CN117558957B - 磁管理顺磁性反应离子的液流电池系统及性能提升方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了磁管理顺磁性反应离子的液流电池系统及性能提升方法，属于液流电池领域，包括具有多孔电极的液流电池系统，多孔电极为磁性多孔电极，磁性多孔电极由具有磁性的多孔材料制备而成，磁性多孔电极内部和表面具有梯度磁场。本发明使进入液流电池的电解液流过或渗入表面具有梯度磁场的磁性多孔电极，电解液中的顺磁性反应离子在磁开尔文力作用下在磁性多孔电极的孔隙内发生磁对流。本发明解决的技术问题包括现有技术中提高液流电池电能效率的方式会导致循环泵功耗增大的问题，实现在不提高泵功耗的前提下，提高电堆电能效率和系统净电能效率的目的。

Description

磁管理顺磁性反应离子的液流电池系统及性能提升方法

技术领域

本发明涉及液流电池领域，具体涉及利用磁力管理顺磁性反应离子的液流电池系统及其性能提升方法。

背景技术

电力供应中风、光等时域性一次清洁能源的渗透比例正不断扩大，为更好的消纳风光等波动性清洁能源入网，削峰填谷保证电网平稳安全运行，电力系统对储能的要求不断增加，储能设施甚至成为新建风、光发电厂的强制配套设置。在多种储能方式中，液流电池储能以其本证安全、模块化易拓展、毫秒级快速响应等突出特点，成为小时/天级长时储能的最佳选择之一。

以全钒储能液流电池为例，电池结构由端板、集流板、双极板、多孔电极（目前商业应用以碳毡为主）、质子交换膜构成，实际往往采用多个单电池串联堆叠形成电堆，正负极侧电解液分开储存在两个储罐中，电解液由两个循环泵驱动分别流过电池正负极侧，电堆、循环泵、储罐组成储能电池系统。正极一侧为V⁴⁺/V⁵⁺，负极一侧为V³⁺/V²⁺，电解液往往由不同价态的钒离子盐溶液组成，充放电过程中正负极发生电化学反应实现电子在电极与电解液之间的转移，电解液由循环泵驱动输送到电池，正负极两侧的电解液分别流经两侧的双极板，双极板上刻有微流道，电解液流过流道时，渗透进入相邻的多孔电极，反应离子得到或失去电子的电化学反应在多孔电极的微纤维表面完成。此外，现有技术中其他还公开有铁-铬（正负极反应离子为Fe³⁺/Fe²⁺和Cr²⁺/Cr³⁺）、铁-锰、钒-铁、铁-钴等离子基的液流电池，其电池结构一样，只是正负极参与反应的离子不一样，目前发展比较快的是全钒液流，其次是铁铬液流，其他的离子基液流电池更多处于实验室研究阶段。

以目前技术相对更成熟的钒电池为例，目前发展痛点主要有：1）钒电解液和电堆材料成本高；其中电解液和电堆的成本占总成本七成以上；2）工作电流密度较低，导致功率密度低，要达到一定总功率，需要的电堆材料多，成本支出较高；3）更高工作电流导致电极过电势增加，电池电能效率较低；4）实际工作中容易出现正负极反应离子跨膜交叉混合，导致电池容量衰减，电解液污染。因此，提高液流电池的工作电流密度，并抑制反应离子跨膜交叉混合是实现高参数高性能液流电池需要重点解决的问题。

