CN102136593A - 一种绝缘板进液的液流电池电堆结构及包含此电堆的液流电池 - Google Patents

一种绝缘板进液的液流电池电堆结构及包含此电堆的液流电池 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种绝缘板进液的液流电池电堆结构及包含此电堆的液流电池，所述的电堆结构包括两块端板1、两块多流道绝缘板2、两块主集流板3和单电池组4；多流道绝缘板2上设置了电解液进出口5和嵌入式流道6。本发明还涉及一种电堆的组合方式，由此组合方式组成的电堆组包括两块端板1、两个或两个以上子电堆13；所述子电堆13为上述电堆结构去掉端板部分。本发明所述电堆结构，电解液由绝缘板的孔洞和流道进出电堆，电堆端板只起到固定电堆的作用，这大大降低了对于电堆端板的加工精度要求，减小了电堆的组装难度。同时，该电堆结构还具有易于组合的优点，采用本发明提供的电堆组合方式，可以简单方便的组装不同规模的电堆组。

Description

一种绝缘板进液的液流电池电堆结构及包含此电堆的液流电池
技术领域
本发明涉及液流电池的制造领域，特别涉及液流电池电堆结构的设计和制造。
背景技术
化石能源的日益枯竭以及由于过度使用化石能源而引起的严重环境污染，使研究和大规模利用可再生能源成为世界各国能源安全和可持续发展的重要战略。可再生能源（如风能、太阳能、海洋能及小水电等）发电具有不稳定和不连续的特点，需要开发和建设配套的储能***来保证可再生能源发电和供电的连续和平稳，特别是对大型风电并网进行调峰和调频，来保证电网发电的质量。在已有的储能方案中，液流电池（Flow Redox Cell）由于具有能量效率高、蓄电容量大、选址自由和成本低廉等优点，被认为是最有希望应用于大规模储能蓄电场合的储能方案。此外，高效液流电池还可用于火力发电及核电站电网的“削峰填谷”；自然灾害、战争等非常时期的应急电源，重要军事基地的备用电站等；经过特殊设计和制造，它还可代替铅酸蓄电池用做潜艇潜航的动力电源。
液流电池是由Thaller.L.H.（NASA Lewis Research Center, Cleveland, United States）于1974年提出的一种电化学储能概念。液流电池由电堆、电解质溶液和电解液储供体系等部分组成。与通常蓄电池中活性物质被包含在电池的正、负极内不同，液流电池中的正、负极活性物质分别溶解于电解质溶液中，并储存在两个储液罐中。电池工作时，正、负极电解质溶液在泵的驱动下从储液罐流入电堆，在惰性电极上发生氧化-还原反应，然后流出电堆返回储液罐。通过电解质溶液在电池中的循环流动，完成电能与化学能的相互转换，实现储能和供电。
电堆是液流电池的核心之一。一般的，液流电池的电堆采用双极堆式结构，单个电堆由多个进行氧化-还原反应，实现充、放电过程的单电池组成，相邻两单电池共用一块双极性集流板，多个单电池通过压滤机方式串联组装成电堆。电解液在泵的驱动下进入电堆后，通过电堆中布置的流道分配给各单电池。一般的，电堆的电解液进、出口设置在端板上。端板的主要作用是将电堆层叠的单电池组件（如电解液导流框、双极板、电极和隔膜等）固定压紧，它是电堆最主要的受力单元。端板进液模式需要在端板上打孔，同时要求端板具有较高的表面平整度，使得端板与单电池组之间紧密接触，从而保证电解液不会由端板与单电池组的缝隙漏出，而影响整个电堆的密封效果。因此，端板进液模式对于电堆端板的机械加工精度和电堆的组装精度提出较高要求，给电堆的生产制造增加了难度。
发明内容
为了解决端板进液模式的不足之处，本发明提供了一种绝缘板进液的液流电池电堆结构及包含此电堆的液流电池，与端板进液模式相比，绝缘板进液模式大大降低了电堆组件的加工难度和电堆的组装难度。
为实现上述目的，本发明的技术方案是：本发明涉及的液流电池电堆包括两块端板1、两块多流道绝缘板2、两块主集流板3和单电池组4；多流道绝缘板2上设置了电解液进出口5和嵌入式流道6。
本发明所述的端板1由高机械强度的金属制成，包括但不限于钢板或铝板，厚度为1~8cm；其对电堆起到固定压紧作用。
本发明所述的多流道绝缘板2由耐腐蚀的电子绝缘材料制成，包括但不限于PE、PVC或PP；其厚度为1~10cm，高度和宽度与单电池组的单电池相同；其厚度方向侧面上设置有电解液进出口5，此口与液流电池的电解液输送管路相连，是电解液进出电堆的通道；其高度和宽度方向侧面上设置有电解液流通口7，此口与电池组的主流道相通；电解液进出口5和电解液流通口7由L形嵌入式流道6相通，其直径为1~5cm。
本发明所述的主集流板3是电堆与外电路的电子传输接口，由具有高电子导电率的材料制成，包括但不限于铜板或石墨板；其面积与单电池组4的单电池电极面积相同，或其长、宽边比电极长、宽边各增加0.1~1cm。
本发明所述的单电池组4由至少两个单电池8串联组成，每个单电池由电解液导流框9、双极板10、电极11和隔膜12组成；所述电解液导流框9由耐腐蚀的电子绝缘材料制成，包括但不限于PE、PVC或PP；所述双极板10为导电塑料板或石墨板；电解液导流框9与双极板10之间为机械连接或激光焊接；所述电极11为石墨毡或石墨板，电极面积为100~20000cm2；所述隔膜12可选用阴离子交换膜、阳离子交换膜、复合膜、PP毡、微孔玻璃纤维膜或超分子微孔PE膜；所述单电池8的厚度为0.5~3cm，所述单电池组4的功率为0.1~500kW。
