CN118136876A - 液流电池流道框及采用该流道框的液流电池 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种液流电池流道框，包括流道框本体；所述流道框本体的中部设有电极区；电极区的两侧设有呈中心对称的两条电解液流道；所述电解液流道包括依次连通的主流道、导流流道和多条分流流道；所述主流道的其中一端设有电解液进出口；所述主流道和导流流道之间设有一级分流口；所述导流流道和分流流道之间设有二级分流口；所述分流流道和电极区之间设有三级分流口；各级分流口均呈梳齿状；主流道、导流流道和分流流道的纵向截面积A相同；一级分流口的总流通截面积为K·A，二级分流口的总流通截面积为K2·A，三级分流口的总流通截面积为K3·A，K的取值范围为1.05‑1.5。对应的，本发明还提供了一种采用该流道框的液流电池，能量效率高。
Description
技术领域
本发明属于电化学储能液流电池技术领域，具体涉及液流电池流道框及采用该流道框的液流电池。
背景技术
液流电池是正负极电解液分开，各自循环的一种高性能蓄电池，具有容量高、使用领域(环境)广、循环使用寿命长的特点，适用于大规模储能场景。目前液流电池技术百花齐放，其电解液体系有：全钒、全铁、锌铁、铁铬、锌溴、有机等。不管采用哪种电解液体系，液流电池电堆的装配问题，电堆内、外密封可靠性问题，电解液循环的阻力偏大问题，以及电解液流经碳毡电极各处液力参数的一致性问题等，受到了广泛的关注，并被尽力研究突破，从而使得各种体系的液流电池技术在不断进步。但是，现有的液流电池的流道框基本是方形，不管电解液的进、出口如何设计，死角情况都难以避免，电解液流经碳毡各处液力参数的一致性问题无法得到较好的解决，使得液流电池的碳毡电极存在不同程度的浓差极化情况，进而使得液流电池的能量效率等性能参数打了折扣。因此，如何合理设计液流电池流道框的流道分布，以提高电解液流经碳毡各处流场液力参数的一致性，进而提高液流电池的能量效率等性能参数，是目前液流电池商业化亟待解决的一大问题。
发明内容
为了克服现有技术中存在的上述问题，本申请提供了一种液流电池流道框。本申请的液流电池流道框在电极区的两侧设有两条呈中心对称的电解液流道，且电解液流道采用主流道、导流流道和分流流道连通组成特定的三级均布分流结构，各流道上分别设有梳齿状分流口，且各级分流口的总流通截面积呈等比数列增加，从而可以减小电解液流阻，使得电解液流动平缓，并均匀进入碳毡电极中，使得碳毡电极的每一个点位都可以充分参与跟电解液的氧化还原反应，进而提升液流电池的能量效率等性能参数；此外，本申请的流道框通过模压成型，制造简单、便于批量生产，而且流道框上的各流道采用特定的布局方式，使得流道框可以通用，既可用于正极，也可用于负极，从而有利于节约模具费用。对应的，本申请还提供了一种采用该流道框的液流电池。
对于流道框而言，本申请的技术方案为：
液流电池流道框，包括流道框本体；所述流道框本体的中部设有电极区，用于容纳电极；所述电极区的两侧分别设有一条电解液流道；两条电解液流道相对电极区呈中心对称设置；所述电解液流道包括依次连通的主流道、导流流道和多条分流流道；所述主流道和导流流道之间设有一级分流口；所述导流流道和每条分流流道之间分别设有一个二级分流口；每条分流流道和电极区之间分别设有一个三级分流口；所述一级分流口上间隔设有一组均匀分布的一级分流柱，所述二级分流口上间隔设有一组均匀分布的二级分流柱，所述三级分流口上间隔设有一组均匀分布的三级分流柱，使得一级分流口、二级分流口和三级分流口均呈梳齿状；所述主流道的其中一端设有电解液进出口；所述流道框本体上还设有两个呈对角分布的电解液通过孔，所述电解液通过孔位于远离电解液进出口的一侧；所述主流道、导流流道和分流流道的宽度、纵向截面积均相同；一级分流口的总流通截面积为K·A，二级分流口的总流通截面积为K2·A，三级分流口的总流通截面积为K3·A，其中，K的取值范围为1.05-1.5，A为主流道的纵向截面积。
