专利名称：扇形液流电池、扇形液流电池堆及圆形液流电池堆的制作方法
技术领域：
本发明涉及液流电池领域，具体而言，涉及一种扇形液流电池、扇形液流电池堆及圆形液流电池堆。
背景技术：
现有的液流电池堆，包括液流框I’、双极板2’、多孔电极3’、离子交换膜4’按照图I所示次序叠放并装配而成，电池堆的组成由图I中所示的结构重复叠放而成，由图I和图2可以看出，其单电池片为矩形，电解液进口在矩形一端，而出口在矩形另外一端。无论怎么进行电池内部流场设计，电解液都要逐渐从电池片的一端流向另一端导致电解液在电池片内反应不均匀。而且，在该流动过程中，充放电时，在其进口端电解液反应离子浓度大于出口端反应离子浓度，而且随着电解液的流动及反应离子的消耗，反应离子浓度逐渐变小；因此，进口端和出口端的电解液反应离子浓度有一定差异，而进口端和出口端电解液经 过多孔电极的线速度是相同的(由于矩形电池片设计，其进出口截面积相等且进出口体积流速始终相等)，从而进一步加剧了电解液反应不均匀、浓差极化以及电池效率的降低。
发明内容
本发明旨在提供一种扇形液流电池、扇形液流电池堆及圆形液流电池堆，优化了电解液在反应过程中的反应离子浓度的均匀性。为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种扇形液流电池，扇形液流电池包括扇形的离子交换膜；扇形的半电池，包括正极半电池和负极半电池，正极半电池和负极半电池相对地设置在离子交换膜的两侧，正极半电池和负极半电池分别具有扇形的电解液进口和扇形的电解液出口，电解液进口靠近并平行于具有其的半电池长弧边缘设置，电解液出口靠近并平行于具有其的半电池短弧边缘设置，且电解液进口的弧长大于电解液出口的弧长。进一步地，上述离子交换膜上设置有与电解液进口和电解液出口位置对应且相匹配的电解液通孔。进一步地，上述正极半电池和负极板电池分别包括液流框，设置在离子交换膜的一侧，具有扇形的容纳空间；多孔电极，嵌设在液流框的容纳空间内；双极板，设置在液流框远离离子交换膜的一侧，电解液进口和电解液出口设置在双极板上，液流框具有与电解液进口和电解液出口位置对应且连通的电解液导入口和电解液导出口。进一步地，各上述液流框还具有导流通道，导流通道设置在液流框的电解液导入口与多孔电极之间以及电解液导出口与多孔电极之间。进一步地，上述导流通道为由液流框的靠近双极板侧面向与靠近离子交换膜的侧面凹陷的导流槽。进一步地，上述正极半电池的液流框的电解液导入口包括正极电解液导入口、电解液导出口包括正极电解液导出口、导流通道为正极电解液导流通道，正极半电池的液流框还包括第一正极密封条，正极电解液导入口、正极电解液导出口和正极电解液导流通道密封在第一正极密封条围成的区域中；上述负极半电池的液流框的电解液导入口包括负极电解液导入口、电解液导出口包括负极电解液导出口、导流通道为负极电解液导流通道，负极半电池的液流框还包括第一负极密封条，负极电解液导入口、负极电解液导出口和负极电解液导流通道密封在第一负极密封条围成的区域中。进一步地，上述正极半电池的液流框还包括第一负极电解液导流口和第二负极密封条，第一负极电解液导流口密封在第二负极密封条围成的区域中；上述负极半电池的液流框还包括第一正极电解液导流口和第二正极密封条，第一正极电解液导流口密封在第二正极密封条围成的区域中。进一步地，上述各液流框的容纳空间的两个弧形边缘均具有台阶部，台阶部的一个表面与液流框的靠近离子交换膜的侧面在同一平面上，多孔电极与台阶部的内边缘抵接，且台阶部的深度与导流槽的深度相同。进一步地，上述扇形液流电池的圆心角为锐角。
