一种液流电池电堆液流框及应用

1.本发明涉及液流电池领域，特别涉及液流电池或电堆液流框。


背景技术：

2.液流电池作为一种新兴的电化学储能技术因具有使用灵活方便、储能容量与功率独立设计等优点而广受关注，在可再生能源的利用中发挥着越来越重要的作用。液流电池运行过程中，溶解于电解液中的活性物质流经电池(或电堆)内部的电极而发生电化学反应。当电解液在电堆内部流动时，受电解液与壁面间粘性作用的影响，壁面附近流速降低，且越接近壁面流速越小，直至在壁面处流速降为0。电解液流速的降低将会导致电解液中溶解的活性物质更新减缓，随着反应的进行，壁面附近的活性物质浓度越来越低。反应所需的的活性物质不能及时到达反应界面将导致严重的浓差极化，并造成局部放热，关键材料腐蚀等问题，不利于电池和电堆的长久稳定运行。


技术实现要素：

3.针对液流电池中电极框与电极相贴接的壁面附近电解液流速下降引起的性能下降问题，提出一种新型的液流电池或电堆液流框结构，其结构简单，加工方便，通过在电极框与电极贴接的壁面附近的液流框上加设导流结构来增大电解液在壁面附近的流速，从而加快壁面附近的活性物质的更新速率，进而缓解局部效应，提升电池性能，加速推动液流电池的商业化发展。
4.为实现上述目的，本发明提供的具体技术方案如下:
5.一种适用于液流电池的液流框，其特征在于：液流框为一中部带有通孔的平板状结构，通孔平行于板体平面的截面为矩形，称之为矩形电极区域，矩形通孔的上下二条相对边分别作为电解液的流入流出侧边，流入侧边称之为电极区域入口侧边，流出侧边称之为电极区域出口侧边，另两条相对边称之为电极区域左右侧边；在电极区域外的液流框板体一侧表面上、靠近左侧边和右侧边分别设置有波浪线形或折线形凹槽，分别称之为左边界导流凹槽和右边界导流凹槽，左边界导流凹槽和右边界导流凹槽的上下两端分别与靠近电极区域入口侧边和靠近电极区域出口侧边的电极区域相连通。
6.本发明电池或电堆液流框设计标准为：所述波浪线形或折线形凹槽是指凹槽平行于板体表面的截面的左右边线为波浪线或折线；左右边界导流凹槽沿着电极区域左右侧边设置；左右边界导流凹槽为波浪线型时，波浪线靠近电极区域的每个波峰(或波谷)处均分别与电极区域相连通；或，左右边界导流凹槽为折线型时，折线靠近电极区域的转折点处均分别与电极区域相连通。左右边界导流凹槽在板体所在平面a上的投影以电极区域入口侧边的中垂线b成轴对称；左边界导流凹槽和右边界导流凹槽在平面a 上的投影为：由两条平行的波浪线m和两条直线线段(按直线、波浪线、直线、波浪线)依次首尾连接围成的条带状封闭图形d，或由两条平行的折线n和两条直线线段(按直线、折线、直线、折线)依次首尾连接围成的条带状封闭图形e；条带状封闭图形d中的两条直线线段或条带状封闭图形中e的
两条直线线段均与电极区域左右侧边重合。
7.平行的波浪线指在二条波浪线的所在的平面上，在一条波浪线上任一点f作切线g，再过点f作切线g的垂线h，h与另一条波浪线交于点j，过点j作另一条波浪线的切线k，切线g和切线k平行，且两条波浪线无交点；
8.平行的折线指对于组成一条折线的任意相邻(两条折线段一端点相交)两条折线段l、p，与另一条折线上相应的分别距离折线l、p最近的两条相邻折线段为s、t，l所在的直线与s所在的直线平行，p所在的直线与 t所在的直线平行，且两条折线无交点。
9.垂直于板体表面的左边界导流凹槽和右边界导流凹槽是以通过入口侧边几何中心的垂直于入口侧边的平面为对称面的对称结构。在流入侧边和流出侧边分别设有入口导流凹槽和出口导流凹槽，二个导流凹槽分别将矩形电极区域与作为电解液主流入口和主流出口的一个通孔相连。于液流框上开设有不与矩形电极区域相连通的作为电解液主流入口和主流出口的 2个通孔。
