CN102136594A - 一种双倍功率的液流电池电堆结构及包含此电堆的液流电池 - Google Patents

一种双倍功率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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周汉涛
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Abstract

本发明提供了一种双倍功率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多流道端板1、两块多流道绝缘板2、两块主集流板3、两个子电堆4和一块液流分隔板5；所述的电堆为对称结构，中间是液流分隔板5，左右两侧分别依次是子电堆4、主集流板3、多流道绝缘板2和多流道端板1。每个子电堆形成单独进、出液的独立电解液流通体系，将电解液在电堆中的流道长度缩短一半，这不仅可以大大降低电解液的流动阻力，减小泵的功耗；同时可以减小电解液在流道中的电位差，减小电池的极化，降低电池的能量损失。与普通液流电池单个电堆相比，该电堆中的单电池数量可增加一倍，功率也可增加一倍，且不会降低液流电池的能量效率。

Description

一种双倍功率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系统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。液流电池最重要的技术指标是能量效率，因此，在电堆的结构设计上，要尽可能减小能耗。然而研究者发现，如果单个电堆中单电池的数量过多，电解液就需要在较长的流道中流动，这一方面会增大电解液的流动阻力，提高对泵的功率要求，增加泵的功耗；另一方面，电解液在较长的流道中会形成较大的电位差，这会增大电池的极化，造成电池的能量损失。为了提高液流电池的能量效率，单个电堆中的单电池数量就受到限制，其功率规模也受到制约。
发明内容
为了扩大液流电池电堆的功率规模，同时避免由于形成较长的电解液流道而造成的能量损失问题，本发明提供了一种双倍功率的液流电池电堆结构及包含此电堆的液流电池，与普通液流电池单个电堆相比，该电堆中的单电池数量可增加一倍，功率也可增加一倍，且不会降低液流电池的能量效率。
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多流道端板1、两块多流道绝缘板2、两块主集流板3、两个子电堆4和一块液流分隔板5；所述的电堆为对称结构，中间是液流分隔板5，左右两侧分别依次是子电堆4、主集流板3、多流道绝缘板2和多流道端板1。
本发明所述的多流道端板1由高机械强度的金属制成，包括钢板或铝板，但不限于此，厚度为1~8cm；上面设置有正极电解液流入口6、正极电解液流出口7、负极电解液流入口8和负极电解液流出口9，其直径为1~5cm；多流道端板1既对电堆起到固定压紧作用，又为每个子电堆提供正、负极电解液流入、流出的通道。
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PE、PVC或PP，但不限于此；其设置有与多流道端板1对应的电解液流道孔洞，其直径为1~5cm；多流道绝缘板2的作用是切断主集流板3与多流道端板1之间的电子通路，使电堆与外界环境电子绝缘。
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，包括铜板、石墨板，但不限于此；其面积与子电堆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。
本发明所述的子电堆4由至少两个单电池10串联组成，每个单电池由电解液导流框11、双极板12、电极13和隔膜14组成；所述电解液导流框11由耐腐蚀的电子绝缘材料制成，包括PE、PVC或PP，但不限于此，其设置有四个电解液流通孔15和导流沟槽16，将多个电解液导流框层叠并压紧，其电解液流通孔15相通形成电堆的电解液主流道，供电解液流入和流出电堆，由导流沟槽16将主流道中的电解液引流至各单电池中；所述双极板12为导电塑料板或石墨板；电解液导流框11与双极板12之间为机械连接或激光焊接；所述电极13为石墨毡或石墨板，电极面积为100~20000cm2；所述隔膜14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10的厚度为0.5~3cm，所述子电堆4的功率为0.1~500kW。
本发明所述的液流分隔板5由液流分隔框17和双极板12组成，其中液流分隔框17与电解液导流框11的材质相同，其上没有电解液流通孔15，只设置电解液导流沟槽16，其与双极板12之间为机械连接或激光焊接；左侧子电堆的最右端单电池和右侧子电堆的最左端单电池共用此板作为其电解液导流框和双极板；液流分隔板5的作用是串联导通两个子电堆4的电路，同时阻断两个子电堆4的电解液流入通路，使电解液在流经此板后即沿相反方向经两个子电堆4的电解液主流道流出电堆，使每个子电堆4形成单独进、出液的独立电解液流通体系。
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：本发明所提供的双倍功率液流电池电堆结构，采用液流分隔板串联导通两个子电堆的电路，同时阻断两个子电堆的电解液通路，使每个子电堆形成单独进、出液的独立电解液流通体系，可以将电解液在电堆中的流道长度缩短一半，这一方面可以大大降低电解液的流动阻力，减小泵的功耗；另一方面，可以减小电解液在流道中的电位差，减小电池的极化，降低电池的能量损失。与普通液流电池单个电堆相比，该电堆中的单电池数量可增加一倍，功率也可增加一倍，且不会降低液流电池的能量效率。
附图说明
图1是双倍功率的液流电池电堆的结构示意图；
图2是双倍功率的液流电池电堆的电解液流道结构示意图；
图3是双倍功率的液流电池电堆的分解结构示意图；
图4是电解液导流框和液流分隔框的流道结构示意图；
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-子电堆；5-液流分隔板；6-正极电解液流入口；7-正极电解液流出口；8-负极电解液流入口；9-负极电解液流出口； 10-单电池；11-电解液导流框；12-双极板；13-电极；14-隔膜；15-电解液流通孔；16-电解液导流沟槽；17-液流分隔框；18-电堆；19-正极电解液储液罐；20-负极电解液储液罐；21-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，其要点是电堆结构包括两块多流道端板1、两块多流道绝缘板2、两块主集流板3、两个子电堆4和一块液流分隔板5；所述的电堆为对称结构，中间是液流分隔板5，左右两侧分别依次是子电堆4、主集流板3、多流道绝缘板2和多流道端板1。其中，多流道端板1为钢板或铝板，厚度为1~8cm；上面设置有正极电解液流入口6、正极电解液流出口7、负极电解液流入口8和负极电解液流出口9，其直径为1~5cm。多流道绝缘板2由PE、PVC或PP制成；其设置有与多流道端板对应的电解液流道孔洞，其直径为1~5cm。主集流板3为铜板或石墨板；其面积与子电堆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。子电堆4由至少两个单电池10串联组成，每个单电池由电解液导流框11、双极板12、电极13和隔膜组成14；所述电解液导流框11由PE、PVC或PP制成，其设置有四个电解液流通孔15和导流沟槽16；所述双极板12为导电塑料板或石墨板；电解液导流框11与双极板12之间为机械连接或激光焊接；所述电极13为石墨毡或石墨板，电极面积为100~20000cm2；所述隔膜14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10的厚度为0.5~3cm，所述子电堆4的功率为0.1~500kW。液流分隔板5由液流分隔框17和双极板12组成，其中液流分隔框17与电解液导流框11材质相同，其上没有电解液流通孔15，只设置电解液导流沟槽16，其与双极板之间为机械连接或激光焊接；左侧子电堆的最右端单电池和右侧子电堆的最左端单电池共用此板作为其电解液导流框和双极板。
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                                                
Figure 446322DEST_PATH_IMAGE001
 VO2+＋H2O
负极：
V2+  V3+＋e
按照图5的结构组装电池，并进行性能测试。
实施例1
多流道端板为钢板，厚度为3cm，电解液进出口直径为2cm；多流道绝缘板为PE板，电解液流道孔洞直径为2cm；主集流板为铜板，面积与子电堆单电池电极面积相同；子电堆中单电池数量为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5000cm2，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。液流分隔框与电解液导流框材质相同，其与双极板之间为激光焊接。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84%，能量效率为82%，运行100次循环后其容量衰减率为0.5%。
实施例2
多流道端板为钢板，厚度为3cm，电解液进出口直径为2cm；多流道绝缘板为PE板，电解液流道孔洞直径为2cm；主集流板为铜板，面积与子电堆单电池电极面积相同；子电堆中单电池数量为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8000cm2，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10kW。液流分隔框与电解液导流框材质相同，其与双极板之间为激光焊接。制备的全钒离子氧化还原液流电池容量为40kWh。在80mA/cm2的充放电条件下，电池的电压效率为82%，能量效率为81%，运行100次循环后其容量衰减率为1%。
实施例3
多流道端板为钢板，厚度为3cm，电解液进出口直径为2cm；多流道绝缘板为PE板，电解液流道孔洞直径为2cm；主集流板为铜板，面积与子电堆单电池电极面积相同；子电堆中单电池数量为30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10kW。液流分隔框与电解液导流框材质相同，其与双极板之间为激光焊接。制备的全钒离子氧化还原液流电池容量为40kWh。在80mA/cm2的充放电条件下，电池的电压效率为83%，能量效率为80%，运行100次循环后其容量衰减率为1%。

