一种液流电池用螺旋型电极的结构型式

本发明属于液流电池，具体涉及一种液流电池用螺旋型电极的结构型式。

背景技术：

1、液流电池是一种新型的大规模电化学储能技术，其核心特征在于电活性物质以液态电解质的形式存储在电池外部的储液罐中，而非传统的固态电极内。充放电时，电解液通过泵驱动流经电堆，在电极表面发生氧化还原反应从而实现电能与化学能的转换。由于功率和能量可以独立设计，且电解液不易燃爆、寿命长、响应速度快，液流电池特别适合风能、光伏等可再生能源并网的大规模、长时储能场景。其中，全钒液流电池是目前技术最成熟、商业化应用最广泛的液流电池体系。

2、目前多数全钒液流电池的电极流道采用传统的单蛇形、双蛇形回路、平行并联或中空形等结构。单蛇形流道虽能强化局部对流传质，但电解液沿流道长距离折返导致进出口压降显著偏大，常达千帕级以上，泵送功耗高，且拐弯处易出现局部高速区和低速滞留区。双蛇形回路在一定程度上均衡了进出口位置，但仍存在压降偏高及边缘流速不均的问题。平行并联流道压降较小，但各支流道间流量分配不均，电解液主要靠扩散渗入多孔电极，肋下对流较弱，电极中部易形成传质薄弱区。中空形结构则因缺乏对电解液的导流分配，易在活性区域内产生明显的流动死角与回流死区。

3、在充放电过程中，流速分布不均会导致电解液中的活性离子不能及时均匀地补充到电极碳纤维表面，加剧浓差极化现象，使电压效率下降；压降过大会大幅增加泵送功率损耗，降低系统整体能量效率；回流死区或传质死区则使部分电极区域缺乏新鲜电解液参与反应，造成电极有效利用率低，长期运行还易引发副反应产物沉积。因此，如何通过优化导流结构改善流场分布、降低压降并消除死区，成为提升液流电池性能的重要技术方向。

4、因此，为了解决上述问题，需要提供一种液流电池用螺旋型电极的结构型式。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种液流电池用螺旋型电极的结构型式旨在解决现有液流电池电极流道存在的压降大、流阻高、流速分布不均、存在回流死区导致浓差极化严重及能量效率偏低的问题。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、一种液流电池用螺旋型电极的结构型式，包括极板，所述极板上设置有螺旋型流道，所述螺旋型流道以极板的中心为入口区域，沿流线型螺旋路径向外围延伸，在极板的边缘区域形成出口，电解液从极板中心泵入后，沿螺旋型流道均匀向外扩散流动。

4、优选地，所述螺旋型流道为螺旋线型结构，所述螺旋型流道的入口宽度从极板中心到边缘逐步收窄，能使电解液在流道内的流速分布均匀。

5、优选地，所述螺旋型流道的槽宽为2mm至4mm，槽深为1.5mm至3mm。

6、优选地，还包括多孔石墨毡电极，所述多孔石墨毡电极贴合设置于极板的流道面上，所述螺旋型流道内的电解液通过流道壁面渗入多孔石墨毡电极内部，能与石墨毡纤维表面发生电化学反应。

7、优选地，所述多孔石墨毡电极的孔隙率为85%至95%，所述多孔石墨毡电极的厚度为5mm至12mm。

8、优选地，还包括电池框架和密封垫片，所述极板嵌装于电池框架内，所述密封垫片设置于极板与电池框架之间，用于防止电解液泄漏并维持流道内的密封压力环境。

9、优选地，所述电池框架上开设有与螺旋型流道入口和出口相对应的电解液进口通道和电解液出口通道，所述电解液进口通道位于极板中心区域，所述电解液出口通道位于极板边缘区域。

