一种铁铬液流电池的双极板表面流道设计方法技术

本发明专利技术提供一种铁铬液流电池的双极板表面流道设计方法，所述电池为铁铬液流电池，电池的电极材料为碳布，双极板的材质为石墨板，通过机加工，在双极板表面两侧进行开槽，在双极板上分别加工出并行流道、蛇形流道、叉指型流道、螺旋流道、网格流道、树形流道和仿生流道结构，用有限元软件模拟所选流道中电解液流动过程，并计算其对应的多孔电极内电解液流动参数，从而得到最优的流道设计。本发明专利技术通过双极板表面流道的设计，可以有效改善电解液在多孔电极中的流动分布，减少流动死区的范围，进而减少副反应的产生。减少副反应的产生。减少副反应的产生。

【技术实现步骤摘要】
一种铁铬液流电池的双极板表面流道设计方法


[0001]本专利技术属于储能
，具体涉及一种氧化还原液流电池的结构设计方法及所得电池结构。

技术介绍

[0002]液流电池是一种大规模储能技术，因其可扩展性好，安全性好，寿命长，能量效率高，在消纳可再生能源、削峰填谷等领域具有广阔的应用前景。在液流电池中，活性物质以离子形式溶解在液态电解液里，被储存在外部储液罐中。
[0003]当电池充电或者放电时，电解液通过管路被泵送至电化学反应堆发生以储存或释放电能。在液流电池电堆中，双级板主要作用是传递电子，隔绝相邻两个单电池内的电解液。
[0004]通常，液流电池采用传统的无流场结构(灌流式结构)，双级板上没有流场结构，电解液直接流过整个多孔电极，电解液在多孔电极内的流动距离较长。为实现较小的压降损耗，无流场结构往往采用较厚的电极，这导致电池内阻较大，电池性能较差。最近的研究借鉴燃料电池流场设计，在液流电池双级板两侧引入流场结构，降低电极液在多孔电极内的流动距离及压降损耗。故设计选择最优流道工艺，实现减小电池运行阻力，降低副反应发生频率很有必要。

