申请/专利权人：中国科学院大连化学物理研究所;大连融科储能技术发展有限公司

申请日：2017-11-28

公开（公告）日：2024-04-02

公开（公告）号：CN109841866B

主分类号：H01M8/0273

分类号：H01M8/0273;H01M8/026;H01M8/18

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2024.04.02#授权;2019.06.28#实质审查的生效;2019.06.04#公开

摘要：本发明涉及一种适用于梯形液流电池的液流框，液流框为一中部带有通孔的平板状结构，设有通孔平行于板体平面的截面为等腰梯形，于平板的一侧表面或二侧表面上靠近梯形通孔的梯形上下二条底边的边缘处分别设有作为自由流动区域的凹槽，每个自由流动区域与梯形通孔间均开设有2个以上作为次级导流流道的梯形凹槽。该液流框结构简单，加工方便，通过促使电解液沿梯形所在扇形的径向流动而有效提高电解液分配的均匀性，从而缓解局部效应，提升电池性能。

主权项：1.一种适用于梯形液流电池的液流框，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等腰梯形，称之为梯形通孔，于平板的一侧表面或二侧表面上靠近梯形通孔的梯形上下二条底边的边缘处分别设有作为自由流动区域的凹槽，每个自由流动区域与梯形通孔间均开设有2个以上作为次级导流流道的凹槽、凹槽平行于板体平面的截面为梯形，称之为梯形凹槽；梯形通孔位于平行于板体平面的A平面上的等腰梯形截面的二条腰的延长线交于一点B,处于同一A平面上的作为次级导流流道的梯形凹槽截面的腰所在直线与同时通过该腰上任意一点和点B的直线间的夹角为0～10°。