液流电池的电能效率=放电电能/充入电能，电池充电时正负电极间电压U _ch 为：U _ch =E+η _act +η _IR +η _con ，电池放电时正负极间电压U _dis 为：U _dis =E-η _act -η _IR -η _con ；其中E为开路电势，η表示电极极化过电势，η _act 为反应过电势、η _IR 为欧姆过电势、η _con 为浓差过电势，较大的极化过电势拉低电池电能效率（恒电流充放时，电池电能效率=U _dis /U _ch ）。随着电池工作电流密度的加大，浓差过电势增加幅度最大，将成为所有过电势的主要组成部分，当然欧姆过电势和反应过电势也会不同程度增加，电池电能效率不断下降。因此，若发展高电流密度、高电能效率的液流电池，需要在更高工作电流密度下，实现较小的浓差过电势。同时，通过有效的方法抑制正负极两侧反应离子跨膜交叉，可抑制电池容量衰减，延长电池寿命。浓差过电势与反应离子向多孔电极固液界面的传输效率直接相关，依据Nernst-Plank方程，反应离子传输主要靠对流和扩散作用，电迁移传质作用相对较小；反应离子的跨膜交叉主要由浓差驱动的离子跨膜扩散引起。所以，实现高参数高能效长寿命液流电池，需要采用创新方法管理反应离子在正负极侧同侧高效传输，同时抑制反应离子异侧跨膜输运。

目前技术中，在高电流密度下抑制浓差过电势的方法主要是提高电解液流速，通过循环泵驱动电解液流动提高对流传质效率。抑制反应离子跨膜的方法一般是研发新的膜材料或增加膜厚度。但是，电解液流速增加意味着循环泵功耗增加，不断增加电解液流速，虽然可以减小浓差过电势、提高电池电能效率，但并不能实现液流电池系统净电能效率的提高（电池系统净电能效率=（放电电能-泵耗电能）/（充入电能+泵耗电能））；另外，传质由对流和扩散双过程控制，单纯通过提高电解液流速提高对流传质效率对扩散传质过程的改善收效甚微，实际表现为电解液速度提高到一定程度，浓差过电势的改善幅度不大；此外，目前相对既有的Nafion系列膜材料，新型膜材料在抑制离子跨膜和成本等方面并未表现出显著优势，而通过增加膜厚度会引起欧姆过电势增加，这些对高参数高效液流电池的推广运用都是非常不利的。

发明内容

本发明提供一种磁管理顺磁性反应离子的液流电池系统及性能提升方法，主要解决的技术问题是现有提高液流电池电能效率的方法会增大循环泵功耗进而降低系统净电能效率，以及反应离子跨膜交叉混合导致电解液污染。本发明通过有限的静磁场介入实现在不提高泵功耗的前提下，提高电堆电能效率和系统净电能效率，同时抑制离子跨膜交叉混合，延长电池寿命。

本发明通过下述技术方案实现：磁管理顺磁性反应离子的液流电池系统，包括具有多孔电极的液流电池系统，所述多孔电极为磁性多孔电极，所述磁性多孔电极内部和表面具有梯度磁场。

针对现有技术中通过增大电解液流速的方式来强化反应离子传输、提高液流电池电能效率，会导致循环泵功耗增加、净电能效率得不到有效提高的问题，本发明首先提出一种利用磁场提高顺磁性离子基液流电池反应离子传输效率的电池系统，即本申请请求保护的磁管理顺磁性反应离子的液流电池系统，本系统的液流电池结构与现有技术保持一致，其中具有多孔电极；本申请对液流电池系统的多孔电极进行改进，使用磁性多孔电极替换传统的以碳毡为代表的非磁性多孔电极。顾名思义，本申请中的磁性多孔电极，即是自身带有磁性的多孔电极，如通过具有磁性的多孔材料制备而成；并且本申请中磁性多孔电极的磁性需在其自身表面和多孔材料的内部形成梯度磁场；本领域技术人员应当理解，其中的梯度磁场，即是指沿垂直于任意几何形状磁体表面的方向，磁场强度呈梯度变化的磁场。

