CN103579641B - 一种液流电池的电堆结构 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种液流电池的电堆结构，包括正极端压板、负极端压板、紧固件，多个液流单电池上下叠加并通过紧固件固定设置在正极端压板和负极端压板之间组成电堆，所述的液流单电池包括双极板，以及夹设在双极板之间的膜电极组件，所述的双极板包括板框和板框的内框内设置的电极板，双极板板框及其内框均为正方形或矩形，双极板板框上设有流体进出孔和流体通道，所述的流体通道包括主流道和支流道，所述的主流道沿双极板板框四周设置，其一端连接流体进出孔，另一端连接支流道，支流道连通内框。与现有技术相比，本发明具有不会自放电，易密封等优点。

Description

一种液流电池的电堆结构
技术领域
本发明涉及一种新能源技术领域，尤其是涉及一种液流电池的电堆结构。
背景技术
利用风能、太阳能等可再生能源发电是人类将来利用新能源发电的最主要的方式。由于风能、太阳能发电过程受自然因素如天气等影响，具有随机性、不连续特点，难于保持稳定的电能输出，需要和一定规模的电能储存装置相配合，构成完整的供电***，保证持续稳定的电能供应。因此，开发电能转化效率高、储存容量大、经济性能好的储能***成为利用新能源发电的技术关键。在与各种形式的储能技术，例如蓄水储能电站、高速飞轮机械储能、超导储能等相比较，电化学储能具有能量转化效率高，可移动性强等特点，在各类储能技术中有独特的优势。在各种电化学储能技术中，液流电池***具有大容量电能储存与高效转化功能，以及使用寿命长、环保、安全的特点，易于和风能、太阳能发电相匹配，可以大幅度降低设备造价，为新能源发电提供技术保证。用于电网***储能，适合于中等规模厂矿企业、宾馆饭店、政府部门的不间断电源使用，能够有效改善电网供电质量，完成电网的“移峰填谷”作用。
全钒液流电池(Vanadium Redox Battery，VRB)是一种新型化学电源，通过不同价态的钒离子相互转化实现电能的储存与释放，使用同种钒元素组成电池***，从原理上避免了正负半电池间不同种类活性物质相互渗透产生的交叉污染。(图1)使用溶解在电解液中不同价态钒离子作为电池正极和负极活性物质，正极电解液和负极电解液分开储存，从原理上避免电池储存过程自放电现象，适合于大规模储能过程应用。正极电解液储槽B和负极电解液储槽A通过磁力泵D为全钒液流电池的正极E和负极E提供电解液，正极E和负极E’通过离子交换膜G隔开，为电源负载C供电。当风能、太阳能发电装置的功率超过额定输出功率时，通过对液流电池的充电，将电能转化为化学能储存在不同价态的离子对中；当发电装置不能满足额定输出功率时，液流电池开始放电，把储存的化学能转化为电能，保证稳定电功率输出。由于液流电池对于风能、太阳能等可再生能源发电过程的重要意义，作为关键技术在国内外得到普遍关注。
全钒液流电池充电/放电运行过程，电极上将发生以下氧化还原反应。
正极反应：
E0＝1.00V
负极反应：
E0＝-0.26V
由于正极电解液和负极电解液分别处于氧化性价态和还原性价态，无论是在电堆内部的充电/放电运行过程，还是电解液输送过程，需要保持正极电解液和负极电解液不发生混合，否则不同价态的钒离子间彼此交换电子产生自放电现象，严重影响电池效率。通常情况，两种电解液输送管路、输送泵，以及储存容器容易实现彼此独立，不产生正极电解液和负极电解液混合问题。然而，电解液在电堆内部流动过程以及流过存储容器的流动过程，存在三种引起正极、负极电解液混合或自放电现象。1)穿过离子交换膜的混合：当离子交换膜对于钒离子阻挡性能欠佳时，电池充电/放电运行过程伴随氢离子迁移，钒离子发生跨膜渗透；可以通过选择合适的膜材料，提高对钒离子/氢离子选择性，解决钒离子跨膜渗透问题。2)穿过电堆密封结构的混合：两种电解液需要同时穿过同一个界面，并分配到电极表面进行电化学反应。电堆密封要保证电解液既不能泄漏到电堆外部，又要确保电堆内部彼此间不串液，特别是在同一个平面上实现离子交换膜和两种电解液同时密封，往往十分困难。现有液流电池技术(中国专利公开号：1531761A，1515046A)采用O型密封环同时压接隔膜和密封电解液方式，进行电堆密封，取得一定效果。然而，该电堆结构密封方式严重依赖于电池板框加工精度和密封材料性能，在长期使用过程中往往因温度变化、离子交换膜尺寸变化等因素，引起两种电解液从密封部位泄漏，产生混合后的自放电问题。3)通过电解液供给各单电池时存在其用电解液进出口总管道，或叫公共管道，导致各电池内部产生旁路电流，导致电池自放电，并造成电池容量部分损失。
