CN207925581U - 一种液流电池用液流框、单电池及电堆 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种液流电池用液流框、单电池及电堆。一种液流电池用液流框包括顺次连接的进液端主流道、进液端支流道、进液端第一级缓流区、进液端第二级缓流区、反应区、出液端第二级缓流区、出液端第一级缓流区、出液端支流道和出液端主流道，主流道为使得电解液流动处于层流状态的宽型主流管道，该宽型主流管道直接连接支流道，支流道为若干条并行的长条形通道，缓流区均设有节流桩。本实用新型，集电池电堆内电解液均匀分配、漏电与泵耗比可优控制、单电池电解液均匀分布功能于一体，可实现百千瓦级大功率电堆集成、提高电堆内各单电池的一致性、有效控制和权衡漏电与泵耗比、提高液流电池的整体工作能量效率。

Description

一种液流电池用液流框、单电池及电堆

技术领域

本实用新型属于液流电池技术领域，特别涉及一种液流电池用液流框、单电池及电堆。

背景技术

在储能领域，液流电池备受人们关注，其中，全钒氧化还原液流电池（简称流体钒电池、钒电池或VRB）最受人们关注，已成为工业规模应用的先导者。液流电池是一种利用正负极电解液分开，各自“泵”循环的高性能蓄电池，具有可大容量储存电能、可瞬间充放电、可大功率充放电以及充放电寿命长等特点，在同等充放电功率下，储能容量可根据需要进行调整。随着风光储产业化进程的发展，液流电池因其独有特性得到大力推广和发展。

但是，目前业内技术人员在设计液流框流道的时候往往过度限制电堆自漏电损失，而没有考虑或者忽视了电池系统中循环泵的功耗（电解液流体阻力损失越大，循环泵的功耗越高）。因此，现有的液流电池用液流框其主流道大部分设计得很狭窄，这样设计漏电较小，但是循环泵的功耗却很大、并且使正、负电解液到每个单电池的量也分布不均匀，无法集成大功率电堆；另外，现有的液流电池用液流框其支流道大部分由直槽、连通孔以及梳型槽组成，该支流道的连通孔上端与主流道连通，梳型槽下端直接连通反应区，一是电解液从主流道进入支流道时分布不均匀，二是电解液从支流道进入反应区时分布不均匀。因此，开发一种集漏电与泵耗比可优控制、电解液均匀分配、实现大功率电堆集成功能于一体的液流电池用液流框变得尤为重要。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题是克服现有技术的上述缺陷，提供一种液流电池用液流框。此液流框集电池电堆内电解液均匀分配、漏电与泵耗比可优控制、单电池电解液均匀分布功能于一体，可实现百千瓦级大功率电堆集成、提高电堆内各单电池的一致性、有效控制和权衡漏电与泵耗比、提高液流电池的整体工作能量效率。本实用新型还提供了一种单电池及电堆。

本实用新型是通过以下技术方案实现的：

一种液流电池用液流框包括正极液流框和负极液流框，正极液流框和负极液流框呈轴对称结构、且分别设有进液端和出液端，在进液端和出液端分别对应设置有进液口和出液口，进液口和出液口均分别位于正极液流框和负极液流框两侧的对角位置，还包括：