一般的非顺磁性离子的摩尔磁化率很小，但顺磁性离子的摩尔磁化率相对要大几个数量级；本案发明人在研究过程中发现，液流电池电解液中的工作离子大多为顺磁性金属离子，顺磁性离子置于梯度磁场中，会引发磁开尔文力，所以当本申请的液流电池工作时，电解液流过或渗入磁性多孔电极，其中的顺磁性金属离子置于梯度磁场中，离子受到磁开尔文力，促使离子朝着磁场增强的方向，即向构成磁性多孔电极的磁性纤维表面运动，得到两种效果：第一，在顺磁性离子基溶液（电解液）中引发磁对流，进而在磁性多孔电极的孔隙尺度下形成微磁对流，显著强化多孔电极内的对流传质；第二，梯度磁场吸引顺磁性离子，强化扩散传质的效率。由于本申请的梯度磁场由磁性多孔电极产生，磁性多孔电极依然保留了传统多孔电极的多孔特征，因此在其多孔形状的作用下，会在构成磁性多孔电极的任意磁性多孔材料（如磁性纤维）表面产生高梯度磁场，进而在孔隙尺度下、由磁开尔文力引发多重微磁对流，达到强化对流传质的目的；此外，本申请还可利用磁开尔文力，将液流电池中的反应离子吸引在磁性多孔电极表面附近，因此还可对反应离子的跨膜起到抑制作用。

可以看出，本申请仅通过将传统液流电池中的多孔电极替换为磁性多孔电极的方式，即可强化传质显著提高液流电池的电能效率，并抑制反应离子的跨膜混合，相较于现有技术中的提效方式而言，可以不增加电解液循环流速、不增大电解液循环泵功耗，因此可以提高系统的净电能效率，真正意义上实现了对液流电池电能效率的有效提升；并且，本申请通过磁性多孔电极，还可在不增加质子交换膜厚度和电阻的前提下，对反应离子的跨膜起到抑制作用；此外，本申请的改进方式，无需改变液流电池的结构、不会额外增大欧姆电阻，改进成本可控且工艺可操作性强，对液流电池的推广运用具有明显贡献。

需要说明的是，本申请中的磁性多孔电极可采用本领域技术人员能够实现的任意方式赋予其磁性、使其在构成多孔电极的磁性纤维表面产生梯度磁场即可；该梯度磁场可以由任意现有的磁性金属、及其合金或氧化物等具有磁性的物质所产生；即是，本方案中不针对如何对传统的多孔电极赋予梯度磁场进行限定，任意能够为多孔电极赋予磁性来得到本申请磁性多孔电极的技术手段均可适用。

本申请利用磁场对顺磁性离子（如电解液中的钒、铁、锰、铬等金属离子）的显著磁力作用，通过梯度磁场管理顺磁性离子基液流电池中的反应离子，强化正负极单侧离子传输和抑制双侧跨膜交叉混合，解决了现有提高液流电池电能效率的方法会增大循环泵功耗进而降低系统净电能效率、以及反应离子跨膜交叉混合导致电解液污染的问题。本申请通过有限的静磁场介入实现在不提高泵功耗的前提下，提高电堆电能效率和系统净电能效率，同时抑制离子跨膜交叉混合，延长电池寿命。

优选的，所述磁性多孔电极包括若干磁性体，所述梯度磁场由所述磁性体产生。本方案即是通过在磁性多孔电极上设置的磁性体来产生所需的梯度磁场；其中的磁性体可以是任意现有的磁性物质，如铁、钴、镍或含铁钴镍的合金或化合物或氧化物等。

优选的，所述磁性多孔电极为表面沉积有石墨烯的、经磁化后的多孔泡沫镍。本方案中，多孔泡沫镍在外部磁场磁化后可在表面感生出高梯度磁场，所以可得到满足本申请使用需求的磁性多孔电极；此外，本方案中的磁性多孔电极可通过表面沉积的石墨烯起到防腐涂层的功能。