为了解决现有液流电池的电堆内部三种电解液从密封部位泄漏、交叉泄漏与减少通过电解液自放电问题，避免电解液交义污染，减少通过电解液自放电，提高库仑效率。专利申请20091007843.2公开了一种液流电池，其正负液流板框及其内框均为正方形或矩形，正负液流框板下部一角设置进液孔，另一角设置过液孔，上部一角设置出液孔，另一角设置过液孔，正、负液流板框上部和下部分别设有进液支路流道和出液支路流道，进液支路流道和出液支路流道均匀由三条长直槽首尾迂回连接构成，成倍增加了进出液支路流道的长度，从而成倍增加了电解液进、出液支路流道的电阻，因而成倍降低了液流电池自放电电流，大大提高了液流电池的能量效率。
但是这种方案，进出流体的公共分配孔都设置在框板上，而公共分配孔要求面积较大，导致框板面积增大，而且公共分配孔流出的电解液并非直接进入电极，而是通过S型进出液支路流道导入的，S型进出液支路流道也设置在框板上，占用面积大，导致框板体积大，浪费材料，而且S型进出液支路流道密封较难，为了使S型流体通道密封，设置了盖板盖住S型流体通道，但是仍然很难密封，尤其是当电池运行，温度升高时，由于热胀冷缩，密封更加困难，容易发生电解液窜流，导致自放电，另外，S型流体通道流量有限，流阻交大，增加了整个液流电池***的电解液输送泵的功耗，从而降低了***效率。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种不会自放电，易密封的液流电池的电堆结构。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种液流电池的电堆结构，包括正极端压板、负极端压板、紧固件，多个液流单电池上下叠加并通过紧固件固定设置在正极端压板和负极端压板之间组成电堆，所述的液流单电池包括双极板，以及夹设在双极板之间的膜电极组件，所述的双极板包括板框和板框的内框内设置的电极板，双极板板框及其内框均为正方形或矩形，双极板板框上设有流体进出孔和流体通道，其特征在于，所述的流体通道包括主流道和支流道，所述的主流道沿双极板板框四周设置，其一端连接流体进出孔，另一端连接支流道，支流道连通内框。
所述的主流道的长度根据电解液的电导率设置，主流道沿双极板板框一边行走设置，其长度为双极板板框一边的长度，或主流道沿双极板板框多边行走设置，其长度为双极板板框多边长度之和，或者主流道沿双极板板框周边循环行走设置。
所述的支流道包括一长直槽和一梳形槽，所述的长直槽一端连通主流道，并通过梳形槽连通内框。
所述的双极板板框由正极板板框和其相邻单电池负极板板框粘合或通过密封圈压合而成，正极板板框和其相邻单电池负极板板框的内框共用一导电板组成双极板，相邻双极板之间设有膜电极组件。
所述的正极板板框正面设置正极支流道，反面设置正极主流道，正极电解液从流体进出孔流至反面的正极主流道后再流至正面的正极支流道，从正极支流道流进内框，所述的正极支流道形状由一长条形直槽与梳形槽构成；所述的负极板板框形状与正极板板框类同，正面设置负极支流道，反面设置负极主流道，负极电解液从流体进出孔流至反面的负极主流道后再流至正面的负极支流道，从负极支流道流进内框，所述的负极支流道形状由一长条形直槽与梳形槽构成。
所述的正极板板框正面设置正极支流道和正极主流道，所述的负极板板框正面设置负极支流道和负极主流道。
所述的正极板板框正面设置正极支流道，反面设置正极主流槽a和负极主流槽a；所述的负极板板框正面设置负极支流道，反面设置与正极板板框反面相对应的正极主流槽b和负极主流槽b，正极板板框与负极板板框的反面粘合或通过密封圈压合在一起形成双极板，位于其夹层中的正极主流槽a与正极主流槽b粘合或压合后形成正极主流道，负极主流槽a与负极主流槽b粘合或压合后形成负极主流道，正极电解液从流体进出孔流至夹层中的正极主流道后再流至正面的正极支流道，从正极支流道流进内框，负极电解液从流体进出孔流至反面的负极主流道后再流至正面的负极支流道，从负极支流道流进内框。
所述的正极主流道和/或负极主流道内设有预埋管。
所述的正极板板框和负极板板框上分别设置至少一条密封槽以及放置密封圈，同一单电池中，正极板板框和负极板板框之间分别压在同一张膜电极组件的离子交换膜两侧，通过密封圈密封；相邻二个单电池中的正极板板框与负极板板框之间分别压在同一导电板上，通过密封圈密封。