Claims (7)

1.一种双倍功率的液流电池电堆结构，其特征在于：电堆包括两块多流道端板1、两块多流道绝缘板2、两块主集流板3、两个子电堆4和一块液流分隔板5；所述的电堆为对称结构，中间是液流分隔板5，左右两侧分别依次是子电堆4、主集流板3、多流道绝缘板2和多流道端板1。
2.根据权利要求1所述的一种双倍功率的液流电池电堆结构，其特征在于：所述的多流道端板1由高机械强度的金属制成，包括钢板或铝板，厚度为1~8cm；上面设置有正极电解液流入口6、正极电解液流出口7、负极电解液流入口8和负极电解液流出口9，其直径为1~5cm。
3.根据权利要求1所述的一种双倍功率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PE、PVC或PP；其设置有与多流道端板1对应的电解液流道孔洞，其直径为1~5cm。
4.根据权利要求1所述的一种双倍功率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，包括铜板或石墨板；其面积与子电堆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所述的一种双倍功率的液流电池电堆结构，其特征在于：所述的子电堆4由至少两个单电池10串联组成，每个单电池10由电解液导流框11、双极板12、电极13和隔膜组成14；所述电解液导流框11由耐腐蚀的电子绝缘材料制成，包括PE、PVC或PP，其设置有四个电解液流通孔15和导流沟槽16；所述的双极板12为导电塑料板或石墨板；电解液导流框11与双极板12之间为机械连接或激光焊接；所述的电极13为石墨毡或石墨板，电极面积为100~20000cm2；所述的隔膜14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；所述的单电池10的厚度为0.5~3cm；所述的子电堆4的功率为0.1~500kW。
6.根据权利要求1所述的一种双倍功率的液流电池电堆结构，其特征在于：所述的液流分隔板5由液流分隔框17和双极板12组成，其中液流分隔框17与电解液导流框12材质相同，其上没有电解液流通孔15，只设置电解液导流沟槽16，其与双极板12之间为机械连接或激光焊接；左侧子电堆的最右端单电池和右侧子电堆的最左端单电池共用此板作为其电解液导流框和双极板。
7.包含此电堆结构的液流电池。
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