优选的，所述磁性多孔电极为磁性纤维丝制作而成的、经磁化后的多孔毡。本方案中的磁性纤维丝为由磁性材料成型得到的纤维状丝材，由磁性纤维丝织成多孔毡并在外部磁场磁化后，可以得到表面具有高梯度磁场的多孔毡。其中的磁性纤维丝可由任意现有的磁性物质成型得到，如铁、钴、镍或含铁钴镍的合金或化合物或氧化物等。

优选的，所述磁性多孔电极为表面沉积有磁性颗粒的、经磁化后的磁性碳毡。本方案采用传统多孔电极常用的碳毡材质作为基材，在其表面沉积磁性颗粒、并经外部磁场磁化，即可在组成碳毡的碳纤维丝表面形成高梯度磁场；此方案甚至可以不替换液流电池中的现有多孔电极，而仅仅是对其进行加工处理即可，具有明显的成本优势。其中的磁性颗粒可为任意现有的颗粒状的磁性物质，如铁、钴、镍或含铁钴镍的合金或化合物或氧化物等。

进一步的，还包括设置在液流电池系统电解液循环回路上的预磁化组件，所述预磁化组件用于对进入液流电池的电解液做预磁化处理。

作为本申请的另一重要技术点，本案发明人在研究过程中发现，电解液中的反应离子与多个水分子形成水合离子，水分子之间通过氢键彼此连接组成水分子团簇，所以相当于一个反应离子连接多个水分子团簇形成一个较大的水合离子，这导致了实际的反应离子尺寸增大、变相降低了反应离子的扩散能力。为了克服上述问题，本方案还对即将进入液流电池的电解液做预磁化处理，通过预磁化减小电解液中反应离子水合物团簇的尺寸，进而能够成倍甚至跨数量级的提高反应离子扩散系数，同时提高溶液电导率。

本方案取得上述技术效果的原理在于：通过外部磁场对电解液预磁化作用，削弱和破坏水分子间的氢键作用，进而影响水分子团簇以及水合溶质离子结构和尺寸，进而影响电解液的宏观物理化学性质。具体而言，预磁化磁场以两种形式削弱和破坏氢键：1）洛伦兹力：水分子穿过磁场，水分子的偶极子两端的正负电荷受相反方向的洛伦兹力作用，使得水分子的氢键发生扭曲、断裂，导致水分子团簇破裂，形成较小的水分子团和单个自由水分子；因此预磁化可使得水分子团簇尺寸减小，同时减小水合离子的水壳层尺寸，进而使得水合离子在溶液中的扩散迁移更容易；2）电解液经磁场预磁化后，水分子或者溶质离子获得感应磁矩，从而形成水分子之间、水分子与溶质离子之间，以及溶质离子之间的相互作用势能，该相互作用势能引起的额外力场可破坏氢键，同时加速离子运动。本方案正是基于上述两种机制的共同作用，实现水合离子尺寸减小，使得离子在电解液中的迁移能力提升，离子扩散系数和溶液电导率增大。

进一步的，所述预磁化组件包括磁场发生装置，电解液在预磁化组件内的流动方向切割磁场发生装置所产生的磁场。

本方案的预磁化组件通过磁场发生装置产生静磁场，进而通过该静磁场对流经其中的电解液进行预磁化处理。其中，磁场发生装置可采用任意现有的、能够产生磁场的装置实现，只需满足流经其中的电解液的流向与磁场方向不平行，即流动方向需要切割磁感线，即可实现本方案所需的预磁化效果。当然，磁场发生装置产生的磁场强度以及预磁化时间，对电解液的预磁化效果有直接影响，高强度和长时间预磁化对提高离子扩散系数和溶液电导率有更显著的效果。

综上所述，本申请：第一，利用磁性多孔电极，强化顺磁性反应离子在多孔电极内传输，降低浓差过电势，提高电能效率。同时采用磁性多孔电极后，可以同时实现抑制顺磁性反应离子跨膜交叉混合，以抑制电池容量衰减和电解液污染。第二，在液流电池电解液循环回路上添加预磁化组件，对进入电池的电解液进行预磁化，预磁化的实际物理过程就是电解液流动切割磁感性，实现破坏水分子间的氢键，达到减小水合离子的尺寸的目的，最终提高离子扩散系数，这有利于提高扩散传质效率，减小浓差过电势，提高电能效率。同时预磁化还可以提高溶液电导率，也有利于提高电能效率。

