CN104795577A - 一种用于大功率液流电池堆的双极板板框结构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于大功率液流电池堆的双极板板框结构，包括正极板框与负极板框，双极板板框上设有流体进出孔，所述的流体进出口包括正极电解液进出孔和负极电解液进出口，所述的双极板板框包括板框和盖板，导电双极板置于正极、负极两块板框的中间，板框的两端设有引流槽，引流槽上盖设盖板，所述的正极电解液进出孔和负极电解液进出口为多进多出设置，即正极电解液进孔、正极电解液出孔、负极电解液进孔和负极电解液出孔均至少设有2个。与现有技术相比，本发明具有不会自放电，易密封、节约原材料等优点。

Description

一种用于大功率液流电池堆的双极板板框结构

技术领域

本发明涉及一种新能源技术领域，尤其是涉及一种用于大功率液流电池堆的双极板板框结构。

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：

负极反应：

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200910078434.2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盘蛇状流道，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Z型进出液支路流道导入的，Z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Z型进出液支路流道密封较难，为了使Z型流体通道密封，设置了盖板盖住Z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，Z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可大大减少通过漏液自放电，易密封的用于大功率液流电池堆的双极板板框结构。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种用于大功率液流电池堆的双极板板框结构，包括正极板框与负极板框，双极板板框结构上设有流体进出孔，所述的流体进出口包括正极电解液进出孔和负极电解液进出口，所述的双极板板框包括板框和盖板，导电双极板置于正极板框和负极板框两块板框中间，板框的两端设有引流槽，引流槽上盖设盖板，其特征在于，所述的正极电解液进出孔和负极电解液进出口为多进多出设置，即正极电解液进孔、正极电解液出孔、负极电解液进孔和负极电解液出孔均至少设有2个。

所述的双极板板框由正极板框与负极板框构成，二块板框中间放置导电双极板，导电双极板两侧均放置石墨毡，石墨毡的厚度为装堆压缩后与板框平齐；所述的正极板框与负极板框对称设置，正极板框旋转180度后即变为负极板框。

所述的正极板框与负极板框的正面和反面均设有一***密封槽，该***密封槽设置在板框边沿，并将双极板板框上的流体进出孔和引流槽均包围在内，而其中反面的***密封槽分别将所有流体进出孔周边的密封槽串联起来，与一个整体密封圈配合密封所有流体进出孔及周边部位，到达最终密封防泄漏的目的。

所述的正极电解液进孔设有2～5个，正极电解液出孔设有2～5个，负极电解液进孔设有2～5个，负极电解液出孔设有2～5个。

所述的电解液引流槽环绕在各流体进出孔周边，即从各流体进出孔引出引流槽并环绕流体进出孔形成环形流路，环形流路的圈数为1～10圈。

引导从电解液流体公共进出孔流出、流入的电解液进入反应区域或流出反应区域的引流槽由两部分组成：环形流路，再***成多条将电解液均匀分配到有效反应区域中的直流槽，所述的环形流路连通板框近有效反应区侧边的多条均匀分配电解液的直流槽，从电解液流体进出孔流出的液体经环形流路流至直流槽，再进入板框的内框设置的膜电极进行反应，反应后流出反应区域汇入到直流槽再流出回到环形流路进入流体出孔。

引导从电解液流体公共进出孔流出、流入的电解液进入反应区域或流出反应区域的引流槽两侧的凸起脊边上设有凹槽，所述的盖板上设有与所述凹槽相匹配的凸条，盖板盖在板框上时，盖板上的凸条***对应的凹槽内，使盖板与板框密封连接；或者相反设置：即在脊边上设有凸条，而与其相对应的盖板上设置凹槽，盖板盖在板框上时，板框上的凸条出入盖板上对应的凹槽内，使盖板与板框密封连接。

在板框或盖板上的凹槽内设有密封圈或有粘结胶水，所述凸条***凹槽内，通过密封圈或胶水粘结密封。

所述的导电双极板的周边包裹有绝缘弹性体，绝缘弹性体为带有凹槽的环形绝缘橡胶材料，所述凹槽卡设在导电双极板周边端面上。

正极板框与负极板框压紧双极板的边缘位置与双极板周边包裹的绝缘弹性体对应处设有凹槽，相邻板框上的凹槽对称设置，将环形绝缘弹性体卡在其中；所述的绝缘弹性体是一种耐酸、氧化腐蚀的橡胶材料或塑料。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1.多进多出的流体进出孔的设计使流体分散到反应区域更均匀，减少流体阻力；