进液端主流道，其为使得电解液流动处于层流状态的宽型进液端主流管道，该宽型进液端主流管道上端连接进液口；

进液端支流道，其为若干条并行的长条形通道，该若干条并行的长条形通道上端直接连接进液端主流道；

进液端第一级缓流区，其为并排设置的挡板结构，且包括分布于进液端支流道出口位置的进液端第一级节流桩；

进液端第二级缓流区，其为并排设置的挡板结构，且包括均匀分布的进液端第二级节流桩，进液端第二级缓流区与进液端第一级缓流区相连；

反应区，其上端连接进液端第二级缓流区；

出液端第二级缓流区，其为并排设置的挡板结构，且包括均匀分布的出液端第二级节流桩，出液端第二级缓流区上端连接反应区；

出液端第一级缓流区，其为并排设置的挡板结构，且包括出液端第一级节流桩，出液端第一级缓流区与出液端第二级缓流区相连；

出液端支流道，其为若干条并行的长条形通道，该若干条并行的长条形通道的入口位置分布出液端第一级节流桩；

出液端主流道，其为使得电解液流动处于层流状态的宽型出液端主流管道，该宽型出液端主流管道上端直接连接出液端支流道、下端连接出液口。

如此设计，上述液流电池用液流框集漏电与泵耗比可优控制、电解液均匀分配、实现大功率电堆集成功能于一体。首先采用宽型主流道，满足电解液流动处于层流状态，降低电解液流动过程的动压和流体阻力损失，利于电解液流动过程压力的均匀分布，突破原有主流道设计技术标准，利于电解液在大功率集成电堆的各单电池中均匀分配，有效突破大功率集成电堆技术瓶颈，实现单堆千瓦级到百千瓦级的突破。其次，创造性地将多个支流道直接从宽型主流道分出来，而不是从支流道细分，另外支流道还顺次连接第一级缓流区和第二级缓流区两级缓流区，这样设计有效确保每个支流道进、出口压力一致，因支流道设计高度一致，那么每个流道流动的电解液量就可以保持高度一致。再次，支流道采用若干条并行的长条形通道，每个支流道流体阻力损失、漏电无差异设计，实现整体漏电与泵耗比可优控制。

作为优化，进液端主流道和出液端主流道的截面形状为矩形、倒角矩形、梯形、倒角梯形或倒角三角形。如此设计，便于加工和安装、且便于根据不同功率电堆设计要求按照流体动力学原理便于计算出其截面尺寸来控制电解液在每个单电池中的流量分配。

作为优化，进液端支流道和出液端支流道均为3-5条并行设置的S型通道， S型通道的长度为200-600mm、宽度为5-15mm。如此设计，可实现漏电与泵耗比可优控制，支流道截面尺寸设计可满足单位流道长度总支路电阻与总电解液流动阻力损失之比最大，流道长度尺寸设计可满足总漏电损失与总电解液流动阻力损失功耗之和最小，每个流道分布位置可用流体动力学原理按照出口压力一致性计算得出。

作为优化，进液端支流道和出液端支流道的每个S型通道均为镂空结构。如此设计，进一步减少液流框厚度，利于缩减单位功率电堆的厚度和重量，即实现缩减同等规格电堆体积和重量。

作为优化，进液端支流道和出液端支流道的每个S型通道截面形状为矩形或梯形。如此设计，便于加工和安装。

作为优化，进液端第一级节流桩、进液端第二级节流桩、出液端第二级节流桩和出液端第一级节流桩的截面为圆形、楔形、椭圆形、矩形、倒角矩形、梯形、倒角梯形、三角形或倒角三角形。如此设计，用于迅速降低支流道电解液流入反应区的动压，压力在此区域分布更加均匀，利于电解液在反应区均匀分布。

作为优化，反应区内放置导电多孔材料，且其截面为矩形结构。如此设计，用于为电化学反应提供足够多的接触面积，另外截面尺寸设计可满足电解液均匀分布同时流动阻力损失最小。

作为优化，该液流电池用液流框材质为塑料或有机玻璃。如此设计，便于加工、且使用效果较好。

作为优化，导电多孔材料为石墨碳毡。如此设计，效果最佳。

一种液流单电池，包括相对设置的正极板、正极液流框、离子交换膜、负极液流框、负极板，正极液流框和负极液流框之间夹有离子交换膜，该液流单电池的正极液流框和负极液流框均采用上述液流框结构。

一种液流电池电堆，该液流电池电堆包括多个串联的上述的液流单电池。

本实用新型的有益效果是：

本实用新型，结构简单、设计科学，集漏电与泵耗比可优控制、电解液电堆内均匀分配、电解液单电池内均匀分布、实现大功率电堆集成功能于一体，具有较好的实际应用价值和推广价值。具体如下：

1、将电堆内电解液均匀分配、漏电与泵耗比可优控制、单电池电解液均匀分布功能集为一体；

2、突破大功率集成电堆技术瓶颈，实现电堆千瓦级到百千瓦级的突破；

3、突破原有主流道设计技术标准，利于电解液在大功率集成电堆的各单电池中均匀分布；

4、解决了漏电损失与循环泵泵耗比控制问题，实现流道尺寸设计不再盲目；

5、进一步降低单位功率电堆体积和重量；

6、提高了电池的整体效率和性能。

附图说明

下面结合附图对一种液流电池用液流框、单电池及电堆作进一步说明：

图1是一种液流电池用液流框的结构示意图。

图中：1为进液端主流道、2为进液端支流道、3为进液端第一级缓流区、4为进液端第一级节流桩、5为进液端第二级缓流区、6为进液端第二级节流桩、7为反应区、8为出液端第二级缓流区、9为出液端第二级节流桩、10为出液端第一级缓流区、11为出液端第一级节流桩、12为出液端支流道、13为出液端主流道。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举实施例，对本实用新型进一步详细说明。