·0013]根据本发明的另一方面，还提供一种扇形液流电池堆，该扇形液流电池堆包括一个或多个上述的扇形液流电池，且以依次排列的扇形液流电池的离子交换膜、扇形液流电池的正极半电池的多孔电极和液流框、扇形液流电池的双极板、扇形液流电池的负极半电池的多孔电极和液流框为组合单元重复排列，多孔电极嵌设在与其对应的液流框中，正极半电池的液流框还包括第二负极电解液导流口和第三负极密封条，第二负极电解液导流口密封在第三负极密封条围成的区域中；负极半电池的液流框还包括第二正极电解液导流口和第三正极密封条，第一正极电解液导流口密封在第三正极密封条围成的区域中。根据本发明的又一方面，还提供一种圆形液流电池堆，该圆形液流电池堆包括多个上述的扇形液流电池堆。进一步地，上述圆形液流电池堆还包括正极进液管道，设置在圆形液流电池堆的第一端部的下方与电解液进口对应的位置，向扇形液流电池堆提供正极电解液；负极进液管道，设置在圆形液流电池堆的第一端部且位于正极进液管道的正下方或正上方，向扇形液流电池堆提供负极电解液；正极出液管道，设置在圆形液流电池堆的第二端部的上方与电解液出口对应的位置，将完成反应的正极电解液导出扇形液流电池堆；负极出液管道，设置在圆形液流电池堆的第二端部且位于正极出液管道的正上方或正下方，将完成反应的负极电解液导出扇形液流电池堆。进一步地,上述正极进液管道、负极进液管道、正极出液管道和负极出液管道均为与圆形液流电池堆同轴设置的圆环形的管道。应用本发明的技术方案，正极电解液和负极电解液均通过各自的电解液进口以一定的体积流速进入扇形液流电池中进行充放电反应，反应完成后由各自的电解液出口以相同的体积流速流出扇形液流电池，该扇形液流电池的电解液进口的弧长大于电解液出口的弧长，因此，电解液进口处的电解液流动的线速度小于电解液出口处的电解液流动的线速度。在利用上述扇形液流电池充放电时，电解液以较小的线流速进入扇形液流电池后，虽然随着反应的进行，反应离子浓度会逐渐变小，但是同时由于扇形液流电池的反应区域也是沿电解液的流动方向逐渐减小的，那么其所需参与反应的离子的量也是逐渐减小的，而且在电解液出口处的电解液流动的线速度较大，提高了反应离子的对流输运效率能够及时补充反应所需离子，因此可以保证整个扇形液流电池的离子反应的均匀性，减少了电解液的浓差极化，提高了电池的充放电效率。
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中图I示出了根据现有技术的液流电池的立体结构示意图；图2示出了图I所示的液流电池的俯视图，其中箭头的指向表明电解液的流动方向；图3示出了根据本发明的一种优选的实施例的扇形液流电池的立体结构示意图， 图中实线箭头示出了正极电解液的流动方向，虚线箭头示出了负极电解液的流动方向；图4示出了图3中所示出的扇形液流电池的双极板的结构示意图；图5示出了图3中所示出的扇形液流电池的正极半电池的液流框的结构示意图；图6示出了图3中所示出的扇形液流电池的负极半电池的液流框的结构示意图；图7示出了根据本发明的一种优选实施例的扇形液流电池堆的组合单元的结构示意图；以及图8示出了根据本发明的一种优选实施例的圆形液流电池堆的立体结构示意图，图中实线箭头示出了正极电解液的流动方向，虚线箭头示出了负极电解液的流动方向。
