一种液流电池的液流框结构及其组成的电堆

摘要

本发明公开了一种液流电池的液流框结构及其组成的电堆。该液流框结构包括正极液流框和负极液流框，该正极液流框和负极液流框呈中心对称结构，且该正极液流框和负极液流框分别包括设于液流框内部并与外部储液罐连通的主流管道，该主流管道的入口为设于液流框表面的进出液口，该进出液口依次经稳压腔、齿形限流段、蛇形流道与分配流道连通，该分配流道连通反应区。本发明的结构不但解决了单体之间因液流不均匀导致电压差距很大的技术难题，使单体电池间的电压差在很小范围内，大幅度提高了钒电池的稳定性与安全性，而且有效地增加了电解液的导电通路的阻抗减小了旁路电流减小的自放电，并且防止了电解液从反应区的侧面流过，提高了电解液的反应效率。

权利要求

1.一种液流电池的液流框结构，包括正极液流框和负极液流框，该正极液流框和负极液流框呈中心对称结构，且该正极液流框和负极液流框分别包括设于液流框内部并与外部储液罐连通的主流管道，该主流管道的入口为设于液流框表面的进出液口（1），其特征在于，该进出液口（1）依次经稳压腔（2）、齿形限流段（3）、蛇形流道（4）与分配流道（8）连通，该分配流道（8）连通反应区（9）。

2.根据权利要求1所述的液流电池的液流框结构，其特征在于，该分配流道（8）内靠近反应区（9）的一侧设有分配栅格（7）。

3.根据权利要求1或2所述的液流电池的液流框结构，其特征在于，该反应区（9）的两侧顶端设有液流阻隔块（5），且该反应区（9）的两侧边设置凸缘（6）。

4.根据权利要求1或2所述的液流电池的液流框结构，其特征在于，该主流管道为两条，且呈对称状态设置于液流框的上、下两端。

5.根据权利要求3所述的液流电池的液流框结构，其特征在于，该主流管道为两条，且呈对称状态设置于液流框的上、下两端。

6.根据权利要求1或2所述的液流电池的液流框结构，其特征在于，该蛇形流道（4）呈“弓”型。

7.根据权利要求3所述的液流电池的液流框结构，其特征在于，该蛇形流道（4）呈“弓”型。

8.根据权利要求4所述的液流电池的液流框结构，其特征在于，该蛇形流道（4）呈“弓”型。

9.根据权利要求5所述的液流电池的液流框结构，其特征在于，该蛇形流道（4）呈“弓”型。

10.一种液流电池电堆，其特征在于，该液流电池电堆中采用权利要求1-9所述的液流框结构。

说明书

一种液流电池的液流框结构及其组成的电堆

技术领域

[0001] 本发明涉及液流电池，尤其涉及一种液流电池的液流框结构及其组成的电堆。

背景技术

[0002] 液流电池，尤其是全钒氧化还原液流电池（简称为钒电池，VRB)，是一种新型高效大容量储能电池，寿命长、安全性高，目前已成功示范应用于风电场的电力平滑输出，未来在广阔的新能源领域，譬如风力发电、光伏发电、智能电网等等，都有着广阔的应用空间。

[0003] 对于目前常见的双极堆式钒电池组，其内部的主流管道是由液流框的进、出液口叠加而成的公共的电解液通道，这样电解液经主流管道和支路进入各个电池，使不同电池间具有离子通道。又由于电池串联，电池间有电子通道。当电子通道与离子通道构成闭合回路时，支路中的电解液就作为导体，有电流通过。他们的存在使得电池内部产生旁路电流,导致电池自放电，造成电池容量部分损失。这种电流即使外电路断开的情况下也存在。因为这种电流不经过负载，所以对电池的性能产生重大影响。