全文数据：一种适用于梯形液流电池的液流框技术领域本发明涉及液流电池领域，特别涉及梯形液流电池电极框。背景技术随着能源结构的调整，利用风能、太阳能等可再生能源发电受到越来越广泛的关注，但可再生能源发电具有不连续、不稳定等特点，直接并网难，弃风、弃光率高。以液流电池为代表的电储能技术为解决这一问题提供了契机。电堆是液流电池的核心部件，其性能的好坏直接关系到整个系统的性能与成本。电堆包括端板、电极、液流框、离子交换膜等部件，其中，液流框的主要作用在于保证电解液准确、合理地流入、流出电极区域和支撑电极，从而使得电堆高效运行。尤其是在电极面积较大的大功率电堆中，合理的液流框设计对于电解液的均匀分布尤为重要。中国专利专利申请号：201410495737.5中提出了梯形电堆的新型结构，该结构可以有效减小电极中的浓差极化，具有很高的实用性。但是，该专利中未涉及导流结构。同时，与矩形电堆相比，实现梯形电堆中电解液的均匀分布更加困难。若采用现有的导流结构难以实现电解液的均匀分配。发明内容为解决梯形液流电池中电解液分布不均匀的问题，提出并研究一种适用于梯形液流电池电堆的液流框，其结构简单，加工方便，通过设计导流流道的朝向，可实现电解液均匀流入、流出电极反应区域，从而实现梯形电池内部电解液的均匀分布，缓解局部效应，提升电池性能。为实现上述目的，本发明提供的具体技术方案如下:一种适用于梯形液流电池的液流框，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等腰梯形，称之为梯形通孔，于平板的一侧表面或二侧表面上靠近梯形通孔的梯形上下二条底边的边缘处分别设有作为自由流动区域的凹槽，每个自由流动区域与梯形通孔间均开设有2个以上作为次级导流流道的凹槽、凹槽平行于板体平面的截面为梯形，称之为梯形凹槽；梯形通孔位于平行于板体平面的A平面上的等腰梯形截面的二条腰的延长线交于一点B,处于同一A平面上的作为次级导流流道的梯形凹槽截面的腰所在直线与同时过该腰上任意一点和点B的直线间的夹角为0～10°，以使电解液大致如图1最右侧所示沿径向流动，提高电解液分布的均匀性。本发明主导流流道设计标准为：在正、负极电极框中的一极电解液主流入、流出口和次级分液流道间设置即可，即在一个电极框的正极电解液主流入、流出口与次级导流流道间设置主导流流道，则同电极框上的负极电解液主流入、流出口与次级导流流道间不设置主导流流道。作为优选，所述主导流流道由1个或1个以上流道组成，所述流道间用宽为0.5～10mm的主导流流道肋板分隔，以使电解液均匀流入自由流动区域，主导流流道宽度1～50mm，深度0.5～5mm；所述次级导流流道包含次级导流流道肋板分隔成的多个次级导流流道，次级导流流道宽度1～50mm，长度1～100mm，深度0.5～5mm，次级导流流道肋板宽度1～50mm，长度1～100mm，厚度为0.5～5mm；所述主导流流道与所述次级导流流道相连通并交汇于入口或出口截面中心处。所述入口次级导流流道和出口次级导流流道分别排布在入口和出口截面处，且左右两侧次级导流流道长度、宽度和深度应保持对称一致，以达到分配均匀的目的。作为优选，次级导流流道宽度和深度相同，或遵循靠近与主导流流道交汇处的次级导流流道宽度较窄和或深度较浅而远离端宽度较宽和或深度较深的原则，次级导流流道肋板宽度变化与次级导流流道相反，次级导流流道肋板高度变化与次级导流流道深度变化一致。所述自由流动区域位于次级导流流道和主导流流道之间，通过自由流动区域的缓冲使电解液均匀流入次级导流流道；自由流动区域上下宽度1～50mm，深度0.5～5mm。作为优选，所述主导流流道、所述次级导流流道、所述自由流动区域上方可设置用于与电极框形成封闭流道的保护盖板，所述保护盖板厚度0.5～10mm。若不设置保护盖板，将电极框直接与双极板接触形成封闭流道亦可。作为优选，所述正极和负极电解液流入、流出口直径1～50mm。所述框体电极区域为梯形，靠近正极和负极电解液主流入口一侧的为梯形的长底边，相对测为短底边；所述框体上设置所述正极、负极电解液主流入、流出口和所述主、次级导流流道的两侧框体宽度为5～200mm，非设置上述区域的两侧框体宽度为1～100mm，电极框厚度为0.5～50mm。作为优选，所述主、次级导流流道和自由流动区域内部转角与各边缘交汇处均为弧形过渡。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。框体上的主、次级导流流道可采用机械加工雕刻成型、注塑等，但不限于此。较现有技术相比，本发明采用的电极框结构特别适用与梯形液流电池，可使电解液分配的均匀性得到极大提高，从而保证电池和电堆内部反应均匀一致，减弱局部放热，降低极化，极高电解液利用率。尤其对于大功率电堆，可以有效较低成本，节约材料。本发明技术方案带来的有益效果该液流框结构简单，加工方便，通过促使电解液沿梯形所在扇形的径向流动而有效提高电解液分配的均匀性，从而缓解局部效应，提升电池性能。具体来说：根据流体力学基本原理，当电解液从入口截面进入梯形电极区域时，会沿着垂直于进口截面的方向流动，此时由于两腰的存在，左右两端的电解液会受到两腰的阻碍作用，使得左右两边电解液流动不畅，形成电解液更新速率慢的滞流区，甚至流动死区，在该区域内电解液更新速率慢，使得活性物质供应不足，进而极化增加，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。根据梯形电堆设计原理，如图1所示，相对于垂直进口截面，流体沿梯形所在的扇形径向流动时两腰不会产生阻碍作用，此时流体分布最为均匀，故次级导流流道方向设计为径向，可极大程度上增加电解液分布的均匀性，并降低压力损耗，提升电池性能。附图说明图1流体在矩形和梯形内的流动方向示意图图2为实施例1制备的液流框1图3为实施例2制备的液流框2符号说明：1-负极电解液主流入口，2-入口次级导流流道，3-入口次级导流流道肋板，4-入口自由流动区域，5-入口主导流流道肋板，6-入口主导流流道，7-正极电解液主流入口，8-入口截面，9-正极电极区域，10-负极电解液主流出口，11-出口次级导流流道，12-出口次级导流流道肋板，13-出口自由流动区域，14-出口主导流流道肋板，15-出口主导流流道，16-正极电解液主流出口，17-出口截面，18-框体具体实施方式实施例1如图2所示，一种液流电池用液流框。采用聚乙烯材料制成，包括液流框框体20，框体20上设有正极电解液主流入口7、负极电解液主流入口1、正极电解液主流出口16、负极电解液主流出口10。