与现有技术相比，本申请的液流电池流道框在电极区的两侧设有两条呈中心对称的电解液流道，且电解液流道采用主流道、导流流道和分流流道连通组成特定的三级均布分流结构，各流道上分别设有梳齿状分流口，且各级分流口的总流通截面积呈等比数列增加，从而可以减小电解液流阻，使得进入碳毡电极的电解液液力参数分布均匀，提高电解液流经碳毡电极各处液力参数的一致性，降低浓差极化现象的产生，使得碳毡电极的每一个点位都可以充分参与跟电解液的氧化还原反应，进而提升液流电池的能量效率等性能参数；此外，用于正极的流道框和用于负极的流道框可以通用，有利于节约模具费用。
作为优化，前述的液流电池流道框中，所述一级分流口设有两个，且两个一级分流口的中心分别位于电解液进出口和电解液通过孔之间距离的三等分处；所述分流流道设有三条，对应的，所述二级分流口和三级分流口也设有3个，3个二级分流口和3个三级分流口间隔均匀分布。分流口特殊的布局设计，使得在同级流道中的电解液的液力参数可以均匀分布，流速基本一致，且最终均匀流向电极的每一个区域，从而降低流动死区的范围，提升液流电池的性能。进一步的，靠近电解液通过孔的一级分流口的流通截面积是另一个一级分流口的流通截面积的N倍，N的取值范围为1.05-1.5；3个二级分流口的形状、尺寸完全相同，3个三级分流口的形状、尺寸完全相同。
作为优化，前述的液流电池流道框中，所述一级分流柱、二级分流柱和三级分流柱为椭圆柱或矩形柱。此时，结构简单、易于制造。
进一步的，所述一级分流柱、二级分流柱和三级分流柱的宽度为1-3mm；相邻两个一级分流柱之间的间距、相邻两个二级分流柱之间的间距，以及相邻两个三级分流柱之间的间距分别为1-3mm。从而，使得电解液流道内的电解液能够平缓流入电极区，从而有效提高电解液在碳毡电极中的均匀分布。A的取值范围为3-20mm2。
作为优化，前述的液流电池流道框中，所述流道框本体采用改性塑料模压而成。此时，制造方便，便于批量生产。所述流道框本体呈长方形，且四条边上分别设有一组安装孔。装配时，使用两个液流电池流道框，一个液流电池流道框上安装正极碳毡电极，另一个液流电池流道框上安装负极碳毡电极，然后通过安装孔将两个液流电池流道框固定在一起，形成电池单元；此时，安装牢固度高，且能够保证密封效果。
作为优化，前述的液流电池流道框中，所述流道框本体的正面，位于两条电解液流道的外侧，分别设有正面定位销和正面定位孔，且两侧的正面定位销和正面定位孔均相对电极区呈中心对称设置。在装配电池单元时，可以将两个流道框上对应的正面定位销和正面定位孔相互扣合，以提高装配的准确性和一致性，减小装配误差对液流电池性能的影响。进一步的，所述流道框本体的背面，位于两条电解液流道的外侧，分别设有背面定位销和背面定位孔，且两侧的背面定位销和背面定位孔均相对电极区呈中心对称设置。由此，可以通过背面定位销和背面定位孔的相互配合，将两个电池单元扣合在一起，提高装配精度，而且使得装配完成后的电堆的外观整齐划一。
对于液流电池而言，本申请的技术方案为：
液流电池，包括电解液存储单元、管理控制单元和电堆；所述电堆包括多个电池单元；所述电池单元采用两个前述的本申请的液流电池流道框；其中一个液流电池流道框上安装有正极碳毡电极、双极板和密封线，另一个液流电池流道框上安装有负极碳毡电极、双极板和密封线；两个液流电池流道框之间设有选择透过性离子膜。
