CN219226324U

CN219226324U - 一种液流电池电堆的电极框

Info

Publication number: CN219226324U
Application number: CN202223291375.7U
Authority: CN
Inventors: 邢枫; 李先锋
Original assignee: Dalian Institute of Chemical Physics of CAS
Current assignee: Dalian Institute of Chemical Physics of CAS
Priority date: 2022-12-08
Filing date: 2022-12-08
Publication date: 2023-06-20
Anticipated expiration: 2032-12-08

Abstract

一种液流电池电堆的电极框，位于电极框平面四周边缘外侧的正极/负极电解液流入通孔、正极/负极电解液流出通孔以及负极/正极电解液流经通孔。电极框平面的中间位置设置有镂空的用于容纳正极/负极电极的空腔。在正极/负极电解液流入通孔与正极/负极电极之间和在正极/负极电解液流出通孔与正极/负极电极之间均设置有连通两者的凹槽，为正极/负极电解液入口分支管路和正极/负极电解液出口分支管路。通过在电解液入口和出口分支管路上不同位置设置不同数量和不同截面面积的缩颈结构来实现在可接受的流动阻力增大的基础上减小漏电电流的功能。

Description

一种液流电池电堆的电极框

技术领域

本实用新型涉及一种液流电池电堆的电极框，特别涉及电极框上的电解液流道结构。

背景技术

电化学储能是目前逐渐趋于成熟的一种技术，而其中以锂电池储能装机容量最高。但是锂电池由于其安全性的原因，在大规模储能中的应用还不成熟。液流电池，尤其是水系液流电池，因其水系特性不易发生火灾等事故成为了大规模储能的首选技术。另外，液流电池的容量与功率可单独设计、寿命长、系统残值高、可深充深放的特点尤其是适合于长时大规模储能。该液流电池技术处于商业化初期，前景广阔。

液流电池主要由正极双极板、正极电极框、正极电极、离子传导膜、负极电极、负极电极框、负极双极板以及相邻部件之间的密封材料叠装而组成单电池。液流电池电堆则是由多个单电池依次叠放而成，最终由压力机压紧组装而成。在组装时，电极嵌入到电极框上的空腔中，电解液通过电堆上的电解液流入通孔流入电极框上的入口分支流道中，通过该流道流入电极一侧，并在另一侧汇总在出口分支流道中，从电解液流出通孔流出电堆。在大规模储能系统中，需要更大的电堆输出功率来避免电堆数量过多出现难以调控的问题。由于电堆的输出功率是由串联电池的节数和施加在电池上的电流共同决定，串联的电池数量越多，电堆的电压越高；施加的电流越高，电堆的电流越大，进而功率越高。为了获得更高的效率，电堆的电流不宜过高，因此能够尽可能多的增多串联电池的节数是提高电堆功率的重要手段。但是液流电池因其特有的结构，在串联电池节数增多的过程中，会产生相当大的漏电电流，导致电堆中每一节电池的充电容量不同，系统的效率下降。因而，需要从结构上出发，开发出抑制多节电池电堆中的漏电电流的结构，降低漏电损失，对系统的高效稳定运行具有重要意义。

实用新型内容

为了降低上述电堆中出现的漏电电流的同时不显著增大电堆流动阻力，提升电堆的效率和可靠性，本实用新型提供一种液流电池电堆电极框的结构。

本实用新型提出的一种液流电池电堆的电极框结构，其为中部带有长方形通孔的长方形平板，长方形通孔作为可用于容纳正极或负极电极的空腔。位于电极框平面四周边缘的正极或负极电解液流入通孔、正极或负极电解液流出通孔以及负极或正极电解液流经通孔。

在上述电极框的平板一侧表面上，在靠近电解液流入通孔处设有作为电解液入口分支管路的凹槽，电解液流入通孔与电解液入口分支管路的一端相连通；在靠近电解液流出通孔处设有作为电解液出口分支管路的凹槽，电解液流出通孔与电解液出口分支管路的一端相连通。电解液入口分支管路和电解液出口分支管路于长方形通孔的相对二侧对称设置。

在电解液入口分支管路和长方形通孔之间设有用于连通它们二者的作为电解液入口分配流道的凹槽，于电解液出口分支管路和长方形通孔之间设有用于连通它们二者的作为电解液出口分配流道的凹槽。电解液入口分配流道和电解液出口分配流道于长方形通孔的相对二侧对称设置。

上述电极框上的电解液入口分支管路和电解液出口分支管路的管路长度为L，分支管路的截面面积为S。

在电解液入口分支管路和电解液出口分支管路上分别设置有缩颈结构，并且缩颈结构处的截面面积范围为1/3*S～3/4*S，其中优选截面面积范围为1/2*S～2/3*S。