本申请还请求保护一种磁管理顺磁性反应离子的液流电池系统性能提升方法，该方法使进入液流电池的电解液流过或渗入内部和表面具有梯度磁场的磁性多孔电极，所述磁性多孔电极由具有磁性的多孔材料制备而成。

在高电流密度工况下，电极浓差过电势显著增加是导致液流电池电能效率降低的主要原因；电极浓差过电势主要与反应离子向电极表面的传递效率有关，而反应离子向电极表面传输主要由对流和扩散两种方式。本方法使进入液流电池的电解液流过或渗入表面具有梯度磁场的磁性多孔电极，电解液中的顺磁性反应离子在磁开尔文力作用下，在磁性多孔电极的孔隙内发生多重微磁对流，进而起到强化对流传质的目的。并且在磁开尔文力作用下，可将反应离子吸引或束缚在构成磁性多孔电极的磁性多孔材料（如磁性纤维）表面附近，进而抑制正负极两侧反应离子的跨膜交叉混合，达到抑制容量衰减、延长电池寿命的目的。

本方法可在不消耗更多甚至降低循环泵功耗的前提下，提高反应离子的传输效率，降低浓差过电势，提升液流电池电能效率。

进一步的，在电解液进入液流电池之前，使电解液经过预磁化组件，由预磁化组件的磁场削弱水分子团簇间的氢键作用，进而减小水合反应离子尺寸，成倍提高反应离子的扩散系数。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

1、本发明的磁管理顺磁性反应离子的液流电池系统及性能提升方法，可显著提高液流电池的电能效率和系统净电能效率。同时，可抑制顺磁性反应离子的跨膜混合，进而减缓电池容量衰减，延长电池寿命。

2、本发明的磁管理顺磁性反应离子的液流电池系统及性能提升方法，主要发明点之一在于采用磁性多孔电极，通过磁开尔文力在多孔电极内引发多重微磁对流，事半功倍实现反应离子传输强化，减小高电流密度工况下电极浓差过电势。相较于现有技术中的提效方式而言，可在相对较低的电解液循环流速，较小的电解液循环泵功耗条件下，实现高效传质，提高电池电能效率和系统的净电能效率，真正意义上实现了对液流电池电能效率的有效提升。

3、本发明的磁管理顺磁性反应离子的液流电池系统及性能提升方法，主要发明点之二在于对即将进入液流电池的电解液做预磁化处理，通过预磁化减小电解液中水合反应离子团簇的尺寸，进而能够成倍甚至跨数量级的提高反应离子扩散系数，提高传质效率，降低浓差过电势。同时，预磁化减小水合反应离子团簇尺寸，可提高离子在电解液中的电迁移能力，进而提高溶液电导率，降低欧姆过电势。预磁化改变电解液水合离子结构和尺寸，宏观上改变电解液的反应离子扩散系数和溶液电导率，实际应用中可显著提高电池的电能效率。

4、本发明还可通过磁性多孔电极，利用电极内磁性纤维表面感生的梯度磁场，通过磁开尔文力对顺磁性反应离子的吸引和束缚作用，抑制正负极两侧反应离子跨膜，可在不增加质子交换膜厚度和不改变膜材质的前提下显著抑制反应离子的跨膜交叉混合。无需改变液流电池的结构、不会额外增大欧姆电阻，改进成本可控且工艺可操作性强，在实际应用中可显著抑制因离子跨膜导致的电池容量衰减。