[0004] 旁路电流的产生是液流电池体系中的一个缺陷和难点，在电堆中应当予以消除。旁路电流的产生还造成其他问题：由于终端阳极和阴极间电位差大，又有直接电解液通道，此时会在两极上产生不同于电池体系本身的电化学反应。这些反应在高电流密度处发生，处于正极端的电极发生氧化反应，处于负极端的电极发生还原反应。反应物涉及到惰性电极表面物质、电池体系的反应物和产物，另外还有溶剂本身发生氧化还原反应。涉及电极的氧化还原反应将导致电极材料的腐蚀，电极的损害。如果旁路电流的氧化还原反应涉及到了电化学体系的溶剂，则无机体系会从水中产生氢气和氧气，形成混合爆炸气体。对于非水体系，有机溶剂分解可以污染电池体系本身的电化学反应。

[0005] 在液流电池堆内部，由于存在加工误差及组装叠加定位误差，因此，液流在主流管道内存在较大的流动阻力。这样电解液经主流管道进入各个单电池的支路时，距主流管道入口近的支路液流的速度和压力比距主流管道入口远的支路液流速度和压力要大。这样，各个单电池之间的液流分配不均匀，造成各单电池之间电压不均匀，使不同单体电池之间电压差值增大，从而降低电池能量转换效率。

[0006] 另一方面，液流电池的电极是一种多孔质疏松结构的碳毡，电解液流过电极时存在较大的流动阻力。此时如果液流框与电极之间存在间隙，电解液就会从电极与液流框之间的间隙流过，而普通液流框反应区周围无任何可以阻挡电解液从电极侧面流过的结构，从而降低单电池的反应效率。为了提高液流电池的能量效率，就需要使电解液最大可能的流过电极。

发明内容

[0007] 本发明为解决现有技术中的上述缺陷提供一种液流电池的液流框结构及其组成的电堆，其使得电解液的导电通路的阻抗足够大以减小旁路电流，能更加均匀分配各单电池电解液，从而提高能量转换效率，延长电池使用寿命。

[0008] 本发明为达到上述目的所采用的技术方案是：

[0009] 一种液流电池的液流框结构，包括正极液流框和负极液流框，该正极液流框和负极液流框呈中心对称结构，且该正极液流框和负极液流框分别包括设于液流框内部并与外部储液罐连通的主流管道，该主流管道的入口为设于液流框表面的进出液口，该进出液口依次经稳压腔、齿形限流段、蛇形流道与分配流道连通，该分配流道连通反应区。

[0010] 上述方案中，该分配流道内靠近反应区的一侧设有分配栅格。

[0011] 上述方案中，该反应区的两侧顶端设有液流阻隔块，且反应区的两侧边设置凸缘。

[0012] 上述方案中，该主流管道为两条，且呈对称状态设置于液流框的上、下两端。

[0013] 上述方案中，该蛇形流道呈“弓”型。

[0014] 上述方案中，该蛇形流道可以做多次弯曲。该稳压腔可以有多种不同形状。该齿形限流段可以有多种不同形状。该凸缘可以有多种不同形状，且该凸缘形状相同或者不相同，间距相等或者间距不相等。

[0015] 本发明还提供了一种采用上述液流框结构的液流电池电堆。

[0016] 本发明于液流框主流管道的入口端设有稳压腔、齿形限流段和蛇形流道，其作用是：稳压腔稳定各单电池入口的压力；齿形限流段和蛇形流道增加支路液流道的阻力。两者的共同作用结果是增大了内置流道的长度，起到规范、均匀电解液的作用，解决了不同单体之间因液流不均匀导致电压差距很大的技术难题，使电池堆各个单电池之间的压力和流量均匀，最终达到均匀分配主流管道内的电解液至各个单电池中。

[0017] 本发明于液流框主流管道的入口端设有齿形限流段和蛇形流道，其另一作用是：加长电解液的导电通路从而增大电解液的导电通路的阻抗以减小旁路电流，提高电池效率。

[0018] 本发明于液流框反应区侧面顶部设有液流阻隔块和凸缘，其作用是：减小液流框与碳毡电极之间的间隙，防止电解液从电极侧面流过，使电解液尽可能的流过电极侧面。这样提高了液流电池组中单电池的能量效率，延长了电池使用寿命。