本实用新型提出的一种电极框结构，其在电解液入口分支管路和电解液出口分支管路上分别设置的缩颈结构的数量为4～15个，相邻缩颈结构的间隔距离为0.05L～0.5L。

上述的电极框结构，缩颈结构的数量可为4～10个。

上述的电极框结构，相邻缩颈结构的间隔距离可为0.1L～0.4L。

上述的电极框结构中，缩颈结构是通过改变凹槽的深度和/或宽度实现的。

本实用新型具有如下优点：

本实用新型提出的一种液流电池电堆的电极框结构，通过在电极框的电解液入口分支管道和出口分支管路的截面布置多个不同位置、不同数量和不同截面面积的缩颈结构，在电解液流动阻力增加的可接受范围内，来提升分支管路的电阻，减小电堆内的漏电电流，结构简单容易实施。

附图说明

图1电极框图，其中1为正极/负极电解液流入通孔、2为正极/负极电解液流出通孔、3为正极/负极电解液入口分支管路、4为正极/负极电解液出口分支管路、5和6为负极/正极电解液流经通孔、7为正极/负极电极；

图2对比例1、对比例2和实施例1中的正极/负极电解液入口分支管路图，其中(a)为对比例1中缩颈布置图；(b)为对比例2中缩颈布置图；(c)为实施例1中缩颈布置图；

图3对比例3、对比例4和实施例2中的正极/负极电解液入口分支管路图，其中(d)为对比例3中缩颈布置图；(e)为对比例4中缩颈布置图；(f)为实施例2中缩颈布置图；

图4对比例5、对比例6和实施例3中的正极/负极电解液入口分支管路图，其中(g)为对比例5中缩颈布置图；(h)为对比例6中缩颈布置图；(i)为实施例3中缩颈布置图；

图5实施例4中正极/负极电解液入口分支管路图的俯视图与正视图。

具体实施方式

以下实施例和对比例均采用的液流电池电堆的电极框如图1所示。电极框为中部带有长方形通孔的长方形平板，长方形通孔作为用于容纳正极或负极电极7的空腔；

位于电极框平面四周边缘的正极或负极电解液流入通孔1、正极或负极电解液流出通孔2以及负极或正极电解液流经通孔5、6；

在平板一侧表面上，在靠近电解液流入通孔处设有作为电解液入口分支管路的凹槽，电解液流入通孔与电解液入口分支管路的一端相连通；在靠近电解液流出通孔处设有作为电解液出口分支管路的凹槽，电解液流出通孔与电解液出口分支管路4的一端相连通；电解液入口分支管路3和电解液出口分支管路于长方形通孔的相对二侧对称设置；

于电解液入口分支管路3和长方形通孔之间设有用于连通它们二者的作为电解液入口分配流道的凹槽，于电解液出口分支管路和长方形通孔之间设有用于连通它们二者的作为电解液出口分配流道的凹槽；电解液入口分配流道和电解液出口分配流道于长方形通孔的相对二侧对称设置；

电解液入口分支管路和电解液出口分支管路的管路长度为L；分支管路的截面面积为S。

对比例1

一种液流电池电堆的电极框如图1所示。位于电极框平面四周边缘外侧的正极/负极电解液流入通孔1、正极/负极电解液流出通孔2以及负极/正极电解液流经通孔5、6。电极框平面的中间位置设置有镂空的用于容纳正极/负极电极7的空腔。在正极/负极电解液流入通孔与正极/负极电极之间和在正极/负极电解液流出通孔与正极/负极电极之间均设置有连通两者的凹槽，为正极/负极电解液入口分支管路3和正极/负极电解液出口分支管路4。

正极/负极电解液经由正极/负极电解液流入通孔1流经正极/负极电解液入口分支管路3流入正极/负极电极7，参与电化学反应，反应产物流入正极/负极电解液出口分支管路4，流入正极/负极电解液流出通孔2后流出该电极框。

因缩颈结构的设计主要在上述电解液入口和出口分支管路的第一段直管段中(图1中虚线框)，又因入口和出口分支管路的对称性。故下述中的缩颈描述以电解液入口分支管路为例。

如图2(a)所示，电极框分支流道的长度L＝440mm，其中分支流道的截面面积S＝20mm2，缩颈的截面积为0.25*S＝5mm2，缩颈结构间隔55mm，缩颈结构的数量为7个。

采用上述电极框组装50节电池的电堆，电极面积1000cm2，Nafion115膜。组装的电堆在80mA/cm2电流密度进行充放电测试，充电截止电压为15.5V，放电截止电压为10V，其充电瓦时容量、放电瓦时容量、库仑效率、电压效率和能量效率如实施例1中的表1所示。

对比例2

如图2(b)所示，电极框分支流道的长度L＝440mm，其中分支流道的截面面积S＝20mm2，缩颈的截面积为4/5*S＝16mm2，缩颈结构间隔55mm，缩颈结构的数量为7个。

