一种电堆设计方法及一种液流电池

技术领域

本申请涉及液流电池技术领域，具体涉及一种电堆设计方法及一种液流电池。

背景技术

目前，液流电池是由电堆单元、电解液、电解液存储供给单元以及管理控制单元等部分构成，是利用正负极电解液分开，各自循环的一种高性能蓄电池，具有容量高、使用领域广、循环使用寿命长的特点，是一种新能源产品。

现有技术中的液流电池电堆电流经过集流板收集之后，通过集流板一端的极耳进行电流的输入和输出。但是在液流电池工作时，通过电子的传输产生电流，但是在电子经过双极板最终汇入集流板由极耳输入/出的过程中，电子传输不止有横向电阻，还会有纵向电阻的阻碍，横向电阻是进行电化学反应产生的电流在集流体厚度方向上的电阻，纵向电阻是电化学反应发生的位置到极耳路线上的电阻。产生的电阻会增大，造成更多的能量损耗，还会有极耳发热等危险因素。。

发明内容

针对现有技术中存在的缺陷，本申请的目的在于提供一种电堆设计方法及一种液流电池，以解决相关技术中电流发热的问题。

为达到以上目的，一方面，采取的技术方案是：

本申请提供一种电堆设计方法，用于液流电池中电堆的设计，包括：

根据集流体的面积以及电解液的流动方式，在集流体的侧面设置多个极耳。

通过采用上述技术方案，在集流体侧面设置多个极耳，收集不同位置的电流，缩短电流传输过程中电子的传导距离，并有效减少电子的纵向传输，减小电阻。

优选的，具体包括下述步骤：

根据隔膜的反应区域在集流体上划出第一区域；

根据电解液反应量在第一区域上划分出多个第二区域；

在第二区域的几何中心设置第二极耳。

通过采用上述技术方案，第二极耳一般需要从端板上穿出，再外接电缆进行充放电。

优选的，所述根据电解液反应量在第一区域上划分出多个第二区域，具体包括下述步骤：

测算出电解液流动状态和电解液在集流体上的反应速率方程；

在第一区域上划分出多个第二区域，所述第二区域的形状使得每个区域内的电解液反应量相同，所述电解液反应量由第二区域的形状、电解液流动状态和电解液在集流体上的反应速率方程决定。

通过采用上述技术方案，电解液的流动状态一般依靠仿真法和技术经验确定，电解液的反应速率方程可以通过电化学试验确定，这样就可以推算出电解液在集流体各处的电解液反应量，然后在第一区域上划界，使得每个第二区域内电解液反应量尽可能的相同，同时考虑到实际电子流通路径，将第二区域设置成近似正多边形的形状，例如接近于正方形的矩形或者接近于正三角形的锐角三角形。此外边角处流速很慢的部分可以近似视作不反应区域。一般而言，对于流速不太大的液流电池来说，可以近似视作均匀反应，将第一区域平均划分为四块。

优选的，还包括下述步骤：

在第一区域的几何中心设置第一极耳。

通过采用上述技术方案，第一极耳一方面充当电流集中运输的载体，另一方面也充作其他极耳损坏时的临时备件。

优选的，还包括下述步骤：

在每个极耳上设置电压传感器和电流传感器。

通过采用上述技术手段，不同区域的小极耳除降低电阻外，还可以有效的对不同区域位置的电位和电流进行监测和汇总，以便于控制人员进行调整，使电堆在运行过程中电压和电流稳定。

本申请还提供一种液流电池，包括：所述液流电池的集流体上设置有多个极耳，所述极耳按照前述的电堆设计方法设计。

优选的，所述极耳上还设置有电压传感器和电流传感器

优选的，所述极耳包括第一极耳和第二极耳；

所述第一极耳设置在第一区域的几何中心，所述第一区域根据隔膜的反应区域在集流体上划分得到；

所述第二极耳设置在第二区域的几何中心，所述第二区域根据电解液反应量在第一区域上划分得到。

本申请提供的技术方案带来的有益效果包括：

本申请的电堆设计方法及一种液流电池，常规结构中，充放电过程中电子的传输分纵向和横向，产生的电阻会增大，造成更多的能量损耗，还会有极耳发热等危险因素。并且无法监控不同区域的电位和电流分布。而通过本方案的结构设计，电流通过不同区域的极耳集流点进行交汇，并且可检测该区域的电压和电流信号，还可缓解由于不同区域电解液浓度差异所引起的电堆性能衰减，对于电堆的集成，系统的搭建都非常有利。且电堆集成越大，电流越大的情况下该结构的作用越明显。