附图说明

[0019] 图1是本发明液流电池液流框实施例一的正面结构示意图。

[0020] 图2是本发明液流电池液流框实施例二的正面结构示意图。

[0021] 图中1.进出液口，2. 稳压腔，3.齿形限流段，4. 蛇形流道， 5. 液流阻隔块，6.凸缘，7. 分配栅格，8.分配流道，9.反应区。

具体实施方式

[0022] 以下将结合附图，对本发明进行较为详尽的说明。

[0023] 如图1所示，本发明液流电池液流框包括正极液流框和负极液流框，该正极液流框和负极液流框呈中心对称结构，且该正极液流框和负极液流框分别包括设于液流框内部并与外部储液罐连通的主流管道，该主流管道的入口为设于液流框表面的进出液口1，该进出液口1经稳压腔2、齿形限流段3、蛇形流道4与分配流道8连通，该分配流道8连通反应区9。该分配流道8内靠近反应区9的一侧设有分配栅格7。该反应区9的两侧顶部设有液流阻隔块5，反应区（9）的两侧边设置凸缘6。

[0024] 图2为本发明液流电池液流框的另一实施例，其大致结构与图1显示的第一实施例结构相同，不同之处仅在于进出液口1设于中部位置，蛇形流道4呈“弓”型。

[0025] 采用图1、图2所述液流框结构，可制作成一种新型的液流电池电堆。

[0026] 电解液经泵驱动从储液罐流出后，从进出液口1流经液流框的蛇形流道4时，首先进入蛇形流道4前面的稳压腔2，然后进入齿形限流段3，经过蛇形流道4后受液流阻隔块5和分配栅格7的作用，电解液进入分配流道8。电解液进入分配流道8后，不会全部立即进入电池的电化学反应区9，而是受分配栅格7的阻挡，部分电解液会流入分配流道8的末端。这样电解液在进入反应区9前，电解液会充满整个分配流道8，从而会使电解液在进入反应区9时保持均匀。电解液匀速均匀地进入反应区9后，由于液流框反应区9的侧面上布置有凸缘6很好地防止了电解液从液流框侧面通过，因此电解液通过反应区9时需全部经过电极，然后再通过蛇形流道4，齿形限流段3，稳压腔2进入进出液口1流回储液罐。

[0027] 电解液从进出液口1流经液流框的蛇形流道4时，蛇形流道4前面的稳压腔2和齿形限流段3起储液、稳压和限流三个作用，缓冲主流道上的压力和流量波动，使电解液在进入各个单电池时流量和压力保持一致，以均匀分配各单电池的液流。此时进入各单电池的液流的流速和压力虽然是一致的，此时如果直接引入反应区9就会存在反应死角并且无法解决旁路电流过大的问题。而蛇形流道4本身是多次弯曲的（如图1、图2所示），其上还有齿形限流段3，这样在有限的液流框结构上尽可能的增加了流道的长度，从而有效地增大了电解液的导电通路的阻抗减小了旁路电流。电解液经过加长的蛇形流道4后电解液进入分配流道8后，不会全部立即进入电池的电化学反应区9，而是受分配栅格7的阻挡，部分电解液会流入分配流道8的末端。这样电解液在进入反应区9前，电解液会充满整个分配流道8，从而会使电解液在进入反应区9时保持均匀。电解液匀速均匀地进入反应区9后，由于液流框反应区9的侧面上布置有凸缘6很好地防止了电解液从液流框侧面通过。

[0028] 可见，采用本发明的结构不但解决了单体之间因液流不均匀导致电压差距很大的技术难题，使单体电池间的电压差在很小范围内，大幅度提高了钒电池的稳定性与安全性，而且有效地增加了电解液的导电通路的阻抗减小了旁路电流减小的自放电，并且防止了电解液从反应区的侧面流过，提高了电解液的反应效率。