其中，正极电解液主流入口7和负极电解液主流入口1位于框体同一侧，正极电解液主流出口16和负极电解液主流出口10位于框体同一侧；正极电解液主流入口7和正极电解液主流出口16位于框体相对的两侧，负极电解液主流入口1和负极电解液主流出口10位于框体相对的两侧。在设有正极和负极电解液主流入、流出口的框体两侧内边缘上设有与电极区9相连的进口次级导流流道2和出口次级导流流道11。以正极导流流道为例，正极电解液主流入口7通过入口主导流流道6、入口自由流动区域4和入口次级导流流道2与电极区域9相连通；正极电解液主流出口16通过出口主导流流道15、出口自由流动区域13和出口次级导流流道11与电极区域9相连通。入口和出口主导流流道分别通过入口主导流流道肋板5和出口主导流流道肋板14分割为两个流道；入口和出口次级导流流道分别包含由入口次级导流流道肋板3和出口次级导流流道肋板12分割成的30和20个小流道，使得电解液分配更加均匀。正极电解液主流入口7直径为14mm；入口主导流流道6和出口主导流流道15均由两个流道组成，宽度均为6mm，深度2mm；入口主导流流道肋板5和出口主导流流道肋板14分别位于入口主导流流道6和出口主导流流道15中部，宽度均为2mm，高度2mm。入口主导流流道肋板5和出口主导流流道肋板14分别于入口截面8和出口截面17中部与入口次级导流流道肋板3和出口次级导流流道11相连。入口自由流动区域4和出口自由流动区域13宽度均为10mm，深度2mm。入口和出口次级导流流道深度均为2mm，方向为沿正极电极区域所在扇形的径向，长度5mm；入口和出口次级导流流道肋板高度均为2mm，长9mm；入口次级导流流道和入口次级导流流道肋板沿入口截面中点左右对称分布，出口次级导流流道和出口次级导流流道肋板沿出口截面中点左右对称分布；入口次级导流流道宽度为4mm，入口截面中点处入口次级导流流道肋板宽度为14mm，其它位置入口次级导流流道肋板宽度9.5mm；出口次级导流流道宽度为4mm，出口截面中点处入口次级导流流道肋板宽度为16mm，其它位置入口次级导流流道肋板宽度10.5mm；入口、出口次级导流流道和入口、出口次级导流流道肋板宽度均为沿入口截面或出口截面测得。所有存在转角的交汇点均以弧形过渡。电极框上的电解液主导流流道和次级导流流道均采用机械加工雕刻成型。实施例2如图3所示，一种液流电池用液流框。采用聚乙烯材料制成，包括液流框框体20，框体20上设有正极电解液主流入口7、负极电解液主流入口1、正极电解液主流出口16、负极电解液主流出口10。其中，正极电解液主流入口7和负极电解液主流入口1位于框体同一侧，正极电解液主流出口16和负极电解液主流出口10位于框体同一侧；正极电解液主流入口7和正极电解液主流出口16位于框体相对的两侧，负极电解液主流入口1和负极电解液主流出口10位于框体相对的两侧。在设有正极和负极电解液主流入、流出口的框体两侧内边缘上设有与电极区9相连的进口次级导流流道2和出口次级导流流道11。以正极导流流道为例，正极电解液主流入口7通过入口主导流流道6、入口自由流动区域4和入口次级导流流道2与电极区域9相连通；正极电解液主流出口16通过出口主导流流道15、出口自由流动区域13和出口次级导流流道11与电极区域9相连通。入口和出口主导流流道分别通过入口主导流流道肋板5和出口主导流流道肋板14分割为两个流道；入口和出口次级导流流道分别包含由入口次级导流流道肋板3和出口次级导流流道肋板12分割成的30和20个小流道，且沿着入口截面8和出口截面17中部到两端这些次级导流流道的宽度逐渐增大，对应次级导流流道肋板宽度逐渐减小，使得电解液分配更加均匀。正极电解液主流入口7直径为14mm；入口主导流流道6和出口主导流流道15均由两个流道组成，宽度均为6mm，深度2mm；入口主导流流道肋板5和出口主导流流道肋板14分别位于入口主导流流道6和出口主导流流道15中部，宽度均为2mm，高度2mm。入口主导流流道肋板5和出口主导流流道肋板14分别于入口截面8和出口截面17中部与入口次级导流流道肋板3和出口次级导流流道11相连。入口自由流动区域4和出口自由流动区域13宽度均为10mm，深度2mm。入口次级导流流道2和出口次级导流流道11分别包含30和20个小流道，相邻流道分别由入口次级导流流道肋板3和出口次级导流流道肋板12分割开。入口和出口次级导流流道深度均为2mm，方向为沿正极电极区域所在扇形的径向，长度9mm；入口和出口次级导流流道肋板高度均为2mm，长5mm；入口次级导流流道和入口次级导流流道肋板沿入口截面中点左右对称分布，出口次级导流流道和出口次级导流流道肋板沿出口截面中点左右对称分布；沿入口截面中点到两端入口次级导流流道宽度依次为1.5mm、2mm、2.5mm、3mm、3.5mm、4mm、4.5mm、5mm、5.5mm、6mm、6.5mm、7mm、7.5mm、8mm、8.5mm；入口次级导流流道肋板宽度依次为：19mm、12mm、11.5mm、11mm、10.5mm、10mm、9.5mm、9mm、8.5mm、8mm、7.5mm、7mm、6.5mm、6mm、5.5mm；沿出口截面中点到两端出口次级导流流道宽度依次为1.6mm、2mm、2.5mm、3mm、3.5mm、4mm、4.5mm、5mm、5.5mm、6mm；出口次级导流流道肋板宽度依次为：20.8mm、13mm、12.5mm、12mm、11.5mm、11mm、10.5mm、10mm、9.5mm、9mm；入口、出口次级导流流道和入口、出口次级导流流道肋板宽度均为沿入口截面或出口截面测得。所有存在转角的交汇点均以弧形过渡。电极框上的电解液主导流流道和次级导流流道均采用机械加工雕刻成型。对比例3对比电极框结构如中国专利专利申请号：200810011542.3中图2b所示。以全钒液流电池为例，利用商业软件包进行模拟计算，模拟所用数学模型主要包括：动量守恒与连续性方程：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。边界条件与初始条件：其中入口压强设为24000Pa，出口压强设为0Pa，模型收敛的相对误差因子为1×10-6。结果如下表所示：序号进口截面压差Pa出口截面压差Pa对比例11181201电极框1852808电极框2586594可见，采用本发明的液流框能显著提高电解液分布的均匀性。进而降低极化，减少局部放热，增大电解液利用率。

