一种提高电池性能的叉指型流道结构设计方法技术

本发明专利技术提供一种提高电池性能的叉指型流道结构设计方法，所述电池为铁铬液流电池，电池的电极材料为碳布；所述叉指型流道结构包括：进液口、出液口，与进液口连接的进液分配流道、与出液口连接的出液分配流道，分别与进液分配流道和出液分配流道连接的进液支流道和出液支流道。计算流道中电解液平均流速由各测量点所得数据，计算DU值。本发明专利技术提出的叉指型铁铬液流电池流道结构设计方法，利用具有不连续的流动通道，迫使所有电解质溶液通过相邻入口和出口通道之间的碳布，从而提供强的强制对流，进而实现碳布内电解液的均匀分布。进而实现碳布内电解液的均匀分布。进而实现碳布内电解液的均匀分布。

【技术实现步骤摘要】
一种提高电池性能的叉指型流道结构设计方法


[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]作为储能技术的一种，液流电池具有功率和能量可分别调控、充放电响应迅速、寿命长等优势，在适用于间歇性可再生能源(如风能和太阳能)的大规模储能装置等方面具有良好的应用前景。然而，当前的液流电池技术仍然没有完全满足储能市场的成本和性能要求。
[0003]铁铬液流电池分别利用低成本和良性的Fe(II)/Fe(III)和Cr(II)/Cr(III)氧化还原对作为阴极电解液和阳极电解液，使用的铬和铁活性材料的成本相对较低，为其成为最具竞争力的储能系统提供了充分的基础和巨大可能性。
[0004]液流电池系统中，反应离子的传质过程主要包括电解液在流道结构中的流动、电解液在多孔电极中的流动以及反应离子的扩散和迁移。其中，流道结构会对电极中电解液流速分布和反应离子浓度分布产生重要影响，进而影响液流电池的电化学性能和系统能量效率。
[0005]传统的流道如并行流道、蛇形流道大多会存在电解液在碳布中分布不均匀，流动死区的范围太大等问题。随着活性区域面积的增加，管路流程迅速增加，压降增加较快；同时其非强制对流的特性，在电极孔隙率较低、压缩比较大的情况下，活性物质的对流传质较差，电压效率较低。

