CN101192676A - 一种大功率液流电池装置的电堆结构 - Google Patents

一种大功率液流电池装置的电堆结构 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种液流电池的电堆制造技术领域。所述电堆各层边框采用特制弹性板，提高了各层之间的密封性能；电解液主流道采用嵌入导流板的设计方案，增大隔膜、电极等电池材料的使用效率；采用导液分流层板，实现多路垂直主流道平行水平并联进料方式，使进入不同电极腔室电解液的出入口压力相等，进入同一电极腔室不同入口与出口处电解液的压力相等；采用导流线槽结构，使电解液在电极表面均匀流动，最大化支撑隔膜的面积，避免隔膜正负电解液在入口处交叉内漏，减少由此带来的自放电损失；采用互锁定位框对多层电池结构进行定位，提高装配效率。本发明提出的电堆具有结构简单、制造组装方便、密封可靠、电解液流动均匀和运行稳定的优点。

Description

一种大功率液流电池装置的电堆结构
技术领域
本发明专利涉及一种液流电池加工技术领域，尤其涉及一种液流电池电堆的加工制造领域。
背景技术
电能是现代社会人类生活、生产中必不可缺的二次能源。随着社会经济的发展，人们对电的需求越来越高。根据中国电力企业联合会发布的《2005年三季度全国电力供需与经济运行形势分析预测》分析报告：2006年全国社会用电量的增长速度在11％左右，用电量约为27300亿千瓦时。电力缺口主要集中在华北和南方地区，华东地区夏季备用偏低、冬季基本平衡，华中、东北地区基本平衡，西北地区供大于求。全国夏季最大电力缺口在800万千瓦左右，其中华北和南方分别为300、500万千瓦左右；冬季最大电力缺口900万千瓦左右，其中华北、南方分别为400、500万千瓦左右。由于电力需求昼夜、季节相差很大，但发电厂的建设规模必须与高峰用电相匹配，投资大利用率较低，且对周边的环境和生态平衡有较大的影响。大规模储能技术和储能装备是电力和电器行业中备受关注但尚未解决的难题之一。
液流电池是一种新型的化学电源，以溶解在电解液中不同价态金属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。电池充电或放电时，通过外接泵，把正极电解液和负极电解液分别压入正极室和负极室，完成氧化还原反应后，流回到储液槽。从液流电池的原理和特点来看，液流电池适合于大规模储能应用。图1是全钒氧化还原液流电池(VRB)示意图。
为了研制开发大规模液流电池储能系统，围绕电堆结构已经进行了大量研究，通过电堆结构设计，改善电解液流动分布(美国专利No.6,475,661)，减小流动阻力(美国专利公开号20030087156)。然而，上述电堆仍然存在着结构复杂、加工装配困难、流动性能差和电堆有效密封的问题，给电堆进一步大规模应用带来困难。
发明内容
本发明的目的在于提供了一种液流电池电堆结构，提高了电堆密封的可靠性，使电解液在电极表面均匀流动，该结构的电堆性能稳定，加工装配简单。
本发明的特征在于(本发明目的实现的技术方案)：
电堆各层边框采用特制弹性板，提高了各层之间的密封性能，能防止电解液向外泄漏；电解液主流道采用嵌入导流板的设计方案，减小电池厚度，增大隔膜、电极等电池材料的使用效率；采用导液分流层板，实现多路垂直主流道平行水平并联进料方式，使进入不同电极腔室电解液的出入口压力相等，进入同一电极腔室不同入口与出口处电解液的压力相等；采用导流线槽结构，引导电解液进出电极腔室口，减小出入口阻力，使电极表面均匀流动；为了防止隔膜在导流线槽处出现塌陷，改进了导流线槽的结构，在不影响导流的情况下，最大化支撑隔膜的面积，避免隔膜正负电解液在入口处交叉内漏，减少由此带来的自放电损失；采用互锁定位框对多层电池结构进行定位，提高装配效率和效果。
图2是导液分流层板。导液分流层板的中心部位为电解液流道支撑压紧导流网(1)，支撑压紧导流网(1)是为了支撑隔膜，压紧电极材料与集流体，同时使流经电极表面的电解液均匀流动。支撑压紧导流网(1)为塑料材料，这些材料包括但不限于聚丙烯或聚乙烯或改性的聚丙烯或改性聚乙烯，网格直径为0.5～5mm，网格为平面网格或上下交替编织的立体网格。
支撑压紧导流网周边部位为层板框(2)，层板框(2)的上、下部位分别设有导液线槽(5)。导液线槽(5)为Z字形或垂直的L形，在组装成电堆时可有效防止隔膜出现凹陷，防止渗漏。导流线槽(5)的宽度为0.2～5mm.
层板框(2)由耐酸腐蚀、耐氧化，且具有一定柔软性和弹性的塑料或橡胶片材做成，这些材料包括但不限于聚丙烯或聚乙烯或改性的聚丙烯或改性聚乙烯。层板框密封面的宽度为5mm～80mm，厚度为0.5～15毫米。这样组合的电堆结构简单、厚度薄、加工装配简单、电极和隔膜的使用效率高，密封效果好，不会出现外漏和内漏。
层板框上下端面的电解液进出口(3)和电解液分集液口(4)交替成对排列，上下断面的电解液进出口(3)和电解液分集液口(4)序列相反。电解液进出口(3)和电解液分集液口(4)之间距离距离为10～100mm，每对电解液进出口(3)和电解液分集液口(4)之间距离为10～100mm。支撑压紧导流网为塑料材料，这些材料包括但不限于聚丙烯或聚乙烯或改性的聚丙烯或改性聚乙烯，网格直径为0.5～5mm，网格为平面网格或上下交替编织的立体网格。图3是半嵌入导流板。半嵌入导流板引导正极电解从正极电解液入口(2)进入正极电解液主分流管(1)，部分电解液由正极电解液分流口流(6)入电堆的正极腔室，液流入正负极腔室，正极电解液分流口(6)与正极电解液主分流管(1)由暗沟道或暗沟槽连接相通，其余电解液由正极电解液主分流管(1)流入下一电堆的正极电解液主分流管。负极腔室反应后的电解液汇集从负极电解液集流口(7)经负极电解液主集流管(8)与从其它单电池流入的负极电解液一起流入下一单电池的主集流管，并最终回到负极电解液储液装置，负极电解液集流口(7)与负极电解液主集流管(8)由暗沟道或暗沟槽连接相通。
附图说明
图1液流电池流程示意图
图2导液分流层板
图3半嵌入式导流板
图4充放电电流电压随时间变化曲线
具体实施方式
按本专利结构设计建立全钒液流电池堆，进行充放电实验。分别使用V4+/V5+和V3+/V2+钒离子作为氧化还原液流电池的阳极、阴极活性物质，电堆中的半电池电化学反应如下。
正极反应
负极反应
Figure A20071010575400062
E0＝-0.26V
全钒氧化还原液流电池堆由四个单电池串联组成，有效电极面积为200×270mm，正负极电解液分别为800ml的1.0mol/L V4++2mol/L H2SO4和1.0mol/L V3++2mol/L H2SO4水溶液，在50L/h的电解液循环流速下进行充放电实验，在室温下测定该氧化还原液流电池电堆性能。图4是充放电电流电压随时间变化曲线。
通过上述实施例，证明本发明所提出的液流电池电堆能够完成完整充放电循环过程，该电堆结构避免了电解液循环过程通过电堆向外泄漏，同时也不存在电堆内部正极、负极电解液彼此交叉泄漏现象，同时电解液在电池内部的流动阻力较小，电解液能在电极表面均匀流动。电堆结构简单，制造方便，密封可靠，适用于大功率液流电池系统。