具体实施例方式需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。如图3和图4所示，在本发明一种典型的实施方式中，提供了一种扇形液流电池，该扇形液流电池包括扇形的离子交换膜I、扇形的半电池，该半电池包括正极半电池和负极半电池，正极半电池和负极半电池相对地设置在离子交换膜I的两侧，正极半电池和负极半电池分别具有扇形的电解液进口 41和扇形的电解液出口 42，电解液进口 41靠近并平行于具有其的半电池长弧边缘设置，电解液出口 42靠近并平行于具有其的半电池短弧边缘设置，且电解液进口 41的弧长大于电解液出口 42的弧长。正极电解液和负极电解液均通过各自的电解液进口 41以一定的体积流速进入扇形液流电池中进行充放电反应，反应完成后由各自的电解液出口 42以相同的体积流速流出扇形液流电池，该扇形液流电池的电解液进口 41的弧长大于电解液出口 42的弧长，因此，电解液进口 41处的电解液流动的线速度小于电解液出口 42处的电解液流动的线速度。在利用上述扇形液流电池充放电时，电解液以较小的线流速进入扇形液流电池后，虽然随着反应的进行，反应离子浓度会逐渐变小，但是同时由于扇形液流电池的反应区域也是沿电解液的流动方向逐渐减小的，那么其所需参与反应的离子的量也是逐渐减小的，而且在电解液出口 42处的电解液流动的线速度较大，提高了反应离子的对流输运效率能够及时补充反应所需离子，因此可以保证整个扇形液流电池的离子反应的均匀性，减少了电解液的浓差极化，提高了电池的充放电效率。如图3所示，为了便于电解液顺利地通过离子交换膜I并尽可能简化电池的结构，优选上述扇形液流电池的离子交换膜I上设置有与电解液进口 41和电解液出口 42位置对应且相匹配的电解液通孔。如图3至图6所示，在本发明的一种优选的实施例中，上述扇形液流电池的正极半电池和负极板电池分别包括液流框3、多孔电极2和双极板4，液流框3设置在离子交换膜I的一侧，具有扇形的容纳空间；多孔电极2嵌设在液流框3的容纳空间内；双极板4设置在液流框3远离离子交换膜I的一侧，电解液进口 41和电解液出口 42设置在双极板4上，液流框3具有与电解液进口 41和电解液出口 42位置对应且连通的电解液导入口和电解液导出口。具有上述结构的扇形液流电池的结构紧凑，电解液由电解液进口 41进入后再通过液流框3上的电解液导入口进入多孔电极2中进行充放电反应，电解液完成之后再依次经过电解液导出口和电解液出口流出扇形液流电池，在该扇形液流电池中电解液的流量易于控制。如图5和图6所示，当多孔电极3与电解液导入口和电解液导出口之间相互间隔时，优选各液流框3还具有导流通道，导流通道设置在液流框3的电解液导入口与多孔电极 2之间以及电解液导出口与多孔电极2之间。为了简化液流框3的制作过程，优选导流通道为由液流框3的靠近双极板4侧面向与靠近离子交换膜I的侧面凹陷的导流槽。如图5和图6所示，在本发明另一种优选的实施例中，上述扇形液流电池的正极半电池的液流框3的电解液导入口包括正极电解液导入口 31、电解液导出口包括正极电解液导出口 32、导流通道为正极电解液导流通道33，正极半电池的液流框3还包括第一正极密封条，正极电解液导入口 31、正极电解液导出口 32和正极电解液导流通道33密封在第一正极密封条围成的区域中；负极半电池的液流框3的电解液导入口包括负极电解液导入口34、电解液导出口包括负极电解液导出口 35、导流通道为负极电解液导流通道36，负极半电池的液流框3还包括第一负极密封条,负极电解液导入口 34、负极电解液导出口 35和负极电解液导流通道36密封在第一负极密封条围成的区域中。将液流框3上正极电解液流经的位置采用第一正极密封条密封起来、负极电解液流经的位置采用第一负极密封条密封起来，避免了正极电解液的外泄造成电池效率降低。如图5和图6所示，在本发明另一种优选的实施例中，上述扇形液流电池的正极半电池的液流框3还包括第一负极电解液导流口 371和第二负极密封条,第一负极电解液导流口 371密封在第二负极密封条围成的区域中；负极半电池的液流框3还包括第一正极电解液导流口 381和第二正极密封条，第一正极电解液导流口 381密封在第二正极密封条围成的区域中。