CN218677212U - 一种液流电池流场框 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种液流电池流场框，包括：板状的框体、分配流道和汇集流道；框体的窗口为长方形；分配流道和汇集流道分别位于窗口的相对的两个长边的边框面上；分配流道和汇集流道结构相同且关于窗口的长轴对称。本实用新型的框体的窗口为长方形，也即是电极腔(电极反应区)为长方形，分配流道和汇集流道位于窗口的两个长边的边框上，因此，电解质从分配流道流经窗口内部区域流出至汇集流道的过程中，电解质在窗口短边方向流动，流动运动的距离和时间较短，减小了运动过程中的浓度差，流出时电解质的分布相对较为均匀，降低了浓差极化损失，降低活化极化损失，能够减少单体电池及电堆***内阻，降低欧姆极化损失。

Description

一种液流电池流场框

技术领域

本实用新型属于电化学储能的液流储能***技术领域，具体涉及一种液流电池流场框。

背景技术

电力储能方式主要有机械储能、电化学储能和电磁储能三大类。其中，以能量密度、效率、规模、循环寿命和成本等指标综合衡量，最佳的配合新一代电网的技术就是电化学储能中的液流储能电池技术，其能量储存密度达到10-30Wh/kg，效率在60％–85％，而且，功率与容量可以分开独立设计，充放电反应迅速，适用范围广泛；不仅可以应用于削峰填谷，也可以做备用电源或者应急电力供给，还可以应用于提高电力的质量，调压调频等。

液流电池的电化学氧化还原反应体系有全钒液流电池(VRB)、多硫化钠-溴(NaSx/Br)电池、锌-氯(Zn/Cl2)或锌-溴(Zn/Br2)电池和铁-铬(Fe/Cr)电池。其中，VRB和Fe/Cr液流电池体系正负极均为完全的液流状态，相对于其它的固态电池或者单液流电池，具有明显的优越性：寿命长、性能稳定、成本低、设计灵活、易规模化放大，建设不受地域限制，而且安全可靠。

在铁-铬液流电池***中，最重要的设备是电堆***，其作用就是将电能转化为化学能储存在电解质溶液中，然后需要时再将电解质溶液中的化学能转换为电能释放到电网或者外部负荷。电堆***多由多对单体电池叠加组合而成，从而可以提供更高的电压，亦即实现更大的功率，带动更大的外部负载。电堆***内部的重要单体结构电池组件则包括碳毡电极、离子传导膜、双极板、流场框和端板等。

电堆***内部的流场框能够起到镶嵌正负电极和固定离子传导膜、双极板的作用，并具备流体的流入、流出通道，以及可以均匀地分配电解质溶液流入到电极材料，自然为电堆***最重要组件之一。

在以往的铁-铬液流电池技术中，为了增大单体电池电解质溶液反应面积，一般采用较大面积、接近正方形的流场框外形结构，电堆***多采用PP、PE膜或离子传导膜材料作为隔膜材料，采用导电耐腐蚀性的复合石墨/碳板材料为双极板，要求电极板框具备合适的几何结构以镶嵌电极的同时，还需提供流体分配通道，以及与离子传导膜、双极板的良好密封结构。正方形的流场框结构电解质流入电极反应区(电极腔)后需要流经较长的距离后流出电极反应区，在这个过程中电解质会产生较大的浓度差，从而产生的浓差极化损失较大，进而降低了电池表面反应活性，会造成较大的活化极化损失。