Claims (7)

1.一种液流电池电堆结构，其特征在于：该电堆结构由压紧装置(1)、导流端板(2)和多个单电池串联构成，每个单电池均由集流体(3)、阳极电极(4)、导液分流层板(5)、隔膜(6)、导液分流层板(5)和阴极电极(7)交替排列而成。
2.根据权利要求1所述电堆各层边框采用特制弹性板，其特征为：密封面的宽度为5mm～80mm，厚度为0.5～15mm。弹性板材的材料包括但不限于聚丙烯、改性聚丙烯弹性体、聚乙烯和改性聚乙烯。
3.导液端板(2)的电解液主流道采用嵌入结构，嵌入导流板的深度为主流道管直径的1/8至全部嵌入导流板中，嵌入端板的管道与端板表面的分流口由暗沟道相同。
4.导液分流层板(5)中的电解液进出口和电解液分集流口成对出现，在导液分流层板的上端和下端，电解液进出口和电解液分集流口的排列次序相反。导液分流层板(5)中心为支撑网格。
5.根据权利要求4的说明，在电解液分流口前端采用导流线槽结构，导液线槽为梳状散开，可为Z字形和L型。
6.根据权利要求3和4的说明，导液端板(2)的分流口和集流口分别在导液端板(2)的上侧和下侧，数目为电解液进出口和电解液分集流口总数的1/2，且位置与电解液进出口或电解液分集流口位置相同。
7.根据权利要求4的说明，导液分流层板(5)中心网格为上下交错的网格，网格材料包括但不限于聚丙烯、改性聚丙烯弹性体、聚乙烯和改性聚乙烯，网格的直径为0.1～2mm。
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