为了进一步说明上述实施例中的扇形液流电池的结构，以下以由扇形液流电池的同一端供液为例结合电解液的流动说明上述的扇形液流电池的结构，当正极电解液由正极半电池的双极板4上的正极电解液进液口进液时，正极电解液会依次穿过正极半电池的液流框3的正极电解液导入口 31、正极电解液导流通道33进入正极半电池的多孔电极2进行反应，然后再依次通过正极电解液导流通道33、正极电解液导出口 32、离子交换膜I的正极电解液通孔进入负极半电池的液流框3的第一正极电解液导流口 381、负极半电池的双极板4的负极电解液出口流出；当负极电解液由正极半电池的双极板4的负极电解液进液口进液时，负极电解液会依次穿过正极半电池的液流框3的第一负极电解液导流口 371、离子交换膜I的负极电解液通孔进入负极半电池的液流框3的负极电解液导入口 34，然后经同一液流框3上的负极电解液导流通道36进入负极半电池的多孔电极2进行反应，反应完成后依次经负极半电池的液流框3上的负极电解液导流通道36、负极电解液导出口 35、负极半电池的双极板4的负极电解液出口流出。本发明为了进一步优化电解液进入多孔电极2的均匀性，优选各液流框3的容纳空间的两个弧形边缘均具有台阶部39，台阶部39的一个表面与液流框3的靠近离子交换膜I的侧面在同一平面上，多孔电极2与台阶部39的内边缘抵接，且台阶部39的深度与导流槽的深度相同。电解液由电解液导入口导入后，经过台阶部39的分散作用，以一种更均匀的状态流入多孔电极2中。 在考虑到如何设置才能方便准确地对电解液进行控制，优选扇形液流电池的圆心角为锐角。如图7所示，在本发明另一种典型的实施方式中，提供了一种扇形液流电池堆，该扇形液流电池堆包括一个或多个上述的扇形液流电池，且以依次排列的扇形液流电池的离子交换膜I、扇形液流电池的正极半电池的多孔电极2和液流框3、扇形液流电池的双极板4、扇形液流电池的负极半电池的多孔电极2和液流框3为组合单元重复排列，多孔电极2嵌设在与其对应的液流框3中，正极半电池的液流框3还包括第二负极电解液导流口 372和第三负极密封条,第二负极电解液导流口 372密封在第三负极密封条围成的区域中；负极半电池的液流框3还包括第二正极电解液导流口 382和第三正极密封条，第一正极电解液导流口 382密封在第三正极密封条围成的区域中。当扇形液流电池堆具有多个扇形液流电池时，为了便于电解液连续通过各扇形液流电池，所以在液流框3上设置了第二负极电解液导流口 372和第二正极电解液导流口382，在本法的各扇形液流电池的反应均匀性得到提高的基础上，包括其的扇形液流电池堆的反应均匀性也得到了改善，从而减少了电解液的浓差极化，提高了电池堆的充放电效率。如图8所示，在本发明另一种典型的实施方式中，提供了一种圆形液流电池堆，该圆形液流电池堆包括多个上述的扇形液流电池堆。将上述的扇形液流电池堆按照图8所示的方式组装形成圆形的液流电池堆，增加了电池堆的集成度和电池堆的效率。在本发明又一种优选的实施例中，上述圆形液流电池堆还包括正极进液管道5、负极进液管道6、正极出液管道7和负极出液管道8，正极进液管道5设置在圆形液流电池堆的第一端部下方与电解液进口 41对应的位置，向扇形液流电池堆提供正极电解液；负极进液管道6设置在圆形液流电池堆的第一端部且位于正极进液管道5的正下方或正上方，向扇形液流电池堆提供负极电解液；正极出液管道7设置在圆形液流电池堆的第二端部的上方与电解液出口 42对应的位置，将完成反应的正极电解液导出扇形液流电池堆；负极出液管道8设置在圆形液流电池堆的第二端部且位于正极出液管道7的正上方或正下方，将完成反应的负极电解液导出扇形液流电池堆。将正极进液管道5和负极进液管道6设置在靠近电解液进口的圆形液流电池的外部有利于向液流电池堆提供电解液，为了便于将电解液输送至电池内，可以从正极进液管道5和负极进液管道6上设置与相应的电解液进口向匹配的开口或者利用引流管道将电解液引流至电解液进口 ；同样，将正极出液管道7和负极出液管道8设置在第二端部的上方与电解液出口 42对应的位置，便于将电解液及时地引流出扇形液流电池堆。
