【技術實現步驟摘要】
本專利技術涉及一種液流電池流道結構，特別是一種三維交錯蛇型流道結構。同時，本專利技術中還涉及一種含三維交錯蛇型流道結構的全釩液流電池。
技術介紹
1、全釩液流電池由電堆、電解液、電解液循環系統、電池管理系統、功率轉換系統構成，主要活性元素為釩。電池充放電運行過程中，利用釩元素多種價態變化（v4+/v5+、?v3+?、v2+之間氧化還原）實現電能和化學能的相互轉換。
2、全釩液流電池的電堆主要由電極、隔膜、雙極板、集流體、框架和密封件組成。電極是電化學反應發生的場所；隔膜位于正負極之間，其主要功能是阻止正負極電解液中的釩離子相互混合，同時允許氫離子通過，以傳遞電荷，維持電池內部的離子平衡和電路導通；集流體用于收集電極上產生的電流，并將其傳輸到外部電路；雙極板起到收集和傳導電流的作用，將多個單電池連接起來，形成電堆，并且雙極板上會加工流道結構以促進電解液在多孔電極中的傳遞并降低壓降損失，它還為膜和電極提供機械支撐，防止正負極電解液的互混和電極的直接接觸。
3、電堆充電放電能量損失是液流電池系統能量損失的主要原因之一，電壓損失是其中的一種表現形式，其大小一般用電壓效率表示，電壓效率是指充放電過程中液流電池系統放電電壓對時間的積分與充電電壓對時間的積分之比，損失主要包括：電阻過電位，整個液流電池的電阻帶來的電壓損失；濃差過電位，反應離子傳質受限導致電極內部碳纖維表面反應離子供應不足而帶來的電壓損失；反應過電位，電化學反應進行時帶來的電壓損失。
4、改善反應離子的傳質過程可以降低液流電池傳質過電位損失，
5、目前常見的液流電池流道結構設計包括交叉型流道、蛇型流道、平行流道等，如圖1（a）至（c）所示。這些流道結構均被加工在多孔電極外側的雙極板上。從整體結構看，完整的流道具有二維分布的結構特性，即整個流道平鋪在多孔電極的?x?-?y?平面上。這種二維分布使得電解液在流道和多孔電極之間的滲入滲出口均分布在多孔電極的雙極板側。由于電極中壓力分布呈現從局部滲入口到局部滲出口逐漸降低的趨勢，在電極平面方向，特別是靠近雙極板一側存在明顯壓力梯度，在電極厚度方向從近雙極板側到近膜側壓力梯度逐漸降低，最終導致電極厚度方向從近雙極板側到近膜側對流傳質逐漸變差。
6、故此，提出本專利技術。
技術實現思路
1、本專利技術的一個專利技術目的是提供一種三維交錯蛇型流道結構設計，通過將傳統流道結構拆分為兩部分，并位于電極厚度方向的兩側，分別加工在雙極板的近電極側表面上和電極的近隔膜側表面上，改變了電極中壓力梯度分布，將傳統流道結構下電極中壓力梯度的二維分布擴展到三維。
2、本專利技術的另一個專利技術目的是提供一種含上述三維交錯蛇型流道結構的全釩液流電池。
3、為了實現上述目的，本專利技術所設計的一種三維交錯蛇型流道結構，所述流道結構包括兩部分，并位于電極厚度方向的兩側，分別加工在雙極板的近電極側表面上和電極的近隔膜側表面上；
4、所述流道結構的進口在雙極板側部分，出口在電極側部分；
5、每一部分的流道結構均為蛇型，且兩部分流道結構在電極平面方向是交錯分布的。
6、本專利技術所提供一種三維交錯蛇型流道結構設計，將傳統流道結構中的滲入滲出口二維分布改變為三維交錯分布，這種分布變化直接影響電極中的壓力分布。其中，兩部分在電極平面方向平鋪分布的流道可保證電解液在電極平面方向上的均勻供應，與入口連接的流道部分和與出口連接的流道部分分別位于電極厚度方向的兩側，能夠提高反應離子在電極厚度方向的對流傳質效果。此外，入口部分和出口部分在平面方向的交錯分布是為了避免出入口部分直接平行分布帶來相鄰部分間的流動傳質死區。
7、具體而言：
