CN102290591B - 液流电池、液流电池堆及液流电池系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种液流电池、液流电池堆及液流电池系统，其中，液流电池包括：液流框(1)，具有中间通道，以及与中间通道相连通的进液口(11)和出液口(12)；集流板(2)，设置在液流框(1)中间通道内；离子交换膜，设置在各集流板(2)之间，并且离子交换膜与集流板(2)形成容纳电解液的腔体；电极(3)，设置在腔体内，电极(3)配置为沿从进液口(11)到出液口(12)的电解液的流动方向比表面积逐渐增大。本发明有效解决了现有技术中电解液中反应物质浓度随着反应的进行逐渐降低，导致电极各处反应速率及反应产生热量不均匀的问题，进而有效降低充放电过程中的极化，从而提高电池的充放电性能和使用寿命。
Description
技术领域
本发明涉及电池领域，具体而言，涉及一种液流电池、液流电池堆及液流电池系统。
背景技术
液流电池的种类很多，以应用较为广泛的全钒液流电池为例，全钒液流电池是一种以不同价态的钒离子电解液进行氧化还原的电化学反应装置，能够高效地实现化学能与电能之间的相互转化。该类电池具有使用寿命长，能量转化效率高，安全性好，环境友好等优点，能用于风能发电和光伏发电配套的大规模储能系统，是电网削峰填谷、平衡负载的主要选择之一。因此，近年来全钒液流电池逐渐成为大容量储能电池研究的重点。
全钒液流电池分别以钒离子V2+/V3+和V4+/V5+作为电池的正负极氧化还原电对，将正、负极电解液分别存储于两个储液罐中，由泵驱动电解液至电池，再回至储液罐中形成闭合循环液流回路，以实现充、放电过程。
在全钒液流电池系统中，电池堆性能的好坏决定着整个系统的充放电性能，尤其是充放电功率及效率。电池堆是由多片单电池依次叠放压紧，并且串联而成。其中，传统的单片液流电池和电池堆如图1所示，单体液流电池包括：液流框1、集流板2、电极3和离子交换膜4，由多个单体电池5依次叠放压紧并且串联组成电池堆6。
用于全钒氧化还原液流电池的电极材料一般为石墨毡，该电极材料具有多孔结构，良好的电子导电性，抗腐蚀能力以及一定的机械强度等优点。然而，目前国内外普遍使用石墨毡电极直接与集流板一体化制备电池堆，电解液在流经石墨毡的过程中，电解液中反应物质浓度随着反应的进行逐渐降低，导致电极各处反应速率及反应产生热量不均匀，进而降低电池堆充放电性能和使用寿命。
发明内容
本发明旨在提供一种液流电池、液流电池堆及液流电池系统，以解决现有技术中电解液中反应物质浓度随着反应的进行逐渐降低，导致电极各处反应速率及反应产生热量不均匀，进而降低电池的充放电性能和使用寿命的问题。
为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种液流电池，包括：液流框，具有中间通道，以及与中间通道相连通的进液口和出液口；集流板，设置在液流框中间通道内；离子交换膜，设置在各集流板之间，并且离子交换膜与集流板形成容纳电解液的腔体；电极，设置在腔体内，电极配置为沿从进液口到出液口的电解液的流动方向比表面积逐渐增大。
进一步地，电极的比表面积逐渐增大为非连续性的逐渐增大。
进一步地，电极由多块单元电极组成；各单元电极具有不同的比表面积，且相邻的单元电极的比表面积沿电解液流动方向为逐渐增大。
进一步地，电极的比表面积逐渐增大为连续性的逐渐增大。
进一步地，电极的每个横截面形状相同，且电极的沿电解液流动方向的比表面积逐渐增大。
进一步地，电极的每个横截面的面积沿电解液流动的方向逐渐增大。
进一步地，电极为导电性多孔材料。
根据本发明的另一方面，提供了一种液流电池堆，包括多个串联的液流电池，液流电池为上述的液流电池。
根据本发明的另一方面，提供了一种液流电池系统，包括：液流电池堆、电解液容器和泵，电解液容器通过泵与电池堆的液流框连通，液流电池堆为上述的液流电池堆。
进一步地，液流电池系统为全钒液流电池系统。
本发明的技术方案中，液流电池包括：液流框、集流板、离子交换膜和电极。其中，液流框具有中间通道，以及与中间通道相连通的进液口和出液口；集流板，设置在液流框中间通道内；离子交换膜，设置在各集流板之间，并且离子交换膜与集流板形成容纳电解液的腔体；电极，设置在腔体内，并且，电极配置为沿从进液口到出液口的电解液的流动方向比表面积逐渐增大。虽然电解液从进液口到出液口的流动过程中，电解液中反应物质浓度随着反应的进行逐渐降低，但是本发明的液流电池的电极在电解液的流动方向的比表面积逐渐增大，也就是接触反应面积逐渐增大，这样，可以保证反应速率均一，具体说，通过电极增大比表面积来抵消反应物质浓度的降低，从而有效解决了电解液中反应物质浓度随着反应的进行逐渐降低，导致电极各处反应速率及反应产生热量不均匀的问题，进而提高了电池的充放电性能和使用寿命的问题。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1示出了现有技术中的液流电池和液流电池堆的结构示意图；
图2示出了根据本发明的液流电池的实施例一的部分结构示意图；
图3示出了图2的液流电池的侧视示意图；