采用上述电极框组装50节电池的电堆，电极面积1000cm2，Nafion115膜。组装的电堆在80mA/cm2电流密度进行充放电测试，充电截止电压为15.5V，放电截止电压为10V，其充电瓦时容量、放电瓦时容量、库仑效率、电压效率和能量效率在实施例1中的表1中所示。

实施例1

如图2(c)所示，电极框分支流道的长度L＝440mm，其中分支流道的截面面积S＝20mm2，缩颈的截面积为0.5*S＝10mm2，缩颈结构间隔55mm，缩颈结构的数量为7个。

采用上述电极框组装50节电池的电堆，电极面积1000cm2，Nafion115膜。组装的电堆在80mA/cm2电流密度进行充放电测试，充电截止电压为15.5V，放电截止电压为10V，其充电瓦时容量、放电瓦时容量、库仑效率、电压效率和能量效率如表1所示。

表1对比例1、对比例2和实施例1的电极框组装电堆性能对比

上表1中所示，采用对比例1电极框的电堆库仑效率较高，漏电电流的控制较好。但因分支管路缩颈截面面积过小，导致流动阻力偏大，电堆流量下降比较明显，相比实施例1中的电堆减少30％。因此电压效率较低，放电瓦时容量下降。总体效率降低。采用对比例1电极框的电堆因分支管路缩颈截面面积较大，没有起到增大管路电阻的作用，因此库仑效率较低，能量效率同样偏低。本实施例1电极框组装的电堆，在分支管路缩颈中，流动阻力与管路电阻较为平衡，在漏电电流控制得当的同时，流动阻力略有增大，引起的电压效率下降较小，总体能量效率最高。

对比例3

如图3(d)所示，电极框分支流道的长度L＝440mm，其中分支流道的截面面积S＝20mm2，缩颈的截面积为0.5*S＝10mm2，缩颈结构间隔为17.6mm，缩颈结构的数量为8个。

采用上述电极框组装50节电池的电堆，电极面积1000cm2，Nafion115膜。组装的电堆在80mA/cm2电流密度进行充放电测试，充电截止电压为15.5V，放电截止电压为10V，其充电瓦时容量、放电瓦时容量、库仑效率、电压效率和能量效率如实施例2中的表2所示。

对比例4

如图3(e)所示，电极框分支流道的长度L＝440mm，其中分支流道的截面面积S＝20mm2，缩颈的截面积为0.5*S＝10mm2，缩颈结构间隔60mm，缩颈结构的数量为8个。

实施例2

如图3(f)所示，电极框分支流道的长度L＝440mm，其中分支流道的截面面积S＝20mm2，缩颈的截面积为0.5*S＝10mm2，缩颈结构间隔约为37.5mm，缩颈结构的数量为8个。

采用上述电极框组装50节电池的电堆，电极面积1000cm2，Nafion115膜。组装的电堆在80mA/cm2电流密度进行充放电测试，充电截止电压为15.5V，放电截止电压为10V，其充电瓦时容量、放电瓦时容量、库仑效率、电压效率和能量效率如表2所示。

表2对比例3、对比例4和实施例2的电极框组装电堆性能对比

上表2中所示，采用对比例3电极框的电堆库仑效率较高，漏电电流的控制较好。但因分支管路缩颈截面布置的过密，导致流动阻力稍大，电堆流量略有下降，因此电压效率有一定的降低，总体效率略有下降。采用对比例4电极框的电堆因分支管路缩颈截面布置的较疏，增大管路电阻的效果不太明显，因此库仑效率较低，能量效率偏低。本实施例2电极框组装的电堆，在分支管路缩颈截面的布置中，流动阻力与管路电阻较为平衡，在漏电电流控制得当的同时，流动阻力略有增大，引起的电压效率下降较小，总体能量效率最高。但从表2中同样看出，相较于分支管路缩颈截面面积，缩颈间隔的影响程度较小，总体放电容量和效率的差别较低。

对比例5

如图4(g)所示，电极框分支流道的长度L＝440mm，其中分支流道的截面面积S＝20mm2，缩颈的截面积为0.6*S＝12mm2，缩颈结构间隔为25mm，缩颈结构的数量为16个。

采用上述电极框组装50节电池的电堆，电极面积1000cm2，Nafion115膜。组装的电堆在80mA/cm2电流密度进行充放电测试，充电截止电压为15.5V，放电截止电压为10V，其充电瓦时容量、放电瓦时容量、库仑效率、电压效率和能量效率如实施例3中的表3所示。

对比例6

如图4(h)所示，电极框分支流道的长度L＝440mm，其中分支流道的截面面积S＝20mm2，缩颈的截面积为0.6*S＝12mm2，缩颈结构间隔为25mm，缩颈结构的数量为3个。