5、本发明面向目前液流电池领域亟待解决的两个关键问题，即较低能效和离子跨膜交叉，通过磁场和磁能管理顺磁性反应离子，在实际应用中既提高电池电能效率，同时又抑制跨膜导致的电池容量衰减，对高性能液流电池技术的发展和应用具有重要贡献。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1为本发明具体实施例的示意图；

图2为本发明具体实施例中液流电池的爆炸图；

图3为本发明具体实施例中预磁化组件的爆炸图；

图4为本发明具体实施例中第一永磁体整块铺设的示意图；

图5为本发明具体实施例中第一永磁体多块组合铺设的示意图；

图6为本发明具体实施例中预磁化组件内部的磁场示意图。

附图中标记及对应的零部件名称：

1-储液罐，2-循环泵，3-液流电池，301-质子交换膜，302-磁性多孔电极，303-双极板，304-集流板，305-端板，306-第一进液口，307-第一出液口，308-电极框，4-预磁化组件，401-壳体，402-第二进液口，403-第二出液口，404-第一永磁体，405-第二永磁体，406-支撑件，407-聚四氟乙烯垫片。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。在本申请的描述中，需要理解的是，诸如术语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”、“下”、“竖直”、“水平”、“高”、“低”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，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装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请保护范围的限制。

实施例1

一种磁管理顺磁性反应离子的液流电池系统，如图1所示，包括两个储液罐1、两个循环泵2以及液流电池3；两个储液罐1分别用于储存正极侧电解液、负极侧电解液，两个储液罐1内的电解液分别由两个循环泵2驱动输送到液流电池3内。图1中的箭头方向表示的是电解液的流动方向。

本实施例中的液流电池3内，使用磁性多孔电极替代传统多孔电极，该磁性多孔电极由具有磁性的多孔材料制备而成；磁性多孔电极表面具有梯度磁场，所述梯度磁场由磁性体产生。

液流电池3的具体结构如图2所示，包括质子交换膜301，质子交换膜301的两侧均依次设置有磁性多孔电极302、双极板303、集流板304、端板305，所述磁性多孔电极302装配在电极框308内，每块端板305上均设置有第一进液口306、第一出液口307。其中，质子交换膜301、双极板303、集流板304和端板305均可采用现有技术。

本实施例中，电解液内的顺磁性金属离子在梯度磁场中受到的磁开尔文力F _K为：

F _K=(c _i χ _m,i B/μ ₀)▽B；式中，c _i 为顺磁性金属离子的浓度，χ _m,i 为粒子i的摩尔磁化率，μ ₀为真空磁导率，B为磁场强度，▽B为磁场梯度。

本领域技术人员应当理解，多孔电极是由一些直径为几十微米左右的纤维丝组成，其内部呈微肋或纤维结构；本实施例中的磁性多孔电极的磁性微肋或纤维表面的磁场梯度以在100μm空间范围内不低于200T/m为优。

实施例2

一种磁管理顺磁性反应离子的液流电池系统，在实施例1的基础上，所述磁性多孔电极为表面沉积有石墨烯的多孔泡沫镍；其具体制备方法包括：采用多孔泡沫镍制备成多孔电极的形状，然后在其表面气相沉积石墨烯，并通过外部磁场进行磁化。

以直径100μm的镍纤维为例，镍丝受到外部永磁体磁化后其本身具有磁性，在镍丝表面150μm空间内可形成300T/m的高梯度磁场。

实施例3

一种磁管理顺磁性反应离子的液流电池系统，在实施例1的基础上，所述磁性多孔电极为磁性纤维丝制作而成的多孔毡；其具体制备方法包括：采用静电纺丝工艺织造磁性材质的纤维丝，采用磁性纤维丝编织成多孔毡，然后通过外部磁场进行磁化。

优选的，其中的磁性纤维丝还可采用Co_xFe_yO_z，其中的X、Y、Z根据铁离子价态进行适应性配平即可；更为优选的，磁性纤维丝采用CoFe₂O₄。以直径50μm CoFe₂O₄纤维丝为例，表面磁感应强度可达0.005 T，表面磁场梯度可达400 T/m。