实用新型内容

为了解决现有技术中存在的上述问题，本实用新型提供了一种液流电池流场框。本实用新型要解决的技术问题通过以下技术方案实现：

一种液流电池流场框，包括：板状的框体、分配流道和汇集流道；

所述框体的窗口为长方形；

所述分配流道和所述汇集流道分别位于所述窗口的相对的两个长边的边框面上；

所述分配流道和所述汇集流道结构相同且关于所述窗口的长轴对称。

在本实用新型的一个实施例中，所述分配流道，包括：公共分配通道口、多个一级分配凹槽流道、多个中间分配凹槽流道和多个二级分配凹槽流道；

所述公共分配通道口，为通孔结构，与多个所述一级分配凹槽流道的一端连通；

所述一级分配凹槽流道，另一端与所述中间分配凹槽流道的中部连通；

多个所述中间分配凹槽流道沿所述窗口的边沿方向均匀分布；

多个所述二级分配凹槽流道，位于所述窗口的边沿上，且贯穿所述边沿，与所述中间分配凹槽流道连通；多个所述二级分配凹槽流道将所述窗口的边沿均匀分隔；

多个所述一级分配凹槽流道的形状不同，且多个所述一级分配凹槽流道内的电解质的体积相同；

每个所述一级分配凹槽流道中的所述电解质流经所述一级分配凹槽流道的时间相同。

在本实用新型的一个实施例中，所述中间分配凹槽流道，包括多个中间子流道；

多个所述中间子流道之间相互连通，且多个所述中间子流道的每个中间子流道的深度、宽度和长度相同；多个所述中间子流道均匀分布。

在本实用新型的一个实施例中，相邻两个所述中间子流道之间具有间隔部，所述间隔部的数量为奇数个；

所述位于中间分配凹槽流道的中部的间隔部上具有朝向所述一级分配凹槽流道方向凸起的第一凸起部。

在本实用新型的一个实施例中，所述窗口的边框上还开设有两个过流通孔；

其中一个所述过流通孔，位于与所述公共分配通道口相对的另一端部上；

另一个所述过流通孔与所述汇集流道对应设置。

在本实用新型的一个实施例中，所述窗口的短边和长边的比为1:5.5-1:7。

在本实用新型的一个实施例中，所述框体的短边和长边的比为1:2.5-1:5；

所述分配流道和汇集流道分别位于两个长边所在的所述边框上。

本实用新型的有益效果：

本实用新型的框体的窗口为长方形，也即是电极腔(电极反应区)为长方形，分配流道和汇集流道位于窗口的两个长边的边框上，因此，电解质从分配流道流经窗口内部区域流出至汇集流道的过程中，电解质在窗口短边方向流动，流动运动的距离和时间较短，减小了运动过程中的浓度差，流出时电解质的分布相对较为均匀，降低了浓差极化损失，从而提高了电池表面反应活性，降低活化极化损失；同时，能够减少单体电池及电堆***内阻，降低欧姆极化损失。

以下将结合附图及实施例对本实用新型做进一步详细说明。

附图说明

图1是本实用新型实施例提供的一种液流电池流场框的结构示意图；

图2是本实用新型实施例提供的负极流场框的结构示意图；

图3是本实用新型实施例提供的分配流道的部分结构的放大示意图；

图4是本实用新型实施例提供的汇集流道的部分结构放大示意图；

图5是本实用新型实施例提供的框体的背面结构示意图。

附图标记说明：

10-框体；20-窗口；21-台阶结构；30-公共分配通道口；31-一级分配凹槽流道；32-中间分配凹槽流道；33-二级分配凹槽流道；34-中间子流道；35-间隔部；36-第一凸起部；37-过流通孔；40-公共汇集通道口；41-一级汇集凹槽流道；42-中间汇集凹槽流道；43-二级汇集凹槽流道；44-第二凸起部。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本实用新型做进一步详细的描述，但本实用新型的实施方式不限于此。

如图1所示，一种液流电池流场框，包括：板状的框体10、分配流道和汇集流道；

框体10的窗口20为长方形。分配流道和汇集流道分别位于窗口20的相对的两个长边的边框面上；分配流道和汇集流道位于框体10的同一面上。分配流道和汇集流道结构相同且关于窗口20的长轴对称。

本实施例中，离子传导膜或者双极板安装在窗口20位置处，以形成流场框正面中央位置的电极腔。液流电池流场框上的电解质溶液，经由电解质溶液分配流道的通道口流入流场框的电解质溶液的分配流道，然后流经窗口20位置的双极板或离子传导膜表面后沿电解质溶液汇集流道流回另一侧并流出流场框，以此完成单个流场框***的表面循环。

在电解质从分配流道流入窗口20内的位置处并继续沿窗口20的短边方向流向汇集流道的过程中，流动运动的距离和时间相对于相同面积的正方形窗口20较短，减小了运动过程中产生的浓度差，流出窗口20位置时电解质的分布相对较为均匀，降低了浓差极化损失，从而提高了电池表面反应活性，降低活化极化损失；同时，能够减少单体电池及电堆***内阻，降低欧姆极化损失。

进一步地，如图1、图3和图4所示，分配流道，包括：公共分配通道口30、多个一级分配凹槽流道31、多个中间分配凹槽流道32和多个二级分配凹槽流道33。一级分配凹槽流道31、中间分配凹槽流道32和二级分配凹槽流道33为在边框的表面开设的凹槽结构。

公共分配通道口30为通孔结构，公共分配通道口30与多个一级分配凹槽流道31的一端连通。电解质进入公共分配通道口30后同时分别进入每个一级分配凹槽流道31中。

多个一级分配凹槽流道31的形状不同，且多个一级分配凹槽流道31内的电解质的体积相同。每个一级分配凹槽流道31中的电解质流经一级分配凹槽流道31的时间相同，也即是多个一级分配凹槽流道31中的电解质同时流出一级凹槽分配流道，且流出的体积相同，以实现多个一级分配凹槽流道31将电解质平均分配。