8、在電極中壓力分布的影響：當調整流道結構的滲入口和滲出口分布時，會顯著改變電極內部電解液的流動路徑和壓力分布。對于傳統流道，其入口和出口支流在電極近雙極板側同一平面，導致近雙極板側平面方向壓力梯度大，厚度方向壓力梯度小，電解液流動路徑呈?u?型，大部分流線在近雙極板側流速高，遠離側厚度部分流線稀疏且流速低。而本專利技術三維交錯蛇型流道使液流電池電極的壓力分布和流線分布發生明顯變化，因其滲入滲出口在電極厚度方向兩側，電極厚度方向壓力變化明顯，平面方向也因壓力損失積累存在明顯壓力梯度，實現了三個維度較明顯的壓力梯度分布，且電解液流動路徑呈曲線型，整體分布均勻。
9、在電極中速度分布的影響：傳統流道和三維交錯蛇型流道在電極平面方向速度分布較為均勻，都能實現電解液在該方向均勻分布，但采用三維交錯蛇型流道的液流電池電極中電解液流動速度相對較大，且在電極厚度方向體現更明顯。在采用傳統流道的液流電池中，電極厚度方向較大流速只在近雙極板側，其他區域流速低；而采用三維交錯蛇型流道的液流電池，由于壓力梯度明顯提升，在電極厚度方向特別是遠離雙極板側部分，電解液流速明顯增加。
10、反應離子濃度分布和過電位分布的影響：傳統流道液流電池只有靠近雙極板側部分電解液流速高、離子濃度高，遠離側因對流傳質差、擴散傳質主導而離子濃度低；三維交錯蛇型流道液流電池電極厚度方向電解液流速明顯增加且分布均勻，反應離子濃度較高且分布均勻，濃差過電位整體分布較小。
11、本專利技術所提供的一種全釩液流電池，由電堆、電解液、電解液循環系統、電池管理系統、功率轉換系統構成，主要活性元素為釩。電池充放電運行過程中，利用釩元素多種價態變化（v4+/v5+、?v3+?、v2+之間氧化還原）實現電能和化學能的相互轉換。全釩液流電池的正極與負極電解液分別儲存于不同的儲存罐中，在泵的驅動下，分別循環流經液流電池正負極，發生氧化還原反應，最終實現液流電池的充放電。其中，全釩液流電池的電堆主要由電極、隔膜、雙極板、集流體、框架和密封件組成，并且其流道結構采用上述三維交錯蛇型流道結構。
12、與現有技術相比較，本專利技術得到的一種三維交錯蛇型流道結構及全釩液流電池，其具備以下的技術效果：
13、本專利技術三維交錯蛇型流道在液流電池中具有顯著優勢。在相同電解液流量供應和不同電流密度下，尤其是在較高電流密度的傳質控制區，其過電位損失低于傳統流道，極限電流密度更高。在充放電實驗中，采用新型流道的液流電池過電位更小且充放電容量更高。即新型流道帶來了更高的電壓效率。
14、另外，雖然新型流道的進出口壓降略高于傳統流道，尤其在流量較高區域更明顯，但由于其提升了電極內部反應離子傳質效果，使得液流電池系統能量效率高出采用傳統流道的液流電池，例如相比較傳統交叉型流道結構，使得液流電池系統能量效率高出約?3.2%（電解液入口流量和電流密度分別為20?ml/min和100?ma/cm2），且兩種流道結構的液流電池電流效率基本類似。
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1.一種三維交錯蛇型流道結構，其特征在于：
2.根據權利要求1所述的一種全釩液流電池，其特征在于：所述全釩液流電池含如上述權利要求1中所述三維交錯蛇型流道結構。
【技術特征摘要】
1.一種三維交錯蛇型流道結構，其特征在于：
2.根據權利要求1所述的一種全...
【專利技術屬性】
技術研發人員：孫潔，彭晨晨，肖文節，胡長興，陳金波，王勤，李威，劉帥，
申請(專利權)人：浙大寧波理工學院，
類型：發明
國別省市：
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