实施例4

一种磁管理顺磁性反应离子的液流电池系统，在实施例1的基础上，所述磁性多孔电极为表面沉积有磁性颗粒的碳毡；其具体制备方法包括：在传统的碳毡材质的多孔电极表面沉积磁性颗粒，得到磁性碳毡，然后通过外部磁场进行磁化。

优选的，磁性颗粒采用Fe₃O₄。

实施例5

一种磁管理顺磁性反应离子的液流电池系统，在上述任一实施例的基础上，如图1所示，还包括设置在液流电池3的输入端上游的预磁化组件4，循环泵2输出的电解液先经过预磁化组件4进行预磁化处理，再进入液流电池3内。

预磁化组件4内部具有磁场发生装置，电解液在预磁化组件内的流动方向切割磁场发生装置所产生的磁感线。

优选的，磁场发生装置为安装在预磁化组件4内部的永磁体。

本实施例中，电解液经过预磁化组件4时，水分子之间、水分子与溶质离子之间，以及溶质离子之间的相互作用势能可通过如下公式表达：

；

式中：V _m (r)代表相互作用势能，μ ₀为真空磁导率，r为分子间距，m _i 为分子i的磁矩，m _j 分子j的磁矩。

磁场对水分子和离子的作用还包括洛伦兹力F：F=q(v×B)；其中q是每个粒子的带电量，v是流速，B是磁场强度。

申请人对本实施例中电解液预磁化+磁性多孔电极的技术方案进行了实验验证：

以全钒液流电池为例，与常规多孔电极与不进行电解液预磁化的现有技术相比，在同等电流密度下，尤其是电流密度在400mA/cm²及以上高参数工况下，液流电池的充放电电能效率和系统净电能效率提升5~15%，反应离子跨膜交叉混合率降低30~50%。

本实施例不仅适用于全钒液流电池，其他所有工作离子为顺磁性离子的液流电池，如采用铁、铬、锰、钴、铜、铕等离子的液流电池，都可以实现不同程度的性能提升，同时反应离子跨膜混合受到抑制，达到抑制容量衰减延长电池寿命的目的。

实施例6

一种磁管理顺磁性反应离子的液流电池系统，在实施例5的基础上，预磁化组件的具体结构如图3所示，包括壳体401，所述壳体401的相对两端分别设置第二进液口402、第二出液口403，在壳体401内部具有连通第二进液口402和第二出液口403的电解液流道区域，磁场发生装置安装在电解液流道区域内。

本实施例中的磁场发生装置可择一或同时采用以下两种方式：

方式一：在电解液流道区域的相对两侧布置第一永磁体404，第一永磁体404可以是如图3所示的整块沿电解液的流动方向铺设，也可采用多块组合铺设；

当第一永磁体整块铺设时，如图4所示，两侧永磁体的N极和S极颠倒布置；

当第一永磁体多块组合铺设时，如图5所示，两侧永磁体的N极和S极交错颠倒布置。

方式二：在电解液流道区域内填充第二永磁体405，第二永磁体405为多孔结构，使电解液能够从第二永磁体405的孔隙中通过；其中第二永磁体405可采用常见永磁体开孔获得，也可采用对多孔材料赋磁方式获得。