技术实现思路

[0006]为了解决现有技术存在的不足，本专利技术提出一种提高电池性能的叉指型流道结构设计方法，用于设计提高铁铬液流电池性能的叉指型铁铬液流电池流道结构。叉指型铁铬液流电池流道结构设计具有不连续的流动通道，迫使所有电解质溶液通过相邻入口和出口通道之间的碳布连接，从而提供强的强制对流，使电解液均匀分布，缩小流动死区范围。
[0007]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叉指型流道结构。
[0008]实现本专利技术上述目的的技术方案为：
[0009]一种提高电池性能的叉指型流道结构设计方法，所述电池为铁铬液流电池，电池的电极材料为碳布；所述叉指型流道结构呈中心对称形式，包括：进液口、出液口，与进液口连接的进液分配流道、与出液口连接的出液分配流道，分别与进液分配流道和出液分配流道连接的进液支流道和出液支流道；其中，进液支流道与出液支流道呈叉指状交替排列分布且互不连通，且进液支流道、出液支流道位于碳布范围(即中部活性区域)内；
[0010]用有限元软件计算流道中电解液平均流速
[0011]由各测量点所得数据，计算DU值
[0012][0013]式中，为各测量点速度值降序排列时占总测量数20～30％的较小值的平均值。该系数可以较好地反映速度较小的那部分对整体电解液流动的影响程度较小值就可以代表死区的范围。
[0014]传统液流电池的多孔介电极是碳毡，而由于碳毡的厚度较大，在工艺上在满足在碳毡开流道的结构，这样可以有效提高电解液在多孔电极中的流动效率，降低电池整体的阻力降，提高电解液在多孔电极中分布的均匀性。但是由于碳毡微观结构较为紊乱，电解质在碳毡内的流动极易从层流变成湍流，甚至形成死区，而且由于碳毡厚度较大，增加反应过程中产生的离子的迁移距离，进而增加离子的迁移阻力，对液流电池的性能造成较大影响。本专利技术在液流电池中使用碳布作为反应电极，在石墨双极板开槽流道的电池结构，用于替代在碳毡开流道的传统电池结构。该方式可以将液流电池运行时的电解液流动性变为强制流动，即液体在双极板上流量平均分配后再进入碳布当中，反应完成后再回到附近的流道槽中，增强了液体进出的有序性，降低了由于电极所产生的电池电阻，有效提高电池系统运行的电流密度，减小因流动不均匀而损失的效率，减少副反应的发生，提高了电池堆的一致性。
[0015]DU数可以反映过流截面上速度较小的区域对整体的偏离程度。在很多场合，需要考虑速度场的局部最小值，如液流电池速度较小会导致流动死区而导致多余副反应，影响电池效率。因此，DU数可表征流场速度均匀性，在一些系统或者设备设计时具有重要的参考价值。DU数越多越好，即DU数越大，流场较小流速就越靠近平均值，流动死区就会越小。
[0016]所述的测量点是通过在有限元软件中取碳布截面所得，在该截面上存在网格节点，每个节点即一个数据。因为本专利技术是涉及到流动的分析，采用正六边体网格，计算的准确性较高。
[0017]其中，所述进液支流道和出液支流道的深度均为1mm～8mm，截面积为5mm2～60mm2，叉指数量为4～40个(一个支流道为一个叉指)。
[0018]其中，制备铁铬液流电池的电解液，测定电解液的密度和粘度，输入有限元软件中；
[0019]测定碳布的孔隙率和惯性阻力系数，输入有限元软件中；
[0020]铁铬液流电池的电解液可以是常规配方、或含有添加剂的电解液。例如可以是氯化铁、氯化亚铁、氯化铬和盐酸组合的基础电解液，或是在基础电解液中添加一种或多种添加剂制备而成，所述基础电解液的组成如下：铁离子0.2～4mol/L、铬离子0.2～4mol/L、氢离子0.2～8mol/L、氯离子0.2～25mol/L、水余量；所述的铁离子为Fe 2+
和Fe 3+
。
[0021]进一步地，求取所述铁铬液流电池的进出口流量(利用有限元软件进行计算的时候需要建立对应的模型，而后进行网格划分，然后计算)，用有限元软件求取碳布中心电解液流速：
[0022]平均流速的计算公式为
[0023]式中，v
i
为第i个网格节点的速度
[0024]n是有限元软件中设置的网格节点的数量。
[0025]计算平均速度所用的数据来源于碳布中心位置，有限元计算方式需要通过网格计算，每个网格节点便能计算一个流速。是取碳布截面中心的流速值。
[0026]更优选地，用有限元软件计算电池电解液进口和出口的压力值的差。
[0027]本专利技术的优选技术方案为，设置不同的电池参数，计算不同的电池参数下对应(通过改变不同的流道深度计算不同的DU数、平均速度和压降等)的Du数，并以活性区域平均速度、压降作为参照量，得到最优的电池参数。
[0028]其中，所述电池参数包括流道深度、流道截面积、叉指数量、电极活性区域面积中的一种或多种。
[0029]进一步地，以活性区域平均速度高、压降低、DU数大为统筹最优尺寸的标准，得到最优的电池参数。
[0030]本专利技术所述设计方法设计得到的叉指型流道结构。
[0031]叉指型铁铬液流电池流道结构中流道尺寸参数变化组合多样，根据实际使用场景灵活作出调整，以达到使电解液均匀分布、缩小流动死区范围目标。
[0032]在并行流道、蛇形流道设计中，多孔电极在液压上平行于流场，只有一部分电解液通过碳布，作为两个相邻通道之间压降引起的肋下对流。与两种传统流道结构设计相比，本专利技术提出的叉指型铁铬液流电池流道结构设计方法，利用具有不连续的流动通道，迫使所有电解质溶液通过相邻入口和出口通道之间的碳布，从而提供强的强制对本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种提高电池性能的叉指型流道结构设计方法，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；所述叉指型流道结构呈中心对称形式，包括：进液口、出液口、与进液口连接的进液分配流道、与出液口连接的出液分配流道，分别与进液分配流道和出液分配流道连接的进液支流道和出液支流道；其中，进液支流道与出液支流道呈叉指状交替排列分布且互不连通，且进液支流道、出液支流道位于碳布范围内；用有限元软件计算流道中电解液平均流速由各测量点所得数据，计算DU值：式中，为各测量点速度值降序排列时占总测量数20～30％的较小值的平均值。2.根据权利要求1所述的叉指型流道结构设计方法，其特征在于，所述进液支流道和出液支流道的深度均为1mm～8mm，截面积为5mm2～60mm2，叉指数量为4～40个。3.根据权利要求1所述的叉指型流道结构设计方法，其特征在于，制备铁铬液流电池的电解液，测定电解液的密度和粘度，输入有限元软件中；测定碳布的孔隙率和惯性阻力系数，输入有限元软件中...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐泉，牛迎春，王屾，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：