一种复合蛇形流道结构及含有其的全钒液流电池

本发明属于全钒液流电池
技术领域：
，具体地指一种复合蛇形流道结构及含有其的全钒液流电池。
背景技术：
：随着经济快速的发展，能源需求急剧增加成为人类目前面临的主要问题。而传统能源诸如煤矿等因消耗过多而造成资源枯竭的情况，不能无止境开采，同时也会对环境造成不可逆影响。绿色能源(水力发电，风力发电和太阳能发电等)可以有效缓解上述困难。同时如何将绿色能源大规模储存成为当下研究的热点，其中全钒液流电池因其循环寿命长、运行可靠安全、设计灵活、能量效率高而被广泛关注。典型的全钒液流电池由电极、离子交换膜、框架、集电器、泵、储液罐构成。电池在正负两极发生如下反应：负极：v3++e-＝v2+正极：vo2++h2o-e-＝vo2++2h+。离子交换膜允许质子扩散，用来维持电解质平衡，同时也可以避免正负极内的电解质溶液交叉混合。全钒液流电池当中的活性物质只有不同价位的钒离子，充放电不会带来物相的变化，所以使用寿命长。尽管全钒液流电池拥有诸多优点，但是电解液在多孔电极的分布仍是一个问题，因为电解液分布不均匀会造成电极的过电位过高等问题，从而影响电池的性能。无流道的全钒液流电池的电解液分布不均匀，多孔电极表面无法得到充分的利用，影响电极的效率。同时在实际装配中，为防止电解质漏液会对电池进行适当地压缩，这种机械应力会使多孔电极产生形变，把一部分电极压入流道内，流道的横截面积也会产生相应变化，从而改变电解液的流速，对电解液在多孔电极中的分布产生影响，从而影响电池性能。因此，设计一种合理的流道使得电解液在多孔电极内分布更均匀对提升全钒液流电池的效率至关重要。技术实现要素：本发明针对电解液在多孔电极内分布不均匀的问题提供了一种复合蛇形流道结构及含有其的全钒液流电池，通过复合蛇形流道以及预留电极压缩的空间使电解液浓度分布更加地均匀，降低过电位，提高电池性能。为实现上述目的，本发明所设计的一种复合蛇形流道结构，其特殊之处在于，包括刻蚀在双极板上的主流道，其特征在于：所述主流道首段分裂为n支蛇形流道，尾段由n支蛇形流道汇集，n为大于2的自然数，所述蛇形流道宽度相等，均匀分布；每个所述蛇形流道的底部设置有预留压缩电极空间。进一步地，所述预留压缩电极空间为机械应力对多孔电极的挤压而导致部分电极被压进流道的空间，所述预留压缩电极空间的深度为蛇形流道深度的10％～40％，通过复合蛇形流道引导电解液流入到预留压缩电极的空间，然后流入至多孔电极，从而使电解液分布更加均匀，降低过电位，提高电池的性能。更进一步地，所述蛇形流道具有至少一个矩形拐角，且矩形拐角处流道宽度不变。更进一步地，所述复合蛇形流道的进液口与出液口设置于双极板的对角上，在对角口上更加利于电解液流经全部电极，避免区域浓度不均匀的情况。更进一步地，所述预留压缩电极空间的宽度与蛇形流道的宽度相等，便于减小电极压缩受到的阻力，减小损耗。更进一步地，所述蛇形流道之间的间距相等，间距宽度与蛇形流道宽度的比为1:2。在相同流量的情况下，横截面积小的流道流速会变大，流速的大小也会直接影响电解液的流动从而改变电池的性能。更进一步地，所述主流道与蛇形流道长度之比为1:2～1:8之间。蛇形流道过长则会导致流道内部压降升高，损耗增大，影响效率。更进一步地，n的个数4～20，可以明显减缓电解液在流道内的流速，降低电池内部的压降，减少泵损耗，提高电池的性能。本发明还提出一种全钒液流电池，其特殊之处在于，包括双极板、负极、质子交换膜、正极，所述双极板上刻蚀上述复合蛇形流道结构。更进一步地，在温度为26℃的环境下，在组装箱中对全钒液流电池进行安装，在室温环境下组装有利于保持测试数据的一致性，同时过高或过低的温度会对电池造成损害。与现有技术相比，本发明的有益效果在于：1、本发明预留电极压缩的空间，通过复合蛇形流道引导电解液流入到预留压缩电极的空间，然后流入至多孔电极，从而使电解液分布更加均匀，降低过电位，提高电池的性能。2、本发明可以明显提高电解液在多孔电极当中的均匀分布性，提高电池的效率，降低过电位，提高电池的性能。3、本发明由于4～20根蛇形流道与主流道相连可以明显减缓电解液在流道内的流速，降低电池内部的压降，减少泵损耗，提高电池的性能。4、本发明预留压缩电极的空间，多孔电极由于机械应力被压进流道内预留空间，一方面由于压力可以预防电解液漏液，使得电池安全性提高，另一方面由于预留空间的存在，流道的横截面积降低，提高了电解液的流速，降低浓差极化，提高电池性能。5、本发明设计的复合蛇形流道结构材料廉价，构造简单，成本低，易于推广。附图说明图1为本发明一种复合蛇形流道结构及含有该流道结构的全钒液流电池的3d图；图2为双极板的3d图；图3为图1的局部放大图；图4为三个实施例中流道结构的对比示意图。