结构示意图；

图5为本发明实施例2中压降及泵功损图；

图6为本发明实施例2三种流道的极化曲线及功率密度图。

图中：正极进液口1、双螺旋结构流道2、双极板3、负极进液口4、正极出液口5、固定螺栓孔6。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施方式的限制。

其次，本发明结合示意图进行详细描述，在详述本发明实施方式时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的实施方式作进一步地详细描述。

本发明提供一种具有双螺旋结构的液流电池双极板流道，通过对流道的合理设计，保证了电解液分配的均匀性，通过减少流道长度，有效的降低了压降和泵功损耗，提高了液流电池的整体性能，请参阅图1-图6。

下面，通过附图和实施例对本发明做进一步的详细描述。

实施例1：

如图1和图2所示，本实施例提供了一种具有双螺旋结构的液流电池双极板流道，实施例中双极板3的厚度为10mm，长度为78mm，宽度为78mm；双极板3一侧表面上有呈中心对称的两个正极进液口1，直径为2mm；双螺旋结构流道2，流道宽度为2mm，深为2mm，相邻两流道间的距离为2mm，所有流道在直角转弯处做圆角处理，圆角直径为2mm，流场占总面积25cm2,其中长为5cm,宽为5cm；正极出液口5，直径为4mm。双极板3左右两侧各设有两个固定螺栓孔6，直径为4mm。双极板3的两侧有两个呈中心对称的负极进液口4，直径为2mm，负极双螺旋结构流道与正极相同，流道宽度为2mm，深为2mm，相邻两流道间的距离为2mm，所有流道在直角转弯处做圆角处理，圆角直径为2mm，流场占总面积25cm2，其中长为5cm，宽为5cm；负极出液口5直径为4mm。

以双极板正极侧为例，正极电解液从正极进液口1流入，经过正极双螺旋结构流道，电解液沿流道与电极接触发生氧化还原反应后，从正极出液口排出。

本发明中具有双螺旋结构的液流电池双极板流道，有两种进液方式，第一种为上面描述的电解液从进液口1进入，由出液口5排出(出口在中间型)；第二种为电解液从出液口5进入，由进液口1排出(进口在中间型)。为选择最优的进液方式，达到最高系统效率，保持所有条件一致，分别采用以上两种进液方式，对比两者在不同电解液流速下的压降。

如图3可知，在不同流速下，出口在中间型的压降明显低于进口在中间型，压降可降低23％，所以最优的进液方式为出口在中间型。

实施例2：

本实施例比较了上述的具有双螺旋结构的液流电池双极板流道(出口在中间型)、传统蛇形流道和传统叉指形流道的电池性能，其中蛇形流道和叉指形流道的结构参数与双螺旋形结构基本相同，只有流道类型不同。

如图4a所示，传统蛇形流道双极板的厚度为10mm，长度为78mm，宽度为78mm；流道宽度为2mm，深为2mm，相邻两流道间的距离为2mm，流场占总面积25cm2，其中长为5cm，宽为5cm。作为对比实施例。

如图4b所示，传统叉指形流道双极板的厚度为10mm，长度为78mm，宽度为78mm；流道宽度为2mm，深为2mm，相邻两流道间的距离为3.3mm，流场占总面积25cm2，其中长为5cm，宽为5cm。作为对比实施例。

如图5所示，采用双螺旋形、蛇形和叉指形流道的双极板组装液流电池单电池，电解液分别在10ml·min-1，20ml·min-1，30ml·min-1，40ml·min-1，50ml·min-1流速下的压降和泵功损耗比较。双螺旋形流道压降和泵功损耗明显低于蛇形和叉指形，且流速越高差距越大，压降最大可减小45％，泵功损耗最大可减小46％。

如图6所示，采用双螺旋形、蛇形和叉指形流道的双极板组装液流电池单电池，对比在相同60ml·min-1流速下，不同电流密度下的极化曲线和功率密度曲线。由极化曲线可知，使用双螺旋形流道的动力学和传质过电位损失最小，其次是蛇形流道，过电位损失最大的是叉指形流道。由功率密度曲线可知，功率密度峰值由大到小一次是双螺旋形(293mW·cm-2)，蛇形(264mW·cm-2)，叉指形(211mW·cm-2)。

实施例结果表明，本发明中的双螺旋结构设计降低了整体压降和泵功损耗，提高了双极板中心位置电解液的流动传质，减小了因浓差极化造成的传质过电位，提升了电池性能和电池系统效率。

虽然在上文中已经参考实施方式对本发明进行了描述，然而在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件。尤其是，只要不存在结构冲突，本发明所披露的实施方式中的各项特征均可通过任意方式相互结合起来使用，在本说明书中未对这些组合的情况进行穷举性的描述仅仅是出于省略篇幅和节约资源的考虑。因此，本发明并不局限于文中公开的特定实施方式，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。

Claims (6)

1.一种具有双螺旋结构的液流电池双极板流道，其特征在于，包括：正极进液口(1)、双螺旋结构流道(2)、双极板(3)、负极进液口(4)、正极出液口(5)和固定螺栓孔(6)，所述双极板(3)顶部中央开设正极出液口(5)，所述正极出液口(5)上连接双螺旋结构流道(2)，所述双螺旋结构流道(2)外端设置正极进液口(1)，所述双极板(3)顶部对角开设负极进液口(4)，所述双极板(3)两侧均设置固定螺栓孔(6)。

2.根据权利要求1所述的一种具有双螺旋结构的液流电池双极板流道，其特征在于，所述正极进液口(1)呈中心对称分布，所述正极进液口(1)直径是正极出液口(5)直径的一半。

3.根据权利要求1所述的一种具有双螺旋结构的液流电池双极板流道，其特征在于，所述双螺旋结构流道(2)形状为螺旋形，所述双螺旋结构流道(2)采用顺时针螺旋结构。

4.根据权利要求1所述的一种具有双螺旋结构的液流电池双极板流道，其特征在于，所述双螺旋结构流道(2)沿电解液流动方向的横截面为正方形，流道宽度、流道深度与相邻两流道间的距离相等。

5.根据权利要求1所述的一种具有双螺旋结构的液流电池双极板流道，其特征在于，所述双螺旋结构流道(2)在直角转弯处设置圆角。

6.根据权利要求1所述的一种具有双螺旋结构的液流电池双极板流道，其特征在于，所述固定螺栓孔(6)呈两两对称。

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