[发明专利]一种提高电解液分布均匀性的液流电池及电极结构和方法

说明书

本发明公开了一种提高电解液分布均匀性的液流电池及电极结构和方法，属于新能源储能领域。本发明中的液流电池电极结构是通过对电极的布置结构进行创造性地改进，并根据电极的布置设计中间进液、四周出液的供液方式。该电极结构及基于其设计的液流电池能有效提高电解液的分布均匀性，提高电极的反应活性面积及电解液渗透性，从而提高电解液利用率和功率密度。

技术领域

本发明属于新能源储能领域，具体涉及一种提高电解液分布均匀性的液流电池及电极结构和方法。

背景技术

近年来，随着煤炭等化石能源的消耗以及人类对能源的需求逐渐增大，能源形势变得十分严峻，以传统化石能源为支撑的能源供应结构无法再满足人类可持续发展的需要。有效地利用和开发可再生能源(如风能、太阳能等)变得愈加重要。可再生能源的规模化利用是能源发展的必然趋势，然而在实际应用中，可再生能源普遍受到环境和外部条件的限制，具有明显的间歇性和不连续性，在并网是会对电网产生较为严重的冲击。因此，我们需要在并网时配置相应的储能设备，在能源充足时储存电能，在电量缺乏时并网发电，调节能源的供需矛盾，实现削峰填谷，进而实现能源的高效利用与平稳连续的电能输出。

大规模高效储能技术在这个过程中占据着十分重要的地位，是解决可再生能源发电不连续性、不稳定性、不可控性的关键瓶颈技术。为了适应不同领域的需要，目前已经得到开发和研究的储能技术有：压缩空气储能、飞轮储能、抽水蓄能、液流电池技术、锂电池技术等。与其他储能技术相比，全钒液流电池(VRFB)有以下优势：功率和能量分开，设计灵活；有模块化结构设计，可逆性高，因此寿命较长；两个半电池中使用相同元素，可以有效避免电解液交叉污染。近年来，全返液流电池的研究开发、工程化及产业化也不断取得重要进展，在大规模储能技术领域中表现出巨大的应用前景。

全钒液流电池主要由电堆单元、电解液溶液及电解液溶液储供单元、控制管理单元等部分构成，其主要活性物质为钒元素。在充放电过程中，不同价态的钒离子(正极电对：VO2+/VO2+，负极电对：V3+/V2+)相互转化以实现化学能和电能的相互转换。

全钒液流电池的正极和负极电解液分别装在两个储罐中，利用送液泵将电解液泵入电堆，电解液中的活性物质在电极上渗透并在电极表面参与电化学氧化还原反应，反应完成后的电解液流出电堆并重新进入电解液储液罐中，与未充电的电解液进行混合。

液流电池的电堆由数节或数十节单电池按压滤机的方式叠合组装。每一个单电池都分别按照：集流体、液流框、双极板、电极、质子交换膜的顺序从外向内组装，形成电堆结构后再在最外侧加装端板完成组装。其中，电极为电化学反应的进行提供了反应场所，而双极板起到分隔正负极电解液的作用。此外，液流电池系统还包括电解液储液罐、循环泵、管道、辅助设备等外部装置。

多孔电极是液流电堆系统的核心。向电堆中泵入的电解液主要包括两个部分，一部分渗透到多孔电极内发生电化学反应(有效流动)，另一部分没有参与反应流出电堆(无效流动)，因此，提高电解液在多孔电极中的渗透率可以提高电解液的有效利用率，降低电解液泵入量需求，从而降低泵损，提高液流电池系统的效率。由于电极材料的孔径小，孔结构无序，使得流经阻力大，能量损失多，并且流速低，流动死区多等缺点。除此之外，还会存在电解液分布不均匀的问题，引起浓差极化损失，甚至会堵塞多孔电极，使电池效率和寿命大打折扣。

目前，改善电解液分布均匀性的方法只要是通过在双极板上开设流道的方式，目前常见的有平行流道、蛇形流道、交指型流道等。通过流道的设计使电解液沿着流道微槽流动，可以使得电解液的流速大大提高。但同样存在均匀性效果不高、流道过长使得泵损过大等缺陷。例如，为了提高电解液在多孔电极上分布的均匀性。相关技术人员做了深入研究，出现了以下技术：

申请号为CN201510922237.X的发明专利公开了一种蛇形流道的双极板及其在全钒液流电池中的应用，主要涉及一种蛇形流道的双极板，于双极板的二侧表面设有用于流体流动的蛇形流道，沿流体流动方向于流道内设有扰流槽。