2.在双极板两端的引流槽和盖板上设置相匹配的凹凸槽进行卡接，既可快速拆装，又达到安全密封，效率高，而且并在槽内设置了密封圈或粘结胶水，各引流槽内的流体不会发生串流，不易渗漏，降低了自放电的可能；

3.导电双极板整个周边的端面上设置环形绝缘橡胶包裹，并在正、负极板框与压紧双极板的边缘位置设置凹槽将环形绝缘胶卡位密封，大大提高了密封性能。

附图说明

图1为全钒液流电池原理图；

图2为板框正面示意图；

图3为板框反面示意图；

图4为盖板正面示意图；

图5为盖板反面示意图；

图6为导电双极板与板框和密封圈相连部分结构示意图；

图7为单电池的结构示意图

图8为燃料电池堆的结构示意图。

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2-3、7所示，一种用于大功率兆瓦级液流电池堆的双极板板框结构，包括正极板框、负极板框，尺寸为800mm×1000mm×7mm，该双极板板框上设有流体进出孔，所述的流体进出口包括正极电解液进出孔和负极电解液进出口，所述的双极板板框由正极板框与负极板框构成，二块板框均包括板框2和盖板1，二块板框中间放置导电双极板5，导电双极板5两侧均放置碳毡4，碳毡4的厚度为装堆压缩后与板框平齐；所述的正极板框与负极板框对称设置，双极板与碳毡4和膜电极3组成单电池。如图8所示，所述的双极板和膜电极组成单电池，多个单电池叠加组成电堆，电堆两端设有端板10，端板上设有紧固孔，电堆通过螺杆101穿过两端端板上的紧固孔压紧固定。各双极板上的流体进出孔叠加形成电解液流体公共进出孔。引导从电解液流体公共进出孔流出、流入的电解液进入反应区域或流出反应区域的引流槽由两部分组成：环形流路22，再***成多条将电解液均匀分配到有效反应区域中的直流槽23。

所述的正极板框与负极板框的正面和反面均设有一***密封槽，该***密封槽设置在板框边沿，并将双极板板框上的流体进出孔和引流槽均包围在内，而其中反面的***密封槽分别将所有流体进出孔周边的密封槽串联起来，与一个整体密封圈配合密封所有流体进出孔及周边部位，到达最终密封防泄漏的目的。

所述的环形流路22环绕在各流体进出孔21周边，即从各流体进出孔21引出引流槽并环绕流体进出孔形成环形流路，环形流路的圈数为1～10圈。所述的环形流路连通板框内框前侧边的直流槽23，从流体进孔流出的液体经环形流路流至直流槽，在进入板框的内框前设置的膜电极进行反应。

板框2的两端设置的引流槽上盖设盖板，所述的正极电解液进出孔和负极电解液进出口为多进多出设置，即正极电解液进孔、正极电解液出孔、负极电解液进孔和负极电解液出孔均设有2个。

两条引流槽之间的凸起脊边上设有凹槽24，所述的盖板上设有与所述凹槽相匹配的凸条11，盖板盖在板框上时，盖板上的凸条11***对应的凹槽24内，使盖板1与板框2密封连接(如图4-5所示)。所述的凹槽24内设有密封圈，所述凸条11***凹槽24内，通过密封圈密封。

如图6所示，所述的导电双极板5的整个周边端面上包裹有绝缘橡胶6，绝缘胶6为带有凹槽的环形绝缘胶，将整块双极板周边圈套起来，所述带有密封橡胶套的导电双极板5周边密封部分整体卡入设在正负极双极板板框2上的凹槽中，所述的板框2上与圈套好的绝缘橡胶对应处设有凹槽25，相邻板框上的凹槽25对称设置，将环形绝缘橡胶卡在其中。绝缘橡胶是弹性体，并且是耐酸、氧化腐蚀的橡胶材料或塑料。

实施例2

所述的板框的脊边上设有凸条，而与其相对应的盖板上设置凹槽，盖板盖在板框上时，板框上的凸条出入盖板上对应的凹槽内，使盖板与板框密封连接。

所述的正极电解液进孔还可设置2个以上，如3个、4个或5个，正极电解液出孔、负极电解液进孔设有和负极电解液出孔也可设置3个、4个或5个。其余同实施例1。

Claims (10)