为了使电解液以统一的状态进入各扇形电池堆，优选正极进液管道5、负极进液管道6、正极出液管道7和负极出液管道8均为与圆形液流电池堆同轴设置的圆环形的管道。以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技 术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种扇形液流电池，其特征在于，所述扇形液流电池包括 扇形的离子交换膜⑴； 扇形的半电池，包括正极半电池和负极半电池，所述正极半电池和所述负极半电池相对地设置在所述离子交换膜(I)的两侧，所述正极半电池和所述负极半电池分别具有扇形的电解液进口(41)和扇形的电解液出口(42)，所述电解液进口(41)靠近并平行于具有其的所述半电池长弧边缘设置，所述电解液出口(42)靠近并平行于具有其的所述半电池短弧边缘设置，且所述电解液进口(41)的弧长大于所述电解液出口(42)的弧长。
2.根据权利要求I所述的扇形液流电池，其特征在于，所述离子交换膜(I)上设置有与所述电解液进口(41)和电解液出口(42)位置对应且相匹配的电解液通孔。
3.根据权利要求I所述的扇形液流电池，其特征在于，所述正极半电池和所述负极板电池分别包括 液流框(3)，设置在所述离子交换膜(I)的一侧，具有扇形的容纳空间； 多孔电极(2)，嵌设在所述液流框(3)的容纳空间内； 双极板(4)，设置在所述液流框(3)远离所述离子交换膜(I)的一侧，所述电解液进口(41)和所述电解液出口(42)设置在所述双极板(4)上，所述液流框(3)具有与所述电解液进口(41)和所述电解液出口(42)位置对应且连通的电解液导入口和电解液导出口。
4.根据权利要求3所述的扇形液流电池，其特征在于，各所述液流框(3)还具有导流通道，所述导流通道设置在所述液流框(3)的电解液导入口与所述多孔电极(2)之间以及电解液导出口与所述多孔电极(2)之间。
5.根据权利要求4所述的扇形液流电池，其特征在于，所述导流通道为由所述液流框(3)的靠近所述双极板(4)侧面向与靠近所述离子交换膜(I)的侧面凹陷的导流槽。
6.根据权利要求5所述的扇形液流电池，其特征在于， 所述正极半电池的液流框(3)的电解液导入口包括正极电解液导入口(31)、电解液导出口包括正极电解液导出口(32)、所述导流通道为正极电解液导流通道(33)，所述正极半电池的液流框(3)还包括第一正极密封条，所述正极电解液导入口(31)、所述正极电解液导出口(32)和所述正极电解液导流通道(33)密封在所述第一正极密封条围成的区域中； 所述负极半电池的液流框(3)的电解液导入口包括负极电解液导入口(34)、电解液导出口包括负极电解液导出口(35)、所述导流通道为负极电解液导流通道(36)，所述负极半电池的液流框(3)还包括第一负极密封条，所述负极电解液导入口(34)、所述负极电解液导出口(35)和所述负极电解液导流通道(36)密封在所述第一负极密封条围成的区域中。