本发明还涉及一种电堆的组合方式，由此组合方式组成的电堆组包括两块端板1、两个或两个以上子电堆13；所述子电堆13为上述电堆结构去掉端板部分；电堆的组合方式为各子电堆沿多流道绝缘板法线方向排列形成一列，相邻两个子电堆的多流道绝缘板背靠背贴紧，电堆组两端以端板固定；各子电堆间电路可以串联也可以并联。
本发明还涉及包含此电堆结构的液流电池。
本发明的优点和积极效果表现为：本发明所提供的绝缘板进液的液流电池电堆结构，电解液由绝缘板的孔洞和流道进出电堆，电堆端板只起到固定电堆的作用，这大大降低了对于电堆端板的加工精度要求，减小了电堆的组装难度。同时，该电堆结构还具有易于组合的优点，采用本发明提供的电堆组合方式，可以简单方便的组装不同规模的电堆组。
附图说明
图1是绝缘板进液的液流电池电堆的结构示意图；
图2是绝缘板进液的液流电池电堆的分解结构示意图；
图3是绝缘板进液的液流电池电堆的多流道绝缘板的结构示意图；
图4是由绝缘板进液的液流电池子电堆组成的电堆组的结构示意图；
图5是液流电池的结构示意图。
附图中标识：1-多流道端板；2-多流道绝缘板；3-主集流板；4-单电池组；5-电解液进出口；6-嵌入式流道；7-电解液流通口；8-单电池；9-电解液导流框；10-双极板；11-电极；12-隔膜；13-子电堆；14-电堆；15-正极电解液储液罐；16-负极电解液储液罐；17-泵。
具体实施方案
采用本发明提供的液流电池电堆结构设计制造电堆，其要点是电堆包括两块端板1、两块多流道绝缘板2、两块主集流板3和单电池组4；多流道绝缘板2上设置了电解液进出口5和嵌入式流道6。端板1由高机械强度的金属制成，包括但不限于钢板或铝板，厚度为1~8cm。多流道绝缘板2由耐腐蚀的电子绝缘材料制成，包括但不限于PE、PVC或PP；其厚度为1~10cm，高度和宽度与单电池组的单电池相同；其厚度方向侧面上设置有电解液进出口5；其高度和宽度方向侧面上设置有电解液流通口7；电解液进出口5和电解液流通口7由L形嵌入式流道6相通，其直径为1~5cm。主集流板3由具有高电子导电率的材料制成，包括但不限于铜板或石墨板；其面积与单电池组4的单电池电极面积相同，或其长、宽边比电极长、宽边各增加0.1~1cm。单电池组4由至少两个单电池8串联组成，每个单电池由电解液导流框9、双极板10、电极11和隔膜12组成；所述电解液导流框9由耐腐蚀的电子绝缘材料制成，包括但不限于PE、PVC或PP；所述双极板10为导电塑料板或石墨板；电解液导流框9与双极板10之间为机械连接或激光焊接；所述电极11为石墨毡或石墨板，电极面积为100~20000cm2；所述隔膜12可选用阴离子交换膜、阳离子交换膜、复合膜、PP毡、微孔玻璃纤维膜或超分子微孔PE膜；所述单电池8的厚度为0.5~3cm，所述单电池组4的功率为0.1~500kW。由此电堆结构组成的电堆组包括两块端板1、两个或两个以上子电堆13；所述子电堆13为上述电堆结构去掉端板部分；电堆的组合方式为各子电堆沿多流道绝缘板法线方向排列形成一列，相邻两个子电堆的多流道绝缘板背靠背贴紧，电堆组两端以端板固定；各子电堆间电路可以串联也可以并联。
将此电堆结构应用于全钒离子氧化还原液流电池，电池充放电时，在电极表面发生如下反应：
正极：
VO2+＋2H++ e ←→ VO2+＋H2O
负极：
V2+ ←→ V3+＋e
按照图4的结构组装电池，并进行性能测试。
实施例1
端板为钢板，厚度为3cm；多流道绝缘板为PE板，厚度为5cm，面积为60cm×40cm，嵌入式流道直径为1.5cm；主集流板为铜板，面积与单电池电极面积相同；单电池组中单电池数量为10节，电解液导流框由PE制成，双极板为导电塑料板，电解液导流框与双极板之间为激光焊接，电极为石墨毡，面积为2000cm2，隔膜选用阳离子交换膜，单电池的厚度为1.5cm，子电堆功率为2.5kW。制备的全钒离子氧化还原液流电池容量为10kWh。在80mA/cm2的充放电条件下，电池的电压效率为83%，能量效率为82.5%，运行100次循环后其容量衰减率为0.5%。
实施例2
端板为钢板，厚度为3cm；多流道绝缘板为PE板，厚度为5cm，面积为80cm×60cm，嵌入式流道直径为2cm；主集流板为铜板，面积与单电池电极面积相同；单电池组中单电池数量为20节，电解液导流框由PE制成，双极板为导电塑料板，电解液导流框与双极板之间为激光焊接，电极为石墨毡，面积为4000cm2，隔膜选用阳离子交换膜，单电池的厚度为1.5cm，子电堆功率为5kW。制备的全钒离子氧化还原液流电池容量为20kWh。在80mA/cm2的充放电条件下，电池的电压效率为81%，能量效率为80%，运行100次循环后其容量衰减率为0.5%。
实施例3
以2个实施例1所述的电堆，采用本发明所述的电堆组合方式组成电堆组。电堆间电路采用串联方式，电堆组功率为5kW。在80mA/cm2的充放电条件下，电池的电压效率为81.5%，能量效率为80%，运行100次循环后其容量衰减率为0.5%。