权利要求：1.一种适用于梯形液流电池的液流框，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等腰梯形，称之为梯形通孔，于平板的一侧表面或二侧表面上靠近梯形通孔的梯形上下二条底边的边缘处分别设有作为自由流动区域的凹槽，每个自由流动区域与梯形通孔间均开设有2个以上作为次级导流流道的凹槽、凹槽平行于板体平面的截面为梯形，称之为梯形凹槽；梯形通孔位于平行于板体平面的A平面上的等腰梯形截面的二条腰的延长线交于一点B,处于同一A平面上的作为次级导流流道的梯形凹槽截面的腰所在直线与同时通过该腰上任意一点和点B的直线间的夹角为0～10°。2.按照权利要求1所述的液流框，其特征在于：自由流动区域的左侧边缘和最左端次级导流流道左侧边缘位于其所靠近梯形通孔的底边最左侧，自由流动区域的右侧边缘和最右端次级导流流道右侧边缘位于其所靠近梯形通孔的底边最右侧。3.按照权利要求1或2所述的液流框，其特征在于：每个次级导流流道截面的角均为倒角。4.按照权利要求1或2所述的液流框，其特征在于：每个自由流动区域均分别通过其所在平板表面上开设的作为主导流流道的凹槽与作为电解液主流入口或主流出口的一个通孔相连。5.按照权利要求1或2所述的液流框，其特征在于：于液流框上开设有不与自由流动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。

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