本实施例中，由于边框的面积有限，不同形状的一级分配凹槽流道31能够在平均分配电解质的基础上，在有限的面积上进行多个流道的合理布局。

一级分配凹槽流道31的另一端与中间分配凹槽流道32的中部连通。多个中间分配凹槽流道32沿窗口20的边沿方向均匀分布。每个一级凹槽分配流道对应一个中间分配凹槽流道32，流出一级分配凹槽流道31的电解质流入中间分配凹槽流道32中，被多个中间分配凹槽流道32再次平均分配。

多个二级分配凹槽流道33位于窗口20的边沿上，且多个二级分配凹槽流道33贯穿边沿，多个二级分配凹槽流道33与中间分配凹槽流道32连通；多个二级分配凹槽流道33将窗口20的边沿均匀分隔。每个二级分配凹槽流道33相同，二级分配凹槽流道33再次将从中间分配凹槽流道32流出的电解质均匀分配。

本实施例中，经过二级分配凹槽流道33均匀分配的电解质同时流出窗口20的边沿流入窗口20位置处进入离子传导膜或者双极板的电极腔区域，通过分配流道将流入流场框的电解质多次均匀分配后均匀地流入电极反应区。同时，汇集流道与分配流道的结构相同，汇集流道包括与二级分配凹槽流道33结构相同的二级汇集凹槽流道43、与中间分配凹槽流道32结构相同的中间汇集凹槽流道42、与一级分配凹槽流道31结构相同的一级汇集凹槽流道41以及与公共分配凹槽通道口结构相同的公共汇集通道口40。汇集流道位于流场框的另一侧，汇集流道与分配流道轴对称设置。在电极反应区的电解质流动至二级汇集凹槽流道43中，被二级汇集凹槽流道43均匀分配后流入中间汇集凹槽流道42中，再次被中间汇集凹槽流道42平均分配之后进入一级汇集凹槽流道41中被平均分配，之后流出至公共汇集通道口40汇集流出流场框。

需要说明的是，如图1和图2所示，本实施例的流场框可以用于正极电解质溶液，同时也用于负极电解质溶液。在使用时，安装正极流程框后，以正极的流场框为准将另一个流场框旋转180°后为负极流场框进行安装使用即可。

本实施例中，流场框的电解质被多次均匀分配，以保证电解质在电池中分布更加均匀，进一步提高了电解质溶液在各单体电池内的高效均匀分配，降低浓差极化损失，从而提高了电池表面反应活性，降低活化极化损失。

进一步地，如图3和图4所示，中间分配凹槽流道32，包括多个中间子流道34。多个中间子流道34之间相互连通，且多个中间子流道34的每个中间子流道34的深度、宽度和长度相同；多个中间子流道34均匀分布。

如图2所示，本实施例中，从一级分配凹槽流道31流出的电解质进入中间分配凹槽流道32中，被多个中间子流道34均匀分配。

附图2中以三条一级分配凹槽流道31为例，对应三条中间分配凹槽流道32，三条中间分配凹槽流道32均匀分布在窗口20的边沿上，多个二级分配凹槽流道33均匀分布。

优选地，如图3和图4所示，相邻两个中间子流道34之间具有间隔部35，间隔部35的数量为奇数个。位于中间分配凹槽流道32的中部的间隔部35上具有朝向一级分配凹槽流道31方向凸起的第一凸起部36。中间子流道34均匀分布，因此，奇数个间隔部35的中间的间隔部35位于中间分配凹槽流道32的中部，且第一凸起部36与一级分配凹槽流道31的另一端正对。电解质从一级分配凹槽流道31的另一端流入中间分配凹槽流道32，第一凸起部36起到缓冲作用和将电解质能够基本均匀分配成两部分，以进一步提升电解质在中间分配凹槽流道32中的均匀分布性。相应地，汇集流道中设置有第二凸起部44。

进一步地，如图1所示，窗口20的边框上还开设有两个过流通孔37。其中一个过流通孔37位于与公共分配通道口30相对的另一端部上。另一个过流通孔37与汇集流道对应设置。另一个过流通孔37位于与公共汇集通道口40相对的另一端部上。具体地，两个过流通孔37的位置和另一个流场框的公共分配通道口30和公共汇集通道口40相对应，也即是，正极流场框的两个过流通孔37和负极流场框的公共分配通道口30和公共汇集通道口40相对应。从公共分配通道口30流出的电解质通过过流通孔37在电池内流动。将多个单体结构电池组件组成电堆***后，所有流场框的过流通孔37叠加形成电解质流通的通道。