Claims (7)

1.一种绝缘板进液的液流电池电堆结构，其特征在于：电堆包括两块端板1、两块多流道绝缘板2、两块主集流板3和单电池组4；多流道绝缘板2上设置了电解液进出口5和嵌入式流道6。
2.根据权利要求1所述的一种绝缘板进液的液流电池电堆结构，其特征在于：所述的端板1由高机械强度的金属制成，包括但不限于钢板或铝板，厚度为1~8cm。
3.根据权利要求1所述的一种绝缘板进液的液流电池电堆结构，其特征在于：所述的多流道绝缘板2由耐腐蚀的电子绝缘材料制成，包括但不限于PE、PVC或PP；其厚度为1~10cm，高度和宽度与单电池组的单电池相同；其厚度方向侧面上设置有电解液进出口5；其高度和宽度方向侧面上设置有电解液流通口7；电解液进出口5和电解液流通口7由L形嵌入式流道6相通，其直径为1~5cm。
4.根据权利要求1所述的一种绝缘板进液的液流电池电堆结构，其特征在于：所述的主集流板3由具有高电子导电率的材料制成，包括但不限于铜板或石墨板；其面积与单电池组4的单电池电极面积相同，或其长、宽边比电极长、宽边各增加0.1~1cm。
5.根据权利要求1所述的一种绝缘板进液的液流电池电堆结构，其特征在于：所述的单电池组4由至少两个单电池8串联组成，每个单电池由电解液导流框9、双极板10、电极11和隔膜12组成；所述电解液导流框9由耐腐蚀的电子绝缘材料制成，包括但不限于PE、PVC或PP；所述双极板10为导电塑料板或石墨板；电解液导流框9与双极板10之间为机械连接或激光焊接；所述电极11为石墨毡或石墨板，电极面积为100~20000cm2；所述隔膜12可选用阴离子交换膜、阳离子交换膜、复合膜、PP毡、微孔玻璃纤维膜或超分子微孔PE膜；所述单电池8的厚度为0.5~3cm，所述单电池组4的功率为0.1~500kW。
6.一种电堆组合方式，其特征在于：由此组合方式组成的电堆组包括两块端板1、两个或两个以上子电堆13；所述子电堆13为上述电堆结构去掉端板部分；电堆的组合方式为各子电堆沿多流道绝缘板法线方向排列形成一列，相邻两个子电堆的多流道绝缘板背靠背贴紧，电堆组两端以端板固定；各子电堆间电路可以串联也可以并联。
7.包含此电堆结构的液流电池。
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