需要说明的是，图4和图5中的箭头方向，均代表电解液的流动方向；图4和图5中的N、S，代表对应永磁体的N极、S极。

在更为优选的实施方式中，所述壳体401由导磁硅钢材质制成，导磁硅钢材质可对预磁化组件内部的磁回路起放大作用，并确保磁路封闭。预磁化组件内部的磁场可如图6所示。

在更为优选的实施方式中，所述壳体401的内壁可局部或全部铺设聚四氟乙烯垫片407，在不阻碍磁场的前提下起防腐作用。

在更为优选的实施方式中，第二进液口402和第二出液口403均通过法兰连接在壳体401表面。

在更为优选的实施方式中，所述壳体401底部可拆卸连接有若干支撑件406。

实施例7

一种液流电池系统的性能提升方法，利用磁力对顺磁性反应离子进行管理，具体包括：

电解液进入液流电池之前，使电解液经过预磁化组件，由预磁化组件的磁场削弱水分子团簇间的氢键作用，减小水合离子尺寸，提高反应离子扩散系数，提高溶液电导率；

经预磁化后的电解液进入液流电池，流过或渗入内部和表面具有梯度磁场的磁性多孔电极，电解液中的顺磁性反应离子在磁开尔文力作用下在磁性多孔电极的孔隙内发生磁对流，提高反应离子传质效率，降低浓差过电势。

此外，经预磁化后的电解液进入液流电池，流过或渗入表面和内部具有梯度磁场的磁性多孔电极。置于质子交换膜两侧的磁性多孔电极内，由于梯度磁场引发的磁开尔文力，对顺磁性离子有强烈束缚作用，抑制正负极侧顺磁性反应离子跨膜交叉混合。

本实施例中的梯度磁场的梯度值优选为：在100μm空间范围内不低于200T/m。

本方法可在不增加电解液循环泵功耗、不增大电解液循环流速的前提下，提高液流电池电能效率，提高系统净电能效率。并且，在不改变液流电池固有结构、不额外增加电池欧姆电阻的前提下，通过采用磁性多孔电极充分利用磁开尔文力对顺磁性离子的吸引和束缚作用，抑制正负极两侧反应离子的跨膜交叉混合。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其它变体，意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。此外，在本文中使用的术语“连接”在不进行特别说明的情况下，可以是直接相连，也可以是经由其他部件间接相连。

Claims (10)

1.磁管理顺磁性反应离子的液流电池系统，包括具有多孔电极的液流电池系统，其特征在于，所述多孔电极为磁性多孔电极，所述磁性多孔电极内部和表面具有梯度磁场。

2.根据权利要求1所述的磁管理顺磁性反应离子的液流电池系统，其特征在于，所述磁性多孔电极包括若干磁性体，所述梯度磁场由所述磁性体产生。

3.根据权利要求1所述的磁管理顺磁性反应离子的液流电池系统，其特征在于，所述磁性多孔电极为表面沉积有石墨烯的、经磁化后的多孔泡沫镍。

4.根据权利要求1所述的磁管理顺磁性反应离子的液流电池系统，其特征在于，所述磁性多孔电极为磁性纤维丝制作而成的、经磁化后的多孔毡。

5.根据权利要求4所述的磁管理顺磁性反应离子的液流电池系统，其特征在于，所述磁性纤维丝为铁酸钴材质。

6.根据权利要求1所述的磁管理顺磁性反应离子的液流电池系统，其特征在于，所述磁性多孔电极为表面沉积有磁性颗粒的、经磁化后的磁性碳毡。

7.根据权利要求1所述的磁管理顺磁性反应离子的液流电池系统，其特征在于，还包括设置在液流电池系统电解液循环回路上的预磁化组件，所述预磁化组件用于对进入液流电池的电解液做预磁化处理。

8.根据权利要求7所述的磁管理顺磁性反应离子的液流电池系统，其特征在于，所述预磁化组件包括磁场发生装置，电解液在预磁化组件内的流动方向切割磁场发生装置所产生的磁场。

9.基于权利要求1~8中任一项所述的磁管理顺磁性反应离子的液流电池系统的性能提升方法，其特征在于，使进入液流电池的电解液流过或渗入内部和表面具有梯度磁场的磁性多孔电极。

10.根据权利要求9所述的液流电池系统的性能提升方法，其特征在于，电解液进入液流电池之前，使电解液经过预磁化组件，由预磁化组件的磁场削弱水分子团簇间的氢键作用。