技术实现思路

[0005]本专利技术针对现有技术存在的缺陷，提供了一种铁铬液流电池的双极板表面流道设计方法，通过模拟铁铬液流电池运行过程中电解液在不同流道内的流动状况，设计最优符合实际情况的流道工艺，为电解液的均匀快速流动提供便利条件，减小电池运行阻力，降低副反应发生频率。
[0006]本专利技术的第二个目的是提供所述设计方法设计得到的流道结构。
[0007]实现本专利技术上述目的的技术方案为：一种铁铬液流电池的双极板表面流道设计方法，所述电池为铁铬液流电池，电池的电极材料为碳布，双极板的材质为石墨板，通过机加工，在双极板表面两侧进行开槽，在双极板上分别加工出并行流道、蛇形流道、叉指型流道、螺旋流道、网格流道、树形流道和仿生流道结构，用有限元软件模拟所选流道中电解液流动过程，并计算其对应的多孔电极内电解液流动参数，从而得到最优的流道设计。
[0008]其中，所述电解液流动参数包括平均速度、压降。
[0009]其中，在双极板上加工的开槽深度在1mm~8mm，流道截面积在5mm2~60mm2。
[0010]进一步地，取不同的流道结构在多孔电极中心位置的电解液速度，按照不同的流道结构构建电池模型，用有限元软件对构建的电池模型划分网格，求取各网格节点处的流速vi，再由中心位置的电解液速度求取平均速度，平均流速的计算公式为
[0011]式（1）中，v
i
为第i个网格节点的电解液流动速度，网格节点的数目为n。
[0012]其中，以不同类型的流道构建不同的铁铬液流电池模型，所述流道类型包括叉指型、并行流道和蛇型流道，用有限元软件对电池模型进行网格划分，所述网格为正六边体网格，网格的数目n为50万~100万。
[0013]为保证计算流动问题的准确性，本专利技术划分网格方式为六面体网格，且网格数量50W到100W，该区间是为了保证样本数量足够多，而且在该网格数量范围内，计算的较为准确而且计算比较经济。因为网格数量越多，计算量越大，计算时间也越长。
[0014]进一步地，网格的节点的数量通过网格无关性验证得出。
[0015]n值越大，网格划分的越细密，求解结果的精度越高。但网格数量的急剧增加会导致计算的时间成本大幅增加，而且当网格数量达到一定数量后，计算精度的提高并不明显。通过网格无关性验证，优选本申请n取值在50W，可以在较短时间内湖的精度高的结果。
[0016]本专利技术的又一优选技术方案为，用有限元软件计算电解液进出口位置的压力。
[0017]其中，比较计算所得进出口压力和平均流速，取低进出口压力和高平均速度对应的结构，从而确定最优电池流道结构。
[0018]所述的铁铬液流电池的双极板表面流道设计方法设计得到的流道结构。
[0019]本专利技术提供了一种铁铬液流电池的双极板表面开流道的设计方法，适用于多种类型的开流道方式，最优结构可以通过进出口压力和平均流速确定，因为进出口的压差决定了泵耗，泵耗越小越好，平均速度决定了电解液的更新速率，速度越高，电池效率越高。
[0020]相比现有技术，本专利技术的有益效果是：铁铬液流电池的双极板开流道设计，可以促进电解液在电池中的流动，与传统无流道的结构相比，有效降低了电解液的流动阻力，降低电池的整体泵耗。本专利技术通过双极板表面流道的设计，可以有效改善电解液在多孔电极中的流动分布，减少流动死区的范围，进而减少副反应的产生。
附图说明
[0021]附图用来提供对本专利技术的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本专利技术的实施例一起用于解释本专利技术，并不构成对本专利技术的限制。
[0022]图1为并行流道结构示意图；图2为蛇形流道结构示意图；图3为叉指型流道结构示意图；图4并行流道速度分布图，（a）双极板流道中心位置速度分布图；（b）碳布中心位置速度分布图，单位为m/s；图5蛇形流道速度分布图，（a）双极板流道中心位置速度分布图；（b）碳布中心位置速度分布图，单位为m/s；图6叉指流道速度分布图，（a）双极板流道中心位置速度分布图；（b）碳布中心位置速度分布图，单位为m/s；图中，1为负极进液口，2为负极进液分配流道，200为负极进液转向流道，3为负极
进液支流道，300为电解液通过负极蛇形流道，4为负极出液收集流道，400为负极出液转向流道，5为负极出液口6为活性区域，7为负极出液收集流道。
具体实施方式
[0023]以下实施例用于说明本专利技术，但不用来限制本专利技术的范围。
[0024]除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本专利技术的
的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本专利技术的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本专利技术。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
[0025]如无特殊说明，说明书中采用的手段均为本领域已有的技术手段。
实施例1
[0026]以负极侧为例，铁铬液流电池的并行流道包括:负极进液口1，与负极进液口1连接的负极进液分配流道2，以及与负极进液分配流道连接的负极支流道3，负极进液分配流道2包括若干负极支流道3(参见图1)。5是负极出液口，4是负极出液收集流道。
[0027]其中，负极支流道3呈并行状交替排列分布且连通，负极支流道3位于负极侧中部的活性区域6内。负极进液分配流道中的每一个进液分支流道，沿与该进液分支流道的垂直方向分布。
[0028]电解液由负极进液口1流入负极进液分配流道2。电解液通过负极支流道3进入电极，完成电化学反应，直流至负极收集流道4内。每个负极支流道3分别汇入负极出液收集流道4中，经过负极出液收集流道4收集并由负极出液口5排出，完成电解液在电池中的流动过程。
[0029]双极板另一侧与负极侧的活性区域一致，各个正极进液分配流道分别与各个负极进液分配本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种铁铬液流电池的双极板表面流道设计方法，其特征在于，所述电池为铁铬液流电池，电池的电极材料为碳布，双极板的材质为石墨板，通过机加工，在双极板表面两侧进行开槽，在双极板上分别加工出并行流道、蛇形流道、叉指型流道、螺旋流道、网格流道、树形流道和仿生流道结构，用有限元软件模拟所选流道中电解液流动过程，并计算其对应的多孔电极内电解液流动参数，从而得到最优的流道设计。2.根据权利要求1所述的铁铬液流电池的双极板表面流道设计方法，其特征在于，所述电解液流动参数包括平均速度、压降。3.根据权利要求1所述的铁铬液流电池的双极板表面流道设计方法，其特征在于，在双极板上加工的开槽深度在1mm~8mm，流道截面积在5mm2~60mm2。4.根据权利要求1所述的铁铬液流电池的双极板表面流道设计方法，其特征在于，按照不同的流道结构构建电池模型，用有限元软件对构建的电池模型划分网格，求取各网格节点处的流速v
i
，再由中心位置的电解液速度求取平均速度，平均...

【专利技术属性】
技术研发人员：牛迎春，徐泉，徐春明，杨子骥，
申请(专利权)人：中海储能科技北京有限公司，
类型：发明
国别省市：