与现有技术相比，本申请的液流电池所配备的流道框具有特定构造，流道框上的电解液流道采用主流道、导流流道和分流流道连通组成三级均布分流结构，且各级分流口呈梳齿状、总流通截面积呈等比数列增加，从而使得进入碳毡电极的电解液液力参数分布均匀，提高了电解液流经碳毡电极各处液力参数的一致性，降低了浓差极化现象的产生。使用时，碳毡电极的每一个点位都可以充分参与跟电解液的氧化还原反应，使得液流电池的能量效率高。
作为优化，前述的液流电池中，所述电池单元中，两个液流电池流道框之间通过正面定位销和正面定位孔扣合连接；相邻两个电池单元之间通过背面定位销和背面定位孔扣合连接。此时，装配精度高，且整个液流电池的外观整齐划一。
附图说明
图1是本申请的液流电池流道框的正面结构示意图；
图2是本申请的液流电池流道框的背面结构示意图；
图3是本申请对比例通过仿真模拟试验后的三级分流口质量流量分布图；
图4是本申请实施案例通过仿真模拟试验后的三级分流口质量流量分布图。
附图中的标记为：1-流道框本体，101-电解液通过孔，102-安装孔，103-正面定位孔，104-背面定位孔；2-电极区；3-电解液流道，301-主流道，302-导流流道，303-分流流道，304-电解液进出口；4-一级分流柱；5-二级分流柱；6-三级分流柱；7-正面定位销；8-背面定位销。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本申请作进一步的说明，但并不作为对本申请限制的依据。
参见图1，本发明的液流电池流道框，包括流道框本体1；所述流道框本体1的中部设有电极区2，用于容纳电极；所述电极区2的两侧分别设有一条电解液流道3；两条电解液流道3相对电极区2呈中心对称设置；所述电解液流道3包括依次连通的主流道301、导流流道302和多条分流流道303；所述主流道301和导流流道302之间设有一级分流口；所述导流流道302和每条分流流道303之间分别设有一个二级分流口；每条分流流道303和电极区2之间分别设有一个三级分流口；所述一级分流口上间隔设有一组均匀分布的一级分流柱4，所述二级分流口上间隔设有一组均匀分布的二级分流柱5，所述三级分流口上间隔设有一组均匀分布的三级分流柱6，使得一级分流口、二级分流口和三级分流口均呈梳齿状；所述主流道301的其中一端设有电解液进出口304；所述流道框本体1上还设有两个呈对角分布的电解液通过孔101，所述电解液通过孔101位于远离电解液进出口304的一侧；所述主流道301、导流流道302和分流流道303的宽度、纵向截面积均相同；一级分流口的总流通截面积为K·A，二级分流口的总流通截面积为K2·A，三级分流口的总流通截面积为K3·A，其中，K的取值范围为1.05-1.5，A为主流道301的纵向截面积，取值范围为3-20mm2。
实施例：
本实施例中，A＝3mm2，K＝1.2。
本实施例中，所述一级分流口设有两个，且两个一级分流口的中心分别位于电解液进出口304和电解液通过孔101之间距离的三等分处；所述分流流道303设有三条，对应的，所述二级分流口和三级分流口也设有3个；3个二级分流口和3个三级分流口间隔均匀分布。
靠近电解液通过孔101的一级分流口的流通截面积是另一个一级分流口的流通截面积的N倍，N＝1.2；3个二级分流口的形状、尺寸完全相同，3个三级分流口的形状、尺寸完全相同。
本实施例中，所述一级分流柱4、二级分流柱5和三级分流柱6为椭圆柱，且所述一级分流柱4、二级分流柱5和三级分流柱6的宽度为2mm。相邻两个一级分流柱4之间的间距、相邻两个二级分流柱5之间的间距，以及相邻两个三级分流柱6之间的间距分别为2mm。
本实施例中，所述流道框本体1采用改性塑料模压而成；其呈长方形，且四条边上分别设有一组安装孔102。
本实施例中，所述流道框本体1的正面，位于两条电解液流道3的外侧，分别设有正面定位销7和正面定位孔103，且两侧的正面定位销7和正面定位孔103均相对电极区2呈中心对称设置。参见图2，所述流道框本体1的反面，位于两条电解液流道3的外侧，分别设有背面定位销8和背面定位孔104，且两侧的背面定位销8和背面定位孔104均相对电极区2呈中心对称设置。