将本方法应用于单电池，与传统方式对比，极耳电阻大约降低30％-40％左右，并且充放电过程稳定性明显增强，可以有效降低电堆内阻，并缓解电解液浓差极化的影响，基于液流储能系统大规模的特点，在大电流集成下，与传统方式相比，该方法优势明显。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请中一个液流电池的电堆的结构示意图。

附图标记：1、第一极耳；2、第二极耳。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

本申请中，提供一种电堆设计方法的实施例，包括下述步骤：

S1.根据隔膜的反应区域在集流体上划出第一区域。具体的，隔膜和集流体都会预留一部分区域用来黏附胶液以将单电池压合，虽然这一部分集流体也会有导电作用，但是对于电池的电化学反应来说影响十分微小，所以在设计时仅需要考虑化学反应的部分即可。

S2.根据电解液反应量在第一区域上划分出多个第二区域。具体的，电解液反应量直接测量是比较困难的，但是间接的标准有很多方法。例如，可以在仅有一个单电池的电堆中，将端板拆去利用其他方式将单电池紧固，然后测量单电池极板的各点的电流密度，然后根据电流和库伦量之间的关系、电极反应式中电子转换量以及电子和库伦量之间的关系，将电流密度转换为反应速率，进而得到单位面积的反应量。

S3.在第二区域的几何中心设置第二极耳2。

其中步骤S2还包括：

S21.测算出电解液流动状态和电解液在集流体上的反应速率方程。具体的，较为方便快捷的方法是仿真法，通过仿真模拟测算出电池内部电解液的流动状态，反应速率方程则是通过对电极进行电化学试验测得。

S22.在第一区域上划分出多个第二区域，所述第二区域的形状使得每个区域内的电解液反应量相同，所述电解液反应量由第二区域的形状、电解液流动状态和电解液在集流体上的反应速率方程决定。具体的，没有设计流道的单电池中电解液的流动状态类似于一个纺锤形，以与图1相同进出液管道通道的单电池为例，是从右上角流向左下角，而从左上角到右下角之间的连线上反应量最大，其余其余反应量小，因为第二极耳2所影响到的范围主要是以极耳为中心的接近圆形的区域内，在第二区域形状过于狭长时，这个第二区域并不能很好的表示周围的反应，同时考虑到划分区域的简易性，所以划分的第二区域主要是以接近正方形的矩形为宜。而还有一些实施例中，例如图1，通过在单电池内设计流道，以改变电解液的流向，此时就需要根据实际流向来进行设计。图1所示的实施例中，流道是在反应区域上方均匀散开，使得图1所示实施例中的电解液在反应区域内的流向为自上而下均匀流动。

所述步骤S1还包括在第一区域的几何中心设置第一极耳1，如图1所示，第一极耳1主要是对其他极耳起到一个备件的作用，在第二极耳2部分或全部损坏时，不至于导致电池无法运行，由于电解液的流动通常具有以反应区域的中心为对称点的对称性，所以将第一极耳1设置在第一区域的中心，以保证距离所有第二极耳2都足够接近。

设置完成所有极耳后，还在每个极耳上设置电压传感器和电流传感器，用来监测极耳的电位和电流，进行互相对比以及和历史数据的对比，以探测液流电池内部是否出现故障。并且，电堆还可根据不同极耳区域浓度差异所引起的电位差异，自行调节电流输出，缓解浓差极化，并有效避免因存在电位过高/低区域，产生析氧/氢等副反应。

本申请还提供一种液流电池的实施例，具体参见图1，液流电池包括端板、单电池、第一极耳1和第二极耳2。两块端板之间夹着单电池构成夹心饼干形状，而两块端板之间还通过多个平行排列的紧固杆连接，以将单电池压实。所有的第二极耳2通过导线连接到第一极耳1的主电缆上。因为本实施例的单电池中，液流框的形状经过设计，电解液是自上而下均匀下降，所以将第一区域划分为均等四块，在四块的中心设置第二极耳2，在第一区域的中心设置第一极耳1。同时第一极耳1和第二极耳2上都设置电压传感器和电流传感器，分别用以测量电位和电流大小，并且可以互相对比以间接探查内部电解液流动状态。第一极耳1上的电压传感器和电流传感器除了用来监测电位和电流以外，还可以与其余第二极耳2的电位和电流进行比较，以探查第二极耳2是否故障。

而本实施例与主体结构仅极耳采用传统结构的电堆相比，电阻由24mΩ降低至15mΩ，并且充放电过程稳定性明显增强，证明本实施例可以有效降低电堆内阻，并缓解电解液浓差极化的影响，基于液流储能系统大规模的特点，在大电流集成下，与传统方式相比，本实施例优势明显。

在本申请的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

需要说明的是，在本申请中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅是本申请的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所申请的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。