本發(fā)明涉及一種液流電池電堆及使電解液在各節(jié)電池中分布均勻以提高電池性能的方法。
背景技術(shù)：
：能源進(jìn)步是推進(jìn)社會(huì)生產(chǎn)力發(fā)展的直接動(dòng)力，隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展，傳統(tǒng)的化石能源早已不能滿足現(xiàn)今人類發(fā)展的需要，并且造成大量的二氧化碳排放，對(duì)環(huán)境產(chǎn)生巨大的影響。一直以來，各個(gè)國家著手研究各種新能源。其中，以風(fēng)能、太陽能和核能的大規(guī)模利用為主。全釩液流電池是將不同價(jià)態(tài)的釩離子溶液作為正極和負(fù)極的活性物質(zhì)，分別儲(chǔ)存在各自的電解液儲(chǔ)罐中。在對(duì)電池充、放電時(shí)，電解液通過泵的驅(qū)動(dòng)作用，在儲(chǔ)罐和電堆之間循環(huán)流動(dòng)，并在電極表面發(fā)生氧化還原反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)電池的充、放電。全釩液流電池由電堆、電解液、泵、管路、儲(chǔ)罐、和監(jiān)控系統(tǒng)等構(gòu)成。其中，電堆由電極、隔膜、雙極板、電極框、集流板等構(gòu)成。而電極框在全釩液流電池中起到組織電解液流動(dòng)與分配、支撐電極的重要作用，其性能的好壞直接影響著全釩液流電池的系統(tǒng)性能、電壓效率、能量效率。目前電堆存在的問題，全釩液流電池的一個(gè)電堆由若干節(jié)單電池組成，電解液通過公用流道向每節(jié)單電池的分配流道流動(dòng)，公用流道的尺寸隨著電堆尺寸或節(jié)數(shù)的不同而對(duì)應(yīng)變化，長度為100mm～1500mm，直徑為5mm～50mm。由于公用流道長度的影響，到達(dá)每節(jié)單電池的電解液流量、入口壓力不同，導(dǎo)致流入每節(jié)單電池的電解液的流量不同，越處于末端的單電池所獲得的電解液流量越小，造成極差現(xiàn)象。如果極差過大，過電位過高，會(huì)造成電池性能的下降。如表1、圖2所示，半堆運(yùn)行放電結(jié)束時(shí)的各節(jié)電壓數(shù)據(jù)，可以發(fā)現(xiàn)，電壓隨著節(jié)數(shù)的推移不斷升高。如表2所示，其他測(cè)試條件相對(duì)不變的情況下，節(jié)數(shù)少的電堆性能要優(yōu)于多節(jié)數(shù)的電堆性能。表1半堆放電結(jié)束時(shí)各節(jié)電池電壓表2110ma/cm2恒流充放電性能電堆電壓效率能量效率10節(jié)電堆84.6％82.3％25節(jié)電堆83.7％80.5％通過模擬仿真的方法，說明電解液在電池中的分配情況。如圖3，利用仿真模擬軟件fluent建立電堆3d模型，計(jì)算參數(shù)見表3。如圖4，通過給定電解液物性、電極孔隙率、進(jìn)出口初始條件、邊界條件等計(jì)算條件，得到每節(jié)電池分支流道入口處的電解液流量。從圖中可以看出，隨著流動(dòng)距離的加大，分配到每一節(jié)電極框的電解液流速逐漸下降。如圖5，匯總各節(jié)電池分配流道入口處的流量，通過模擬仿真再現(xiàn)了現(xiàn)有電堆的問題。表3計(jì)算參數(shù)技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：針對(duì)上述問題，本發(fā)明提出針對(duì)此問題的解決方案。一種液流電池電堆，包含端板、進(jìn)液板、電極框、雙極板、電極、離子膜、密封等結(jié)構(gòu)。其特征在于：從公用流道入口開始，各節(jié)電池的分配流道深度逐漸遞增；和/或從公用流道入口開始，公用流道的直徑以等差數(shù)列逐漸增大。進(jìn)一步地，在上述技術(shù)方案中，分配流道深度以等差數(shù)列形式遞增，公差為0.01～0.05mm。進(jìn)一步地，在上述技術(shù)方案中，公用流道的直徑以等差數(shù)列逐漸增大，公差為0.005～0.02mm，公用流道入口直徑為φ15～16mm。進(jìn)一步地，在上述技術(shù)方案中，公用流道出口直徑為φ19～20mm。進(jìn)一步地，在上述技術(shù)方案中，含有單電池30～60節(jié)。進(jìn)一步地，在上述技術(shù)方案中，電堆的單電池長寬分別為870～1280mm和460～230mm。