1.一种用于大功率液流电池堆的双极板板框结构，包括正极板框与负极板框，双极板板框结构上设有流体进出孔，所述的流体进出口包括正极电解液进出孔和负极电解液进出口，所述的双极板板框包括板框和盖板，导电双极板置于正极板框和负极板框两块板框中间，板框的两端设有引流槽，引流槽上盖设盖板，其特征在于，所述的正极电解液进出孔和负极电解液进出口为多进多出设置，即正极电解液进孔、正极电解液出孔、负极电解液进孔和负极电解液出孔均至少设有2个。

2.根据权利要求1所述的一种用于大功率液流电池堆的双极板板框结构，其特征在于，所述的双极板板框由正极板框与负极板框构成，二块板框中间放置导电双极板，导电双极板两侧均放置石墨毡，石墨毡的厚度为装堆压缩后与板框平齐；所述的正极板框与负极板框对称设置，正极板框旋转180度后即变为负极板框。

3.根据权利要求1所述的一种用于大功率液流电池堆的双极板板框结构，其特征在于，所述的正极板框与负极板框的正面和反面均设有一***密封槽，该***密封槽设置在板框边沿，并将双极板板框上的流体进出孔和引流槽均包围在内，而其中反面的***密封槽分别将所有流体进出孔周边的密封槽串联起来，与一个整体密封圈配合密封所有流体进出孔及周边部位，到达最终密封防泄漏的目的。

4.根据权利要求1所述的一种用于大功率液流电池堆的双极板板框结构，其特征在于，所述的正极电解液进孔设有2～5个，正极电解液出孔设有2～5个，负极电解液进孔设有2～5个，负极电解液出孔设有2～5个。

5.根据权利要求1所述的一种用于大功率液流电池堆的双极板板框结构，其特征在于，所述的电解液引流槽环绕在各流体进出孔周边，即从各流体进出孔引出引流槽并环绕流体进出孔形成环形流路，环形流路的圈数为1～10圈。

6.根据权利要求5所述的一种用于大功率液流电池堆的双极板板框结构，其特征在于，引导从电解液流体公共进出孔流出、流入的电解液进入反应区域或流出反应区域的引流槽由两部分组成：环形流路，再***成多条将电解液均匀分配到有效反应区域中的直流槽，所述的环形流路连通板框近有效反应区侧边的多条均匀分配电解液的直流槽，从电解液流体进出孔流出的液体经环形流路流至直流槽，再进入板框的内框设置的膜电极进行反应，反应后流出反应区域汇入到直流槽再流出回到环形流路进入流体出孔。

7.根据权利要求1或5所述的一种用于大功率液流电池堆的双极板板框结构，其特征在于，引导从电解液流体公共进出孔流出、流入的电解液进入反应区域或流出反应区域的引流槽两侧的凸起脊边上设有凹槽，所述的盖板上设有与所述凹槽相匹配的凸条，盖板盖在板框上时，盖板上的凸条***对应的凹槽内，使盖板与板框密封连接；或者相反设置：即在脊边上设有凸条，而与其相对应的盖板上设置凹槽，盖板盖在板框上时，板框上的凸条出入盖板上对应的凹槽内，使盖板与板框密封连接。

8.根据权利要求7所述的一种用于大功率液流电池堆的双极板板框结构，其特征在于，在板框或盖板上的凹槽内设有密封圈或有粘结胶水，所述凸条***凹槽内，通过密封圈或胶水粘结密封。

9.根据权利要求1所述的一种用于大功率液流电池堆的双极板板框结构，其特征在于，所述的导电双极板的周边包裹有绝缘弹性体，绝缘弹性体为带有凹槽的环形绝缘橡胶材料，所述凹槽卡设在导电双极板周边端面上。

10.根据权利要求9所述的一种用于大功率液流电池堆的双极板板框结构，其特征在于，正极板框与负极板框压紧双极板的边缘位置与双极板周边包裹的绝缘弹性体对应处设有凹槽，相邻板框上的凹槽对称设置，将环形绝缘弹性体卡在其中；所述的绝缘弹性体是一种耐酸、氧化腐蚀的橡胶材料或塑料。