实施例3

如图4(i)所示，电极框分支流道的长度L＝440mm，其中分支流道的截面面积S＝20mm2，缩颈的截面积为0.6*S＝12mm2，缩颈结构间隔为25mm，缩颈结构的数量为10个。

采用上述电极框组装50节电池的电堆，电极面积1000cm2，Nafion115膜。组装的电堆在80mA/cm2电流密度进行充放电测试，充电截止电压为15.5V，放电截止电压为10V，其充电瓦时容量、放电瓦时容量、库仑效率、电压效率和能量效率如表3所示。

表3对比例5、对比例6和实施例3的电极框组装电堆性能对比

上表3中所示，采用对比例5电极框的电堆库仑效率较高，漏电电流的控制较好。但因分支管路缩颈数量较多，导致流动阻力明显增大，电堆流量降低40％，因此电压效率下降严重，总体效率较低。采用对比例6电极框的电堆因分支管路缩颈数量较少，难以起到比较明显的增大管路电阻的效果，因此库仑效率较低，总体能量效率偏低。本实施例3电极框组装的电堆，在分支管路缩颈数量的设置中，流动阻力与管路电阻较为平衡，在漏电电流控制得当的同时，流动阻力略有增大，虽然引起电压效率轻微下降，但总体能量效率最高。

实施例4

如图5所示，电极框分支管路的长度L＝440mm，其中分支管路的截面面积S＝20mm2，缩颈的截面积为0.6*S＝12mm2，缩颈结构间隔为35mm，缩颈结构的数量为8个。

电极框分支管路的原始宽度为d＝10mm，原始深度为h＝2mm，因此截面面积S＝d*h＝20mm2。上述分支管路的缩颈方式包括任意的缩小宽度与缩小深度的乘积为12mm2的组合。其沿分支管路长度L上的排布方式，可选择上述组合中的任一一种或者多种连续排布。本实施例中，缩颈截面参数为：d＝6mm，h＝2mm和d＝10mm，h＝1.2mm。两种截面交替排布。在图5中上图为俯视图，可识别分支管路宽度；下图为正视图，可识别分支管路深度。

采用上述电极框组装50节电池的电堆，电极面积1000cm2，Nafion115膜。组装的电堆在80mA/cm2电流密度进行充放电测试，充电截止电压为15.5V，放电截止电压为10V，其充电瓦时容量、放电瓦时容量、库仑效率、电压效率和能量效率如表4所示。

表4实施例4的电极框组装电堆性能对比

上表4中所示，本实施例4电极框组装的电堆，在分支管路缩颈数量的设置中，流动阻力与管路电阻较为平衡，在漏电电流控制得当的同时，流动阻力增大不明显，能量效率较高。

Claims

1.一种液流电池电堆的电极框，

电极框为中部带有长方形通孔的长方形平板，长方形通孔作为用于容纳正极或负极电极的空腔；

位于电极框平面四周边缘的正极或负极电解液流入通孔、正极或负极电解液流出通孔以及负极或正极电解液流经通孔；

在平板一侧表面上，在靠近电解液流入通孔处设有作为电解液入口分支管路的凹槽，电解液流入通孔与电解液入口分支管路的一端相连通；在靠近电解液流出通孔处设有作为电解液出口分支管路的凹槽，电解液流出通孔与电解液出口分支管路的一端相连通；电解液入口分支管路和电解液出口分支管路于长方形通孔的相对二侧对称设置；

于电解液入口分支管路和长方形通孔之间设有用于连通它们二者的作为电解液入口分配流道的凹槽，于电解液出口分支管路和长方形通孔之间设有用于连通它们二者的作为电解液出口分配流道的凹槽；电解液入口分配流道和电解液出口分配流道于长方形通孔的相对二侧对称设置；

电解液入口分支管路和电解液出口分支管路的管路长度为L；分支管路的截面面积为S；

其特征在于：

于电解液入口分支管路和电解液出口分支管路上分别设置有缩颈结构，

缩颈结构处的截面面积范围为1/3*S~3/4*S。

2.按照权利要求1所述的电极框，其特征在于：

于电解液入口分支管路和电解液出口分支管路上分别设置的缩颈结构的数量为4~15个，相邻缩颈结构的间隔距离为0.05L~0.5L。

3.按照权利要求1所述的电极框，其特征在于：

缩颈结构处的截面面积范围为1/2*S~2/3*S。

4.按照权利要求2所述的电极框，其特征在于：缩颈结构的数量为4~10个。

5.按照权利要求2或4所述的电极框，其特征在于：

相邻缩颈结构的间隔距离为0.1L~0.4L。

6.按照权利要求1或2所述的电极框，其特征在于：

所述缩颈结构是通过改变凹槽的深度和/或宽度实现的。