所述的膜电极组件由两块碳毡夹设离子交换膜组成，所述的碳毡上设有用于传输电解液的多条等间距分布的流道，所述的板框的材质为塑料材质，包括PP、PE和PVC。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1.在双极板板框上设置沿四周设置流体通道，其长度可根据电解液的导电率决定，通过改变流体通道的长度改变电解液的流经路径从而改变电解液的电阻，比在板框上设置S型流道容易密封，减少泄漏，使自放电减小到最小；
2.流体通道的主流道设置在双极板板框反面，使其与正面参与反应的流体隔开，不会窜流，减少自放电；
3.在主流道内设置预埋管，只要将预埋管头尾密封即可，简单、效果好，减少泄漏和自放电。
附图说明
图1为全钒液流电池原理图；
图2为正极板板框正面示意图；
图3为正极板板框反面示意图；
图4为负极板板框正面示意图；
图5为负极板板框反面示意图；
图6为单电池的结构示意图；
图7为端板的示意图；
图8为液流电池堆的示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例1
如图2-8所示，一种液流电池的电堆结构，由多个液流单电池上下叠加并在上下两端分别设置正极端压板、负极端压板组成，电堆外框尺寸为805mm×805mm，所述的液流单电池包括双极板，以及夹设在双极板之间的膜电极组件，所述的双极板包括板框和板框的内框内设置的电极板，该双极板板框及其内框均为正方形，双极板板框上设有流体进出孔和流体通道，所述的流体通道包括主流道和支流道，所述的主流道沿双极板板框四周设置，其一端连接流体进出孔，另一端连接支流道，支流道连通内框。
如图6所示，所述的双极板板框包括正极板板框1和负极板板框2，正极板板框1的内框中设置导电板组成正极板，负极板板框内设置石墨板3组成负极板，正极板与负极板之间设有膜电极组件组成单电池，所述的膜电极组件由两块碳4毡夹设离子交换膜5组成，所述的碳毡4上设有用于传输电解液的多条等间距分布的流道。
如图2-3所示，所述的正极板板框1正面设置正极支流道11，反面设置正极主流道12，正极支流道11由一长直槽a111和一梳形槽a112组成，所述的长直槽a111一端连通正极主流道12，并通过梳形槽a112连通内框，所述的正极主流道12为绕正极板板框1反面循环设置的流道。正极板板框1相对的两边上设置在正极支流道分别作为电解液进导流槽和电解液出导流槽。正极电解液从进口端的流体进孔13流至反面的正极主流道a121后再流至正面的正极支流道11，从长直槽a111流入，再从梳形槽a112流至内框，流经碳毡上的流道参与反应后，从出口端的梳形槽b114流至长直槽b114，然后从反面的正极主流道b122流至流体出孔14后流出；
如图4-5所示，所述的负极板板框形状与正极板板框相同，正面设置负极支流道，反面设置负极主流道，负极电解液从流体进出孔流至反面的负极主流道后再流至正面的负极支流道，从负极支流道流进内框。
负极主流道内设有预埋管6，预埋管6为密封塑料软管，固定在负极主流道内，其进出口均密封粘结在负极板板框上，一端与流体进出孔连接，另一端与流体通道连接。
所述的正极板板框1正面和反面均设有密封槽，密封槽内设有密封圈：密封圈15和密封圈16，通过密封圈15与负极板板框上相应的密封圈分别压在同一张膜电极组件两侧密封；相邻二个单电池中的正极板板框与负极板板框之间通过密封圈16与负极板上相应的密封圈分别压在同一石墨板上密封。
单电池层层叠加，并在两端设置端板，端板由集流面板7和匹配的导电板8组成，然后通过紧固螺栓紧固组成液流电池堆，如图8所示。
实施例2
所述的主流道的长度根据电解液的电导率设置，主流道沿双极板板框一边行走设置，其长度为双极板板框一边的长度，正极板板框正面设置正极支流道和正极主流道，所述的负极板板框正面设置负极支流道和负极主流道，正极主流道和负极主流道内均设有预埋管。其余同实施例1。
主流道也沿双极板板框多边行走设置，如三边或循环一周或多周，使主流道与支流道拉开距离，避免窜流，即可减少自放电。
主流道和支流道分别设置在正极板板框或负极板板框，即使不设置预埋管也能很好的减少自放电。
主流道也可设置在支流道上部，呈S型设置，同时在主流道内设置预埋管，电解液从密封的预埋管流过后进入支流道，也可大幅度减少自放电。