7.根据权利要求6所述的扇形液流电池，其特征在于， 所述正极半电池的液流框(3)还包括第一负极电解液导流口(371)和第二负极密封条，所述第一负极电解液导流口(371)密封在所述第二负极密封条围成的区域中； 所述负极半电池的液流框(3)还包括第一正极电解液导流口(381)和第二正极密封条，所述第一正极电解液导流口(381)密封在所述第二正极密封条围成的区域中。
8.根据权利要求5所述的扇形液流电池，其特征在于，各所述液流框(3)的容纳空间的两个弧形边缘均具有台阶部(39)，所述台阶部(39)的一个表面与所述液流框(3)的靠近所述离子交换膜(I)的侧面在同一平面上，所述多孔电极(2)与所述台阶部(39)的内边缘抵接，且所述台阶部(39)的深度与所述导流槽的深度相同。
9.根据权利要求I至8任一项所述的扇形液流电池，其特征在于，所述扇形液流电池的圆心角为锐角。
10.一种扇形液流电池堆，其特征在于，所述扇形液流电池堆包括一个或多个权利要求I至8中任一项所述的扇形液流电池，且以依次排列的所述扇形液流电池的离子交换膜(I)、所述扇形液流电池的正极半电池的多孔电极(2)和液流框(3)、所述扇形液流电池的双极板(4)、所述扇形液流电池的负极半电池的多孔电极(2)和液流框(3)为组合单元重复排列，所述多孔电极(2)嵌设在与其对应的所述液流框(3)中， 所述正极半电池的液流框(3)还包括第二负极电解液导流口(372)和第三负极密封条，所述第二负极电解液导流口(372)密封在所述第三负极密封条围成的区域中； 所述负极半电池的液流框(3)还包括第二正极电解液导流口(382)和第三正极密封条，所述第一正极电解液导流口(382)密封在所述第三正极密封条围成的区域中。
11.一种圆形液流电池堆，其特征在于，所述圆形液流电池堆包括多个如权利要求10所述的扇形液流电池堆。
12.根据权利要求11所述的圆形液流电池堆，其特征在于，所述圆形液流电池堆还包括正极进液管道(5)，设置在所述圆形液流电池堆的第一端部的下方与所述电解液进口(41)对应的位置，向所述扇形液流电池堆提供正极电解液； 负极进液管道出)，设置在所述圆形液流电池堆的第一端部且位于所述正极进液管道(5)的正下方或正上方，向所述扇形液流电池堆提供负极电解液； 正极出液管道(7)，设置在所述圆形液流电池堆的第二端部的上方与所述电解液出口(42)对应的位置，将完成反应的正极电解液导出所述扇形液流电池堆； 负极出液管道(8)，设置在所述圆形液流电池堆的第二端部且位于所述正极出液管道(7)的正上方或正下方，将完成反应的负极电解液导出所述扇形液流电池堆。
13.根据权利要求12所述的圆形液流电池堆，其特征在于，所述正极进液管道(5)、负极进液管道(6)、正极出液管道(7)和负极出液管道(8)均为与所述圆形液流电池堆同轴设置的圆环形的管道。
全文摘要
本发明提供了一种扇形液流电池、扇形液流电池堆及圆形液流电池堆。该扇形液流电池包括扇形的离子交换膜；扇形的半电池，半电池包括正极半电池和负极半电池，正极半电池和负极半电池相对地设置在离子交换膜的两侧，正极半电池和负极半电池分别具有扇形的电解液进口和扇形的电解液出口，电解液进口靠近半电池长弧边缘设置，电解液出口靠近半电池短弧边缘设置，且电解液进口的弧长大于电解液出口的弧长。本申请的扇形液流电池的电解液进口的弧长大于电解液出口的弧长，因此，电解液进入的线速度小于电解液流出的线速度，在进行充放电时，沿电解液流动方向，反应离子浓度变小且反应区域减小，所需的离子减少，浓差极化减小，充放电效率提高。
文档编号H01M8/24GK102931426SQ20121042804
公开日2013年2月13日 申请日期2012年10月31日 优先权日2012年10月31日
发明者殷聪, 汤浩, 宋彦斌, 杨海玉, 高 玉, 谢光有 申请人:中国东方电气集团有限公司