实施例1、一种液流电池用液流框组装10kW电堆。

10kW电堆由40个液流单电池串联组合而成，电解液流量为2.3 m³/h，电解液流损为46.2 kPa，电堆能量效率：97.1 %。

该液流电池用液流框如图1所示，包括正极液流框和负极液流框，正极液流框和负极液流框呈轴对称结构、且分别设有进液端和出液端，在进液端和出液端分别对应设置有进液口和出液口，进液口和出液口均分别位于正极液流框和负极液流框两侧的对角位置，其中，正极液流框和负极液流框材质为塑料，厚度为4mm，各设有矩形状的宽型进液端主流道1和宽型出液端主流道13，其尺寸均为宽20 mm×长300 mm，宽型进液端主流道1上端连接进液口，宽型出液端主流道13下端连接出液口；进液端主流道1出口和出液端主流道13入口分别设有3条并行设置的S型进液端支流道2和3条并行设置的S型出液端支流道12，每条支流道的长度为550 mm，宽度为8 mm，且每条支流道均为镂空结构；进液端支流道2出口位置为进液端第一级缓流区3，出液端支流道12的入口位置为出液端第一级缓流区10，进液端第一级缓流区3和出液端第一级缓流区10为并排设置的挡板结构、且截面形状为矩形结构，并分别设有3个圆形节流桩；进液端第一级缓流区3连接进液端第二级缓流区5，出液端第二级缓流区8连接出液端第一级缓流区10，进液端第二级缓流区5包括均匀分布的进液端第二级节流桩6，出液端第二级缓流区8包括均匀分布的出液端第二级节流桩9；矩形反应区7面积为宽600 mm（电解液流动方向）× 长800 mm，内放置石墨炭毡。

负极液流框与正极液流框中间用离子隔膜隔开。工作时，正极液流框一端的正极进液端主流道及出液端主流道与正极电解液储罐联通，正极电解液经正极进液端主流道通过正极进液端支流道再经正极进液端第一级缓流区、正极进液端第二级缓流区进入正极电解液反应区，然后再经正极出液端第二级缓流区、正极出液端第一级缓流区进入正极出液端支流道，最后从正极液流框的出液端主流道流出，进入正极电解液储罐；负极液流框一端的负极进液端主流道及出液端主流道与负极电解液储罐联通，负极电解液经负极进液端主流道通过负极进液端支流道再经负极进液端第一级缓流区、负极进液端第二级缓流区进入负极电解液反应区，然后再经负极出液端第二级缓流区、负极出液端第一级缓流区进入负极出液端支流道，最后从负极液流框的出液端主流道流出，进入负极电解液储罐。

实施例2、一种液流电池用液流框组装20kW电堆。

20kW电堆由80个液流单电池串联组合而成，电解液流量为4.5 m³/h，电解液流损为45.7 kPa，电堆能量效率：95.6 %。

该液流电池用液流框如图1所示，包括正极液流框和负极液流框，正极液流框和负极液流框呈轴对称结构、且分别设有进液端和出液端，在进液端和出液端分别对应设置有进液口和出液口，进液口和出液口均分别位于正极液流框和负极液流框两侧的对角位置，其中，正极液流框和负极液流框材质为有机玻璃，厚度为4mm，各设有倒角矩形状的宽型进液端主流道1和宽型出液端主流道13，其尺寸均为宽20 mm×长300 mm，倒角10mm；宽型进液端主流道1上端连接进液口，宽型出液端主流道13下端连接出液口；进液端主流道1出口和出液端主流道13入口分别设有3条并行设置的S型进液端支流道2和3条并行设置的S型出液端支流道12，每条支流道的长度为550 mm，宽度为8 mm，且每条支流道均为镂空结构；进液端支流道2出口位置为进液端第一级缓流区3，出液端支流道12的入口位置为出液端第一级缓流区10，进液端第一级缓流区3和出液端第一级缓流区10为并排设置的挡板结构、且截面形状为矩形结构，并分别设有3个楔形节流桩；进液端第一级缓流区3连接进液端第二级缓流区5，出液端第二级缓流区8连接出液端第一级缓流区10，进液端第二级缓流区5包括均匀分布的进液端第二级节流桩6，出液端第二级缓流区8包括均匀分布的出液端第二级节流桩9；矩形反应区7面积为宽600 mm（电解液流动方向）×长800 mm，内放置石墨炭毡。

负极液流框与正极液流框中间用离子隔膜隔开。工作时，正极液流框一端的正极进液端主流道及出液端主流道与正极电解液储罐联通，正极电解液经正极进液端主流道通过正极进液端支流道再经正极进液端第一级缓流区、正极进液端第二级缓流区进入正极电解液反应区，然后再经正极出液端第二级缓流区、正极出液端第一级缓流区进入正极出液端支流道，最后从正极液流框的出液端主流道流出，进入正极电解液储罐；负极液流框一端的负极进液端主流道及出液端主流道与负极电解液储罐联通，负极电解液经负极进液端主流道通过负极进液端支流道再经负极进液端第一级缓流区、负极进液端第二级缓流区进入负极电解液反应区，然后再经负极出液端第二级缓流区、负极出液端第一级缓流区进入负极出液端支流道，最后从负极液流框的出液端主流道流出，进入负极电解液储罐。