10、优选地，所述螺旋型流道的表面经过疏水改性处理，其表面接触角大于90度，用于减少电解液在流道壁面的附着残留。

11、优选地，所述极板采用高纯石墨或碳复合材料制成，所述螺旋型流道通过模压成型工艺一体化加工于极板表面，所述螺旋型流道内壁表面粗糙度ra小于3.2μm。

12、优选地，所述螺旋型流道的螺旋圈数为2至6圈，电解液从入口到出口沿螺旋路径的流动距离与极板边长的比值在1.5:1至3:1之间。

13、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

14、1、本发明通过采用螺旋型流道配合中心进液、外围出液的设计，在降低流阻与压降、提升传质效率方面取得了显著的有益效果，螺旋型流道采用流线型几何结构，避免了传统蛇形流道的急转急停现象，使电解液在极板内流动顺畅。与传统蛇形流道、平行并联流道及中空形流道相比，本发明电极流道内部的沿程压降与局部压降均大幅降低。压降的减小直接降低了循环泵的泵送功率损耗，减少了电池系统的寄生能耗，从而有效提升了液流电池系统的整体能量效率。

1.一种液流电池用螺旋型电极的结构型式，包括极板（1），其特征在于：所述极板（1）上设置有螺旋型流道（2），所述螺旋型流道（2）以极板（1）的中心为入口区域，沿流线型螺旋路径向外围延伸，在极板（1）的边缘区域形成出口，电解液从极板（1）中心泵入后，沿螺旋型流道（2）均匀向外扩散流动。

2.根据权利要求1所述的液流电池用螺旋型电极的结构型式，其特征在于：所述螺旋型流道（2）为螺旋线型结构，所述螺旋型流道（2）的入口宽度从极板中心到边缘逐步收窄，能使电解液在流道内的流速分布均匀。

3.根据权利要求1所述的液流电池用螺旋型电极的结构型式，其特征在于：所述螺旋型流道（2）的槽宽为2mm至4mm，槽深为1.5mm至3mm。

4.根据权利要求1所述的液流电池用螺旋型电极的结构型式，其特征在于：还包括多孔石墨毡电极（3），所述多孔石墨毡电极（3）贴合设置于极板（1）的流道面上，所述螺旋型流道（2）内的电解液通过流道壁面渗入多孔石墨毡电极（3）内部，能与石墨毡纤维表面发生电化学反应。

5.根据权利要求4所述的液流电池用螺旋型电极的结构型式，其特征在于：所述多孔石墨毡电极（3）的孔隙率为85%至95%，所述多孔石墨毡电极（3）的厚度为5mm至12mm。

6.根据权利要求1所述的液流电池用螺旋型电极的结构型式，其特征在于：还包括电池框架（4）和密封垫片（5），所述极板（1）嵌装于电池框架（4）内，所述密封垫片（5）设置于极板（1）与电池框架（4）之间，用于防止电解液泄漏并维持流道内的密封压力环境。

7.根据权利要求6所述的液流电池用螺旋型电极的结构型式，其特征在于：所述电池框架（4）上开设有与螺旋型流道（2）入口和出口相对应的电解液进口通道（41）和电解液出口通道（42），所述电解液进口通道（41）位于极板（1）中心区域，所述电解液出口通道（42）位于极板（1）边缘区域。

8.根据权利要求7所述的液流电池用螺旋型电极的结构型式，其特征在于：所述螺旋型流道（2）的表面经过疏水改性处理，其表面接触角大于90度，用于减少电解液在流道壁面的附着残留。

9.根据权利要求8所述的液流电池用螺旋型电极的结构型式，其特征在于：所述极板（1）采用高纯石墨或碳复合材料制成，所述螺旋型流道（2）通过模压成型工艺一体化加工于极板（1）表面，所述螺旋型流道（2）内壁表面粗糙度ra小于3.2μm。

10.根据权利要求9所述液流电池用螺旋型电极的结构型式，其特征在于：所述螺旋型流道（2）的螺旋圈数为2至6圈，电解液从入口到出口沿螺旋路径的流动距离与极板（1）边长的比值在1.5:1至3:1之间。