10.作为优选，左右边界导流凹槽的宽度为0.5～50mm；左右边界导流凹槽的宽度是指凹槽平行于板体表面的截面的左右二条波浪线或折线间的距离；即左右边界导流凹槽的宽度是指切线g和切线k之间的距离或l所在的直线与s所在的直线间的距离。
11.作为优选，边界导流凹槽的深度为0.5～30mm，边界导流凹槽的深度是指板体平面到凹槽底部任一点的垂直距离。
12.作为优选，所述电解液流入、流出口直径0.1～80mm。
13.所述板体上电极区域四周板体宽度为1～300mm；板体厚度为 0.1～80mm。
14.作为优选，所述边界导流凹槽内部转角与各边缘交汇处均为弧形过渡。
15.本发明提供的电极框材质可以选用聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯等材料，但不限于此。框体上的凹槽结构可采用机械加工雕刻成型、注塑等，但不限于此。
16.较现有技术相比，本发明采用的液流框结构可加速电极与液流框贴接部位电解液的更新，从而保证电池和电堆内部反应均匀一致，减弱局部效应，进而提高电堆性能，降低系统成本。
17.本发明技术方案带来的有益效果
18.该发明的液流电池或电堆用液流框加工方便，结构简单，通过在壁面附近设置折线或波浪线形的导流结构来提高壁面附近活性物质的更新速率而有效提升电池性能。具体来说：
19.根据流体力学基本假设，由于流体本身的粘度，流体在靠近壁面流动时，在一定的范围内，越靠近壁面，流体的流速越小，直至壁面处流速降至0。因此，在该区域内活性物质更新速率慢，随着反应的不断进行，出现活性物质供应不足，进而浓差极化增加，电压效率降低，电解液利用率降低，最终使得电池整体性能降低，并且可能出现电池材料的局部腐蚀。
20.通过在液流框上框体与电极贴接处附近区域设置导流结构，使得该区域电解液流速增加，从而活性物质在该区域的更新速率加快，进而有效降低电池内部极化，提升电池整体性能，有利于电池或电堆的长久稳定运行。
附图说明
21.图1实施例1结构示意图。
22.图2实施例2结构示意图。
23.图3对比例3结构示意图。
24.符号说明：
25.1-板体，2-负极电解液主流入口，3-入口导流凹槽，4-电极区域，5-电极区域入口侧边，6-正极电解液主流入口，7-左右边界导流凹槽，8-电极区域左右侧边，9-负极电解液主流出口，10-出口导流凹槽，11-电极区域出口侧边，12-正极电解液主流出口
具体实施方式
26.实施例1
27.如图1所示，一种液流电堆液流框。采用聚丙烯材料机械加工雕刻而成，包括液流框板体1，板体上设有负极电解液主流入口2、入口导流凹槽3、负极电解液主流出口9、出口导流凹槽10、正极电解液主流入口6、正极电解液主流出口12。其中，负极电解液主流入口2、入口导流凹槽3和正极电解液主流入口6位于板体下侧，负极电解液主流出口8、出口导流凹槽 10和正极电解液流出口12位于板体上侧。板体中部设置有矩形电极区域4，在矩形电极区域左右侧边8附近设有2个相同的波浪形边界导流凹槽7，这 2个凹槽分别位于电极区域左侧侧边和右侧侧边附近，两个凹槽在板体平面上的截面关于位于同一平面上的电极区域入口侧边5和电极区域出口侧边 11的中轴线呈轴对称，且波浪形凹槽的中心线方向与前述中轴线平行。
28.板体厚度7mm；负极电解液主流入口2、负极电解液主流出口9、正极电解液主流入口6和正极电解液主流出口12均为圆形，直径15mm；矩形电极区域所在的矩形中，作为入口和出口侧边的边长280mm，左右侧边长 300mm。波浪形边界导流凹槽7的深度5mm，宽度为3mm。波浪形边界导流凹槽位于电极区域以外，其形状满足函数y＝1.5sinx，位于左侧侧边附近的边界导流凹槽于所有波峰或所有波谷处分别与电极区域相连通，位于右侧侧边附近的边界导流凹槽于所有波峰或所有波谷处分别与电极区域相连通。