图中：1.主流道，2.蛇形流道，3.预留压缩电极空间，4.负极，5.正极，6.质子交换膜，7.进液口，8.出液口，9.双极板。具体实施方式以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细描述。如图1～图3所示，本发明提出的一种复合蛇形流道结构包括刻蚀在双极板上的主流道1，首段分裂为4～20支蛇形流道2，尾段由4～20支蛇形流道2汇集；主流道1与蛇形流道2长度之比为1:2～1:8之间。蛇形流道2宽度相等，均匀分布；蛇形流道2具有至少一个矩形拐角，且矩形拐角处流道宽度不变。蛇形流道2之间的间距相等，间距宽度与蛇形流道2宽度的比为1:2。每个蛇形流道2的底部设置有预留压缩电极空间3。预留压缩电极空间3为机械应力对多孔电极的挤压而导致部分电极被压进流道的空间，预留压缩电极空间3的深度为蛇形流道2深度的10％～40％。预留压缩电极空间3的宽度与蛇形流道2的宽度相等。复合蛇形流道的进液口7与出液口8设置于双极板的对角上。实施例1双极板9厚度为4mm，复合蛇形流道刻在双极板9上，主流道1的高度为2mm，宽度为1.5mm，首段、尾段长度均为9.75mm；蛇形流道2高度为1.8mm，宽度为1.5mm，长度为84.75mm；两个蛇形流道2之间的间距为0.75mm；预留压缩电极空间3的高度为0.2mm，宽度为1.5mm，即预留空间高度占复合蛇形流道高度的10％。实施例2双极板9厚度为4mm，复合蛇形流道刻在双极板9上，主流道1的高度为2mm，宽度为1.5mm，首段、尾段长度均为9.75mm；蛇形流道2高度为1.5mm，宽度为1.5mm，长度为84.75mm；两个蛇形流道2之间的间距为0.75mm；预留压缩电极空间3的高度为0.5mm，宽度为1.5mm，即预留空间高度占复合蛇形流道高度的25％。实施例3双极板9厚度为4mm，复合蛇形流道刻在双极板9上，主流道1的高度为2mm，宽度为1.5mm，首段、尾段长度均为9.75mm；蛇形流道2高度为1.3mm，宽度为1.5mm，长度为84.75mm；两个蛇形流道2之间的间距为0.75mm；预留压缩电极空间高度为0.7mm，宽度为1.5mm，即预留空间高度占复合蛇形流道高度的35％。基于上述复合蛇形流道，本发明还提出一种全钒液流电池，包括双极板9、负极4、质子交换膜6、正极5，双极板9上刻蚀上述复合蛇形流道结构。全钒液流电池的安装使用如下：在温度为26度左右情况下，在组装箱中对全钒液流电池进行安装。双极板材料为石墨材料，复合蛇形流道刻在双极板上，以引导电解液流进多孔电极。电解液中钒离子总浓度为1500mol/m3，氢离子的浓度为6000mol/m3。离子交换膜的型号为nafion117，离子交换膜的长为3cm，宽为3cm。在温度为26℃左右情况下，用400a/m2的电流密度以恒流充放电的方式对全钒液流电池进行充放电实验。截至电压上限为1.62v，下限为1.08v。影响电池电解液传质过程的重要因素之一为机械应力的影响。在实际装配中，为了使电池堆组装紧固，同时防止电池中的电解液泄漏，会对电池进行适当挤压，每个单体电池中的多孔电极都会发生变形。这种挤压会将多孔电极压缩到流道中，从而改变电极的孔隙率，影响电解液的分布规律，从而影响电池性能。因为不同的力度下的挤压会对电池造成的形变不同，一方面：机械应力下的压缩电池受力不同，压缩进电池流道内部的多孔电极就不同，受力小则压进流道内的电极就少，孔隙率改变则小，反之，孔隙率变大，孔隙率的大小会直接影响电解液在多孔电极内部的流动模式，从而影响多孔电极。另一方面：机械应力下的压缩电池受力不同，压缩进电池流道内部的多孔电极就不同，流道内部的空间则会随着电极被压缩而改变，压缩越多，横截面也会变小，反之横截面积变大，在相同流量的情况下，横截面积小的流道流速会变大，流速的大小也会直接影响电解液的流动从而改变电池的性能。这是电极的压缩对电池影响最大的两个因素。上述实施例中全钒液流电池电化学测试方法如下：比较例双极板厚度为4mm，无流道刻在双极板上。电解液直接从电极一侧进入。上述三个实施例和比较例的结构对比示意图如图4所示，过电位如表1所示，其中过电位越低展现出越好的性能，因为过高的过电位会使电池内部极化从而降低性能。可以看出，本发明中的三种实施例和比较例相比过电位较低，展现出较好的性能。表1实施例和比较例在电流密度为40ma/cm2的情况下的负极的过电位。实施例1实施例2实施例3比较例过电位(v)0.00277140.00175170.00232360.01792本领域的技术人员容易理解，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。当前第1页12