本發(fā)明提供一種使電解液在各節(jié)電池中分布均勻以提高電池性能的方法，采用上述的液流電池電堆，使流入每節(jié)單電池的電解液流量一致。進(jìn)一步地，在上述技術(shù)方案中，電解液線速度為0.05～0.08m/s，電解液濃度為1.5～2mol/l，電堆進(jìn)口壓力為0.5～1.5bar，電堆運(yùn)行溫度為30～40℃。發(fā)明有益效果通過以上兩種方法，都可以有效地使每節(jié)電池的電解液流量保持一致，從而降低極差，提高電池效率。此方案使得電解液在電極表面均勻的分布并快速流動(dòng)，從而有效的提高了全釩液流電池的能量效率，延長電池的使用壽命。附圖說明圖1為電解液流道分布圖；圖2為單電池電壓隨著電池節(jié)數(shù)的推移而不斷升高曲線圖；圖3是通過模擬軟件仿真電解液在電池中的分配情況；圖4是各節(jié)電池分配流道入口處的電解液流速；圖5模擬仿真中各節(jié)電池分配流道入口處的電解液流量；圖6模擬仿真中各節(jié)電池分配流道入口處的電解液流量；圖7模擬仿真中各節(jié)電池分配流道入口處的電解液流量；圖中，1、進(jìn)液板流道；2、電極框公用流道；3、分配流道。具體實(shí)施方式下述非限定性實(shí)施例可以使本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員更全面地理解本發(fā)明，但不以任何方式限制本發(fā)明。實(shí)施例1(電解液流道深度不同)表4參數(shù)項(xiàng)目性能特征功率10kw配置溶液1.8mol/l硫酸體系釩電解液單電池節(jié)數(shù)30節(jié)電極框分配流道初始流道深度1.55mm，公差0.01mm電堆的具體參數(shù)見表4，采用30節(jié)電池堆，電堆單電池連接方式為串聯(lián)，從第一節(jié)到最后一節(jié)，電極框分配流道深度的變化方式如下：入口電極框的分配流道深度為1.55mm，此后以公差0.01mm的等差數(shù)列形式遞增。將組裝好的10kw電堆與電解液循環(huán)系統(tǒng)、電池管理系統(tǒng)相連接，對(duì)其以110ma/cm2的電流密度進(jìn)行充電和放電，當(dāng)電池穩(wěn)定運(yùn)行50個(gè)充放電循環(huán)后，按表5記錄最后一個(gè)充放電循環(huán)充電末期的測(cè)試數(shù)據(jù)。如圖6，模擬結(jié)果為通過控制每節(jié)單電池的電極框分配流道的深度不同，使流入每節(jié)單電池的電解液流量基本一致。具體方法為：從公用流道入口開始各節(jié)電池的分配流道深度以等差數(shù)列(公差為0.01mm)形式遞增。對(duì)比例1采用表4所列部件組裝10kw電池堆，電堆單電池連接方式為串聯(lián)，每一節(jié)單電池結(jié)構(gòu)完全相同(電極框分配流道深度相同為1.55mm)。試驗(yàn)結(jié)果如表5所示：表5實(shí)施例2(電極框公用流道直徑不同)表6參數(shù)項(xiàng)目性能特征功率10kw配置溶液1.8mol/l硫酸體系釩電解液單電池節(jié)數(shù)30節(jié)電極框公用流道入口直徑15mm，出口直徑20mm，等差數(shù)列遞增電堆的具體參數(shù)見表6，采用30節(jié)電池堆，電堆單電池連接方式為串聯(lián)，從第一節(jié)到最后一節(jié)，電極框公用流道直徑的變化方式如下：第一節(jié)電池的電極框公用流道的直徑為15mm，最后一節(jié)電池的電極框公用流道直徑為20mm，中間電極框公用流道直徑以等差數(shù)列遞增。將組裝好的10kw電堆與電解液循環(huán)系統(tǒng)、電池管理系統(tǒng)相連接，對(duì)其以110ma/cm2的電流密度進(jìn)行充電和放電，當(dāng)電池穩(wěn)定運(yùn)行50個(gè)充放電循環(huán)后，按表7記錄最后一個(gè)充放電循環(huán)充電末期的測(cè)試數(shù)據(jù)。如圖7，模擬結(jié)果為通過控制電極框公用流道直徑不同，使流入每節(jié)單電池的電解液流量基本一致。具體方法為從公用流道入口開始，公用流道的直徑以等差數(shù)列形式逐漸增大，第一節(jié)電池的公用流道直徑為φ15～16mm，最后一節(jié)為φ19～20mm。對(duì)比例2采用表6所列部件組裝10kw電池堆，電堆單電池連接方式為串聯(lián)，公用流道直徑不變，直徑為φ15～16mm。試驗(yàn)結(jié)果如表7所示：表7當(dāng)前第1頁12