实施例3、一种液流电池用液流框组装50kW电堆。

50kW电堆由200个液流单电池串联组合而成，电解液流量为11.8 m³/h，电解液流损为48.6 kPa，电堆能量效率：95.2 %。其他同实施例1。

实施例4、一种液流电池用液流框组装100kW电堆。

100kW电堆由400个液流单电池串联组合而成，电解液流量为23.3 m³/h，电解液流损为50.4 kPa，电堆能量效率：94.8 %。其他同实施例2。

上述具体实施例仅是本实用新型的具体个案，并非是对本实用新型作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本实用新型技术原理的前提下，依据本实用新型的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，皆应落入本实用新型的专利保护范围。

Claims (10)

1.一种液流电池用液流框，包括正极液流框和负极液流框，所述正极液流框和负极液流框呈轴对称结构、且分别设有进液端和出液端，在进液端和出液端分别对应设置有进液口和出液口，所述进液口和出液口均分别位于所述正极液流框和负极液流框两侧的对角位置，其特征在于，还包括：

进液端主流道（1），其为使得电解液流动处于层流状态的宽型进液端主流管道，该宽型进液端主流管道上端连接进液口；

进液端支流道（2），其为若干条并行的长条形通道，该若干条并行的长条形通道上端直接连接所述进液端主流道（1）；

进液端第一级缓流区（3），其为并排设置的挡板结构，且包括分布于所述进液端支流道（2）出口位置的进液端第一级节流桩（4）；

进液端第二级缓流区（5），其为并排设置的挡板结构，且包括均匀分布的进液端第二级节流桩（6），所述进液端第二级缓流区（5）与所述进液端第一级缓流区（3）相连；

反应区（7），其上端连接所述进液端第二级缓流区（5）；

出液端第二级缓流区（8），其为并排设置的挡板结构，且包括均匀分布的出液端第二级节流桩（9），所述出液端第二级缓流区（8）上端连接所述反应区（7）；

出液端第一级缓流区（10），其为并排设置的挡板结构，且包括出液端第一级节流桩（11），所述出液端第一级缓流区（10）与所述出液端第二级缓流区（8）相连；

出液端支流道（12），其为若干条并行的长条形通道，该若干条并行的长条形通道的入口位置分布所述出液端第一级节流桩（11）；

出液端主流道（13），其为使得电解液流动处于层流状态的宽型出液端主流管道，该宽型出液端主流管道上端直接连接所述出液端支流道（12）、下端连接出液口。

2.如权利要求1所述的一种液流电池用液流框，其特征在于：所述进液端主流道（1）和出液端主流道（13）的截面形状为矩形、倒角矩形、梯形、倒角梯形或倒角三角形。

3.如权利要求1所述的一种液流电池用液流框，其特征在于：所述进液端支流道（2）和出液端支流道（12）均为3-5条并行设置的S型通道，所述S型通道的长度为200-600mm、宽度为5-15mm。

4.如权利要求3所述的一种液流电池用液流框，其特征在于：所述进液端支流道（2）和出液端支流道（12）的每个S型通道均为镂空结构。

5.如权利要求4所述的一种液流电池用液流框，其特征在于：所述进液端支流道（2）和出液端支流道（12）的每个S型通道截面形状为矩形或梯形。

6.如权利要求1所述的一种液流电池用液流框，其特征在于：所述进液端第一级节流桩（4）、进液端第二级节流桩（6）、出液端第二级节流桩（9）和出液端第一级节流桩（11）的截面为圆形、楔形、椭圆形、矩形、倒角矩形、梯形、倒角梯形、三角形或倒角三角形。

7.如权利要求1所述的一种液流电池用液流框，其特征在于：所述反应区（7）内放置导电多孔材料，且其截面为矩形结构。

8.如权利要求1所述的一种液流电池用液流框，其特征在于：该液流电池用液流框的材质为塑料或有机玻璃。

9.一种液流单电池，包括相对设置的正极板、正极液流框、离子交换膜、负极液流框、负极板，所述正极液流框和负极液流框之间夹有离子交换膜，其特征在于：该液流单电池的正极液流框和负极液流框均采用如权利要求1-8任一项所述的液流框结构。

10.一种液流电池电堆，其特征在于：该液流电池电堆包括多个串联的如权利要求9所述的液流单电池。