实施例3
同一单电池中，正极板板框与负极板板框之间设置膜电极组件，相邻单电池中，正极板板框和其相邻单电池负极板板框的内框共用一导电板，然后将正极板板框和其相邻单电池负极板板框通过密封圈压合组成双极板，该双极板中：正极板板框正面设置正极支流道，所述的正极支流道形状由一长条形直槽与梳形槽构成，反面设置正极主流槽a和负极主流槽a；负极板板框正面设置负极支流道，负极支流道形状由一长条形直槽与梳形槽构成，反面设置与正极板板框反面相对应的正极主流槽b和负极主流槽b，正极板板框与负极板板框的反面压合在一起形成双极板板框，位于其夹层中的正极主流槽a与正极主流槽b压合形成正极主流道，负极主流槽a与负极主流槽b压合形成负极主流道，正极电解液从流体进出孔流至夹层中的正极主流道后再流至正面的正极支流道，从正极支流道长条形直槽流经梳形槽进入内框，负极电解液从流体进出孔流至反面的负极主流道后再流至正面的负极支流道，从负极支流道的长条形直槽流经梳形槽进入内框。

Claims (6)

1.一种液流电池的电堆结构，包括正极端压板、负极端压板、紧固件，多个液流单电池上下叠加并通过紧固件固定设置在正极端压板和负极端压板之间组成电堆，所述的液流单电池包括双极板，以及夹设在双极板之间的膜电极组件，所述的双极板包括板框和板框的内框内设置的电极板，双极板板框及其内框均为正方形或矩形，双极板板框上设有流体进出孔和流体通道，其特征在于，所述的流体通道包括主流道和支流道，所述的主流道沿双极板板框四周设置，其一端连接流体进出孔，另一端连接支流道，支流道连通内框；
所述的双极板板框由正极板板框和其相邻单电池负极板板框粘合或通过密封圈压合而成，正极板板框和其相邻单电池负极板板框的内框共用一导电板组成双极板，相邻双极板之间设有膜电极组件；
所述的正极板板框正面设置正极支流道，反面设置正极主流道，正极电解液从流体进出孔流至反面的正极主流道后再流至正面的正极支流道，从正极支流道流进内框，所述的正极支流道形状由一长条形直槽与梳形槽构成；所述的负极板板框形状与正极板板框类同，正面设置负极支流道，反面设置负极主流道，负极电解液从流体进出孔流至反面的负极主流道后再流至正面的负极支流道，从负极支流道流进内框，所述的负极支流道形状由一长条形直槽与梳形槽构成；
或者，所述的正极板板框正面设置正极支流道和正极主流道，所述的负极板板框正面设置负极支流道和负极主流道；
或者，所述的正极板板框正面设置正极支流道，反面设置正极主流槽a和负极主流槽a；所述的负极板板框正面设置负极支流道，反面设置与正极板板框反面相对应的正极主流槽b和负极主流槽b，正极板板框与负极板板框的反面粘合或通过密封圈压合在一起形成双极板，位于其夹层中的正极主流槽a与正极主流槽b粘合或压合后形成正极主流道，负极主流槽a与负极主流槽b粘合或压合后形成负极主流道，正极电解液从流体进出孔流至夹层中的正极主流道后再流至正面的正极支流道，从正极支流道流进内框，负极电解液从流体进出孔流至反面的负极主流道后再流至正面的负极支流道，从负极支流道流进内框。
2.根据权利要求1所述的一种液流电池的电堆结构，其特征在于，所述的主流道的长度根据电解液的电导率设置，主流道沿双极板板框一边行走设置，其长度为双极板板框一边的长度，或主流道沿双极板板框多边行走设置，其长度为双极板板框多边长度之和，或者主流道沿双极板板框周边循环行走设置。
3.根据权利要求1所述的一种液流电池的电堆结构，其特征在于，所述的支流道包括一长直槽和一梳形槽，所述的长直槽一端连通主流道，并通过梳形槽连通内框。
4.根据权利要求1所述的一种液流电池的电堆结构，其特征在于，所述的正极主流道和/或负极主流道内设有预埋管。
5.根据权利要求1所述的一种液流电池的电堆结构，其特征在于，所述的正极板板框和负极板板框上分别设置至少一条密封槽以及放置密封圈，同一单电池中，正极板板框和负极板板框之间分别压在同一张膜电极组件的离子交换膜两侧，通过密封圈密封；相邻二个单电池中的正极板板框与负极板板框之间分别压在同一导电板上，通过密封圈密封。
6.根据权利要求1所述的一种液流电池的电堆结构，其特征在于，所述的膜电极组件由两块碳毡夹设离子交换膜组成，所述的碳毡上设有用于传输电解液的多条等间距分布的流道，所述的板框的材质为塑料材质，包括PP、PE和PVC。
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