具体地，电解质溶液的流动过程为：

正极电解质溶液通过公共分配通道口30后，被均分为三部分，分别各自进入一级分配凹槽流道31，正极电解质溶液通过一级分配凹槽流道31后，再进入中间分配凹槽流道32，被每个中间分配凹槽流道32均匀分配为4部分，并在靠近离子传导膜或者双极板边缘被均匀分布的多个二级分配凹槽流道33分为若干股流体，进入底部为离子传导膜或者双极板的电极腔区域；二级分配凹槽流道33均垂直于中央离子传导膜或者双极板区域的边缘；相对于流场框中间区域对侧，为正极电解质溶液汇集流道，正极电解质溶液经二级汇集凹槽流道43进行收集之后被均匀分配，然后汇合至中间汇集凹槽流道42，中间汇集凹槽流道42之后，正极电解质溶液继续汇合进入一级汇集凹槽流道41，最终从公共汇集通道口40流出至对应的负极过流框的过流通孔37中。

相应地，负极的电解质溶液相应地在负极流场框中流动。

在一种可行地实现方式中，如图5所示，以流场框中具有流道的面为正面，则另一面为背面，在背面的窗口20的周围形成凸起的台阶结构21，凸起的台阶结构21的表面与背面平齐，离子传导膜或双极板的边缘安装在台阶结构21内侧的凹陷部位上，将流场框和离子传导膜或双极板以及碳毡电极等结构堆叠即可形成单体电池结构且能够形成密封，无需外加螺栓固定加紧，简化了组装工艺，节省成本。

优选地，窗口20的短边和长边的比为1:5.5-1:7。框体10的短边和长边的比为1:2.5-1:5；具体地，长边尺寸范围为500mm-1000mm，短边尺寸范围为为200mm-400mm。分配流道和汇集流道分别位于两个长边所在的边框上。电极腔的深度为1.5mm-3.0mm。一级分配凹槽流道31的宽度为3mm-8mm，流道深度为1.5mm-2.5mm。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本实用新型的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本实用新型的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例进行接合和组合。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本实用新型所作的进一步详细说明，不能认定本实用新型的具体实施只局限于这些说明。对于本实用新型所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本实用新型的保护范围。

Claims (7)

1.一种液流电池流场框，其特征在于，包括：板状的框体(10)、分配流道和汇集流道；

所述框体(10)的窗口(20)为长方形；

所述分配流道和所述汇集流道分别位于所述窗口(20)的相对的两个长边的边框面上；

所述分配流道和所述汇集流道结构相同且关于所述窗口(20)的长轴对称。

2.根据权利要求1所述的一种液流电池流场框，其特征在于，所述分配流道，包括：公共分配通道口(30)、多个一级分配凹槽流道(31)、多个中间分配凹槽流道(32)和多个二级分配凹槽流道(33)；

所述公共分配通道口(30)，为通孔结构，与多个所述一级分配凹槽流道(31)的一端连通；

所述一级分配凹槽流道(31)，另一端与所述中间分配凹槽流道(32)的中部连通；

多个所述中间分配凹槽流道(32)沿所述窗口(20)的边沿方向均匀分布；

多个所述二级分配凹槽流道(33)，位于所述窗口(20)的边沿上，且贯穿所述边沿，与所述中间分配凹槽流道(32)连通；多个所述二级分配凹槽流道(33)将所述窗口(20)的边沿均匀分隔；

多个所述一级分配凹槽流道(31)的形状不同，且多个所述一级分配凹槽流道(31)内的电解质的体积相同；

每个所述一级分配凹槽流道(31)中的所述电解质流经所述一级分配凹槽流道(31)的时间相同。

3.根据权利要求2所述的一种液流电池流场框，其特征在于，所述中间分配凹槽流道(32)，包括多个中间子流道(34)；

多个所述中间子流道(34)之间相互连通，且多个所述中间子流道(34)的每个中间子流道(34)的深度、宽度和长度相同；多个所述中间子流道(34)均匀分布。

4.根据权利要求3所述的一种液流电池流场框，其特征在于，相邻两个所述中间子流道(34)之间具有间隔部(35)，所述间隔部(35)的数量为奇数个；

位于中间分配凹槽流道(32)的中部的间隔部(35)上具有朝向所述一级分配凹槽流道(31)方向凸起的第一凸起部(36)。

5.根据权利要求3所述的一种液流电池流场框，其特征在于，所述窗口(20)的边框上还开设有两个过流通孔(37)；

其中一个所述过流通孔(37)，位于与所述公共分配通道口(30)相对的另一端部上；

另一个所述过流通孔(37)与所述汇集流道对应设置。

6.根据权利要求4所述的一种液流电池流场框，其特征在于，所述窗口(20)的短边和长边的比为1:5.5-1:7。

7.根据权利要求4所述的一种液流电池流场框，其特征在于，所述框体(10)的短边和长边的比为1:2.5-1:5；

所述分配流道和汇集流道分别位于两个长边所在的所述边框上。

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