[發明專利]一種液流電池用對流增強型蛇形流道

在審

• 申請號: 202011068860.0
• 申請日: 2020-09-30
• 公開（公告）號: CN112201803A
• 公開（公告）日: 2021-01-08
• 發明（設計）人: 趙天壽;范新莊;魏磊
• 申請（專利權）人: 香港科技大學
• 主分類號: H01M8/026
• 分類號: H01M8/026;H01M8/0263;H01M8/18
• 代理公司: 沈陽優普達知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 21234
• 代理人: 張志偉

本發明涉及液流電池技術領域，具體為一種液流電池用對流增強型蛇形流道。對流增強型蛇形流道為單進單出型單蛇形流道或多進多出型平蛇形流道，對流增強型蛇形流道具有一個以上的入口區域和兩個以上的出口區域，電解液首先由入口流向出口區域，然后由出口區域回溯到入口區域，再由入口區域流到出口區域，如此循環往復后，電解液由出口流出。對流增強型蛇形流道中流道脊的個數大幅降低，短流道脊與傳統蛇形流道中流道脊的長度相同，長流道脊的長度遠大于傳統蛇形流道中流道脊的長度。長流道脊使得相鄰流道溝槽中電解液的壓降大幅提高，進而使流道脊下電解液的對流強度遠大于傳統蛇形流道，從而有效提高液流電池的能量轉換效率和電解液利用率。

技術領域

本發明涉及液流電池技術領域，具體為一種液流電池用對流增強型蛇形流道。

背景技術

近年來，隨著化石能源的過度開發與使用，能源危機和環境問題日益嚴峻，世界各國都在積極調整能源結構，大力發展可再生能源發電并不斷提高其在能源消耗中的比重，這也是實現社會可持續發展的必然選擇。但太陽能、風能等可再生能源具有不連續、不穩定等特性，如果可再生能源發電直接并入電網會給電網的安全穩定運行帶來嚴重的沖擊，而大規模儲能系統可有效實現可再生能源發電的調幅調頻、平滑輸出、跟蹤計劃發電，從而減小可再生能源發電并網對電網的沖擊，提高電網對可再生能源發電的消納能力，同時可解決棄光、棄風等瓶頸問題。因此，大規模儲能技術是解決可再生能源發電不連續、不穩定特性，推進可再生能源的普及應用，實現節能減排重大國策的關鍵核心技術。

在各種儲能技術中，液流電池的活性物質存在于流動的電解液中，且在其電極反應過程中不涉及相的變化，因而具有安全可靠、循環壽命長、充電容量大和設計靈活等優點，相較于其他二次電池在規模儲能領域具有更大的發展潛力。但目前液流電池較高的儲能價格限制了它的大規模應用，而不斷提高液流電池的工作電流密度、開發新型的高功率密度液流電池則成為降低液流電池儲能成本的重要途徑。

為了提高液流電池的電池性能，我們需要將充放電過程中的各種極化損失降至最低，包括與氧化還原反應動力學有關的活化損失，與電子、離子遷移有關的歐姆損失，以及與活性物質的傳質有關的濃度損失。傳統上，液流電池采用了一種強制電解質流過整個多孔電極的流通型結構，該結構簡單明了，易于制造。為了降低電池內部的壓降，在流通結構中通常使用厚度大于3mm且壓縮率相對較小(20％)的多孔電極，這也導致了高達3Ωcm²的歐姆電阻，從而導致在較高工作電流密度下能量轉換效率和電解質利用率的迅速下降。為了降低電池的歐姆電阻，研究者提出了一種借助于流道的“零間隙”結構，該結構能夠安裝更薄的電極，從而在高電流密度下具有出色的電池性能。然而，該種流經型液流電池不僅需要電解液在整個電極內部均勻分布，而且需要電解液的補充速度足夠的快，進而盡量縮小不同SOC導致的活性物質濃度的差異。此外，由于流道中的電解液并不參與電極反應，所以需要電解液盡可能多的通過擴散、對流等方式流到電極尤其是隔膜側電極的表面參與電化學反應。尤其是在其規模化過程中對電解液的供應及其在電極內部的均勻分布具有較高的要求，傳統的流道結構(如：平行、蛇形和插指型)不能滿足該類電池對傳質的要求。因此，尋求有效的策略來促進反應物的均勻分布對于流經型液流電池性能的進一步提高至關重要。

發明內容

本發明的目的在于提供一種液流電池用對流增強型蛇形流道，在保持壓損基本不變的前提下，不但可以保證電解液的均勻分配，而且極大地加強了流道脊下電解液的對流強度，進而能夠大幅降低電解液的濃差極化，從而有效提高液流電池的能量轉換效率和電解液利用率。

本發明的技術方案是：

一種液流電池用對流增強型蛇形流道，對流增強型蛇形流道為單進單出型單蛇形流道或多進多出型平蛇形流道，對流增強型蛇形流道具有一個以上的入口區域和兩個以上的出口區域，對流增強型蛇形流道的入口與出口區域通過蛇形流道溝槽相連通，出口區域與入口區域通過蛇形流道溝槽相連通，如此循環往復，對流增強型蛇形流道的出口與最后一個出口區域相連通；