29.板体一面加工有边界导流凹槽；所有存在转角的交汇点均以弧形过渡。液流框上的凹槽采用机械雕刻成型。
30.实施例2
31.如图2所示，一种液流电堆液流框。采用聚乙烯材料机械加工雕刻而成，包括液流框板体1，板体上设有负极电解液主流入口2、入口导流凹槽3、负极电解液主流出口9、出口导流凹槽10、正极电解液主流入口6、正极电解液主流出口12。其中，负极电解液主流入口2、入口导流凹槽3和正极电解液主流入口6位于板体下侧，负极电解液主流出口8、出口导流凹槽 10和正极电解液流出口12位于板体上侧。板体中部设置有矩形电极区域4，在矩形电极区域左右侧边8附近设有2个相同的折线形边界导流凹槽7，这 2个凹槽分别与电极区域左侧侧边和右侧侧边相贴接，两个凹槽在板体平面上的截面关于位于同一平面上的电极区域入口侧边5和电极区域出口侧边 11的中轴线呈轴对称，且折线形凹槽的中心线方向与前述中轴线平行。
32.板体厚度10mm；负极电解液主流入口2、负极电解液主流出口9、正极电解液主流入
口6和正极电解液主流出口12均为圆形，直径13.5mm；矩形电极区域所在的矩形中，作为入口和出口侧边的边长390mm，左右侧边长200mm。折线形边界导流凹槽7的深度4mm，宽度为4mm。折线形边界导流凹槽位于电极区域以外，折线的夹角为130
°
，位于左侧侧边附近的边界导流凹槽于靠近左侧侧边的所有转折点分别与电极区域相连通，位于右侧侧边附近的边界导流凹槽于靠近右侧侧边的所有转折点分别与电极区域相连通。
33.板体两面加工有相同的边界导流凹槽；所有存在转角的交汇点均以弧形过渡。液流框上的凹槽采用机械加工雕刻成型。
34.对比例3
35.对比例采用无边界导流凹槽的平板状液流框，如图3所示。
36.以全钒液流电池为例，利用商业软件包comsol multiphysics
@
进行模拟计算，模拟所用数学模型主要包括：
37.动量守恒与连续性方程：
[0038][0039][0040]
其中，和p分别表示速度矢量和压强，μ和μ
*
分别表示电解质本征粘度和有效粘度，k表示多孔介质(多孔电极)的渗透性，由carman-kozeny方程求得。
[0041]
物料守恒方程：
[0042][0043]
其中c
i
为物料i的浓度，s
i
为物料i守恒方程中的源项，为多孔电极区域内的有效扩散系数。
[0044]
边界条件与初始条件：
[0045][0046]
其中为法向量，入口压强p
in
设为10000pa，出口压强p
out
设为0pa。
[0047]
在模型中，将入口钒离子的浓度与充放电状态(soc)相关联，以消除反应时间的影响。根据充分发展流的假设，出口处所有物料的扩散通量均设为0。壁面边界设为0 通量。具体的表达式为：
[0048][0049]
(负极入口)
[0050][0051]
(正极入口)
[0052]
(出口)
[0053]
(其它边界)
[0054]
表示各种离子入口浓度，i＝2,3,4,5表示对应价态的钒离子，与分别为正极和负极钒离子的初始浓度，在此模型中设为1500mol m-3
。模型收敛的相对误差因子为1
×
10-6
。
[0055]
在160ma cm-2
的电流密度下充电，soc为90％时，对实施例1、2和对比例3模拟计算得到的结果如下表所示：
[0056][0057][0058]
可见，采用本发明的液流框结构可以显著提高反应活性物质分布的均匀性，降低浓差极化，减弱局部效应，提高功率密度，降低成本。