装配时，使用两个液流电池流道框，一个液流电池流道框上安装正极碳毡电极，另一个液流电池流道框上安装负极碳毡电极，然后将两个流道框上对应的正面定位销7和正面定位孔103相互扣合，并通过安装孔102将两个液流电池流道框固定在一起，形成电池单元；接着，将多个电池单元依次连接在一起，形成电堆，相邻两个电池单元上对应的背面定位销8和背面定位孔104相互扣合。
作为本申请的液流电池流道框的一个具体应用：
液流电池，包括电解液存储单元、管理控制单元和电堆装置；所述电堆装置包括多个电池单元；所述电池单元采用两个前述的液流电池流道框；其中一个液流电池流道框上安装有正极碳毡电极、双极板和密封线，另一个液流电池流道框上安装有负极碳毡电极、双极板和密封线；两个液流电池流道框之间设有选择透过性离子膜；所述电池单元中，两个液流电池流道框之间通过正面定位销7和正面定位孔103扣合连接；相邻两个电池单元之间通过背面定位销8和背面定位孔104扣合连接。
为了验证采用本申请的液流电池流道框的液流电池具有较高的能量效率，申请人做了以下对比试验(电解液采用全钒电解液)。
实施案例：
由22个电池单元叠装组成电堆；每个电池单元中，液流电池流道框上的主流道301、导流流道302和分流流道303的宽度、纵向截面积均相同；2个一级分流口的总流通截面积为K·A，3个二级分流口的总流通截面积为K2·A，3个三级分流口的总流通截面积为K3·A，A为主流道301的纵向截面积，K＝1.2；靠近电解液通过孔101的一级分流口的流通截面积是另一个一级分流口的流通截面积的N倍，N＝1.2。
对比例：
由22个电池单元叠装组成电堆；每个电池单元中，液流电池流道框上的主流道301、导流流道302和分流流道303的宽度、纵向截面积均相同；两个一级分流口的形状、尺寸相同，且总流通截面积为A；3个二级分流口形状、尺寸相同，且总流通截面积为A；3个三级分流口的形状、尺寸相同，且总流通截面积为1.73·A，A为主流道301的纵向截面积。
试验基本参数如下表：
| 电解液密度 | 1350kg/m3 |
| 电解液运动粘度 | 4.928×10-3u/(Pa·s) |
| 电堆入口电解液额定流量 | 3.0m3 |
| 电堆入口电解液额定扬程 | 2.0m |
| 电极区面积 | 96000mm2 |
| 电极区厚度 | 4.0mm |
| 碳毡电极孔隙率 | 0.9 |
| 碳毡电极渗透率 | 7.04×10-10/m2 |
仿真模拟结果见图3(对比例)和图4(实施案例)。图中每个电池单元所对应的3条柱形图分别对应流道框上3个三级分流口303的质量流量。对比两幅图可以发现，图4中3个三级分流口的质量流量分布更为均匀；由此可以证明，采用本申请的具有特定三级均布分流结构的液流电池流道框，可以提高流经碳毡电极各处的电解液液力参数的一致性。
将对比例和实施案例中的电堆分别进行50次充放电试验；结果如下表所示：
从上表可知，采用本申请的液流电池流道框后，能够有效提高液流电池的能量效率等性能参数。
上述对本申请中涉及的发明的一般性描述和对其具体实施方式的描述不应理解为是对该发明技术方案构成的限制。本领域所属技术人员根据本申请的公开，可以在不违背所涉及的发明构成要素的前提下，对上述一般性描述或/和具体实施方式(包括实施例)中的公开技术特征进行增加、减少或组合，形成属于本申请保护范围之内的其它的技术方案。
Claims (10)
1.液流电池流道框，包括流道框本体(1)；所述流道框本体(1)的中部设有电极区(2)，用于容纳电极；所述电极区(2)的两侧分别设有一条电解液流道(3)；其特征在于：两条电解液流道(3)相对电极区(2)呈中心对称设置；所述电解液流道(3)包括依次连通的主流道(301)、导流流道(302)和多条分流流道(303)；所述主流道(301)和导流流道(302)之间设有一级分流口；所述导流流道(302)和每条分流流道(303)之间分别设有一个二级分流口；每条分流流道(303)和电极区(2)之间分别设有一个三级分流口；所述一级分流口上间隔设有一组均匀分布的一级分流柱(4)，所述二级分流口上间隔设有一组均匀分布的二级分流柱(5)，所述三级分流口上间隔设有一组均匀分布的三级分流柱(6)，使得一级分流口、二级分流口和三级分流口均呈梳齿状；所述主流道(301)的其中一端设有电解液进出口(304)；所述流道框本体(1)上还设有两个呈对角分布的电解液通过孔(101)，所述电解液通过孔(101)位于远离电解液进出口(304)的一侧；所述主流道(301)、导流流道(302)和分流流道(303)的宽度、纵向截面积均相同；一级分流口的总流通截面积为K·A，二级分流口的总流通截面积为K2·A，三级分流口的总流通截面积为K3·A，其中，K的取值范围为1.05-1.5，A为主流道(301)的纵向截面积。
2.根据权利要求1所述的液流电池流道框，其特征在于：所述一级分流口设有两个，且两个一级分流口的中心分别位于电解液进出口(304)和电解液通过孔(101)之间距离的三等分处；所述分流流道(303)设有三条，对应的，所述二级分流口和三级分流口也设有3个；3个二级分流口和3个三级分流口间隔均匀分布。
3.根据权利要求2所述的液流电池流道框，其特征在于：靠近电解液通过孔(101)的一级分流口的流通截面积是另一个一级分流口的流通截面积的N倍，N的取值范围为1.05-1.5；3个二级分流口的形状、尺寸完全相同，3个三级分流口的形状、尺寸完全相同。
4.根据权利要求1所述的液流电池流道框，其特征在于：所述一级分流柱(4)、二级分流柱(5)和三级分流柱(6)为椭圆柱或矩形柱。
5.根据权利要求4所述的液流电池流道框，其特征在于：所述一级分流柱(4)、二级分流柱(5)和三级分流柱(6)的宽度为1-3mm；相邻两个一级分流柱(4)之间的间距、相邻两个二级分流柱(5)之间的间距，以及相邻两个三级分流柱(6)之间的间距分别为1-3mm。
6.根据权利要求1所述的液流电池流道框，其特征在于：所述流道框本体(1)采用改性塑料模压而成；其呈长方形，且四条边上分别设有一组安装孔(102)。
7.根据权利要求1所述的液流电池流道框，其特征在于：所述流道框本体(1)的正面，位于两条电解液流道(3)的外侧，分别设有正面定位销(7)和正面定位孔(103)，且两侧的正面定位销(7)和正面定位孔(103)均相对电极区(2)呈中心对称设置。
8.根据权利要求7所述的液流电池流道框，其特征在于：所述流道框本体(1)的反面，位于两条电解液流道(3)的外侧，分别设有背面定位销(8)和背面定位孔(104)，且两侧的背面定位销(8)和背面定位孔(104)均相对电极区(2)呈中心对称设置。
9.液流电池，包括电解液存储单元、管理控制单元和电堆；所述电堆包括多个电池单元；其特征在于：所述电池单元采用两个如权利要求1所述的液流电池流道框；其中一个液流电池流道框上安装有正极碳毡电极、双极板和密封线，另一个液流电池流道框上安装有负极碳毡电极、双极板和密封线；两个液流电池流道框之间设有选择透过性离子膜。
10.根据权利要求9所述的液流电池，其特征在于：所述电池单元中，两个液流电池流道框之间通过正面定位销(7)和正面定位孔(103)扣合连接；相邻两个电池单元之间通过背面定位销(8)和背面定位孔(104)扣合连接。
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