图4示出了根据本发明的液流电池的实施例二的侧视示意图；以及
图5示出了根据本发明的液流电池的实施例三的侧视示意图。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
图2示出了根据本发明的液流电池的实施例一的部分结构示意图；图3示出了图2的液流电池的侧视示意图。结合参见图2至图3，实施例一的液流电池包括：液流框1、集流板2、离子交换膜(图中未示出)和电极3。其中，液流框1具有中间通道以及与中间通道相连通的进液口11和出液口12；集流板2设置在液流框1中间通道内；离子交换膜4设置在各集流板2之间，并且离子交换膜4与集流板2形成容纳电解液的腔体；电极3设置在腔体内，并且，电极3配置为沿从进液口11到出液口12的电解液的流动方向比表面积逐渐增大。
在实施例一中，电极3的比表面积逐渐增大为非连续性的逐渐增大，具体地说，结合参见图2至图3，电极3由多块单元电极31、单元电极32、单元电极33、单元电极34、单元电极35组成；各单元电极31、单元电极32、单元电极33、单元电极34、单元电极35具有不同的比表面积，且相邻的单元电极之间的比表面积沿电解液流动方向为逐渐增大。实施例一主要是根据电极3材料的制备或选择来控制其各处比表面积的差异。
应用实施例一的技术方案，虽然电解液从进液口11到出液口12的流动过程中，电解液中反应物质浓度随着反应的进行逐渐降低，但是实施例一的液流电池的电极3在电解液的流动方向的比表面积逐渐增大，也就是接触反应面积逐渐增大，这样，可以保证反应速率均一，具体说，通过增大电极3的比表面积来抵消反应物质浓度的降低，从而有效解决了电解液中反应物质浓度随着反应的进行逐渐降低，导致电极各处反应速率及反应产生热量不均匀的问题，进而提高了电池的充放电性能和使用寿命的问题。
在实施例二中，电极3的比表面积逐渐增大为连续性的逐渐增大，如图4所示，箭头表示电解液流动方向，其中，电极3与集流板2构成两片半电池，中间为离子交换膜4，集流板2外部通过螺栓16与螺栓17压紧。电极3的每个横截面形状相同，且电极3的沿电解液流动方向的比表面积逐渐增大。
实施例二的液流电池的电极3在电解液的流动方向的比表面积为连续性的逐渐增大，也就是接触反应面积连续性的逐渐增大，从而抵消了反应物质浓度的降低，从而有效解决了电解液中反应物质浓度随着反应的进行逐渐降低，导致电极各处反应速率及反应产生热量不均匀的问题，进而提高了电池的充放电性能和使用寿命的问题。
在实施例三中，电极3的比表面积逐渐增大为连续性的逐渐增大，如图5所示，箭头表示电解液流动方向，其中，电极3与集流板2构成两片半电池，中间为离子交换膜4，集流板2外部通过螺栓16与螺栓17压紧。电极3的每个横截面的面积沿电解液流动的方向逐渐增大。实施例三的液流电池的电极3在电解液的流动方向的比表面积为连续性的逐渐增大，也就是接触反应面积连续性的逐渐增大，从而抵消了反应物质浓度的降低，从而有效解决了电解液中反应物质浓度随着反应的进行逐渐降低，导致电极各处反应速率及反应产生热量不均匀的问题，进而提高了电池的充放电性能和使用寿命的问题。
在上述实施例中，优选地，电极3为导电性多孔材料，一般为石墨毡或者导电塑料。
本发明还提供了一种液流电池堆，包括多个串联的液流电池，液流电池为上述的液流电池。将上述的液流电池依次叠放压紧并且串联组成本发明的液流电池堆。该液流电池堆有效解决了电解液中反应物质浓度随着反应的进行逐渐降低，导致电极各处反应速率及反应产生热量不均匀的问题，进而提高了充放电性能和使用寿命的问题。
本发明还提供了一种液流电池系统，包括：液流电池堆、电解液容器和泵(图中未示出)，电解液容器通过泵与电池堆的液流框1连通，液流电池堆为上述液流电池堆。该液流电池系统的其他部分请参见相关现有技术，在此不再赘述。本发明的液流电池系统有效解决了电解液中反应物质浓度随着反应的进行逐渐降低，导致电极各处反应速率及反应产生热量不均匀的问题，进而提高了充放电性能和使用寿命的问题。
优选地，液流电池系统为全钒液流电池系统。
采用本发明技术方案设计全钒氧化还原液流电池，举例如下：
例1：
用高导电性多孔石墨毡作为电极材料，将五块比表面积不同但外形尺寸相同的石墨毡电极与石墨集流板热压一体化。每块石墨毡电极尺寸为40mm×200mm×5mm，组成一块200mm×200mm×5mm的石墨毡电极整体，并且五块电极的比表面积在流场方向上递增。用该石墨毡电极与离子交换膜和集流板组成的单电池充放电库伦效率为91.2％，电压效率为88.9％，能量效率为81.1％。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种液流电池，包括：
液流框(1)，具有中间通道，以及与所述中间通道相连通的进液口(11)和出液口(12)；
集流板(2)，设置在所述液流框(1)中间通道内；
离子交换膜，设置在各所述集流板(2)之间，并且所述离子交换膜与所述集流板(2)形成容纳电解液的腔体；
电极(3)，设置在所述腔体内，
其特征在于，
所述电极(3)配置为沿从所述进液口(11)到所述出液口(12)的所述电解液的流动方向比表面积逐渐增大。
2.根据权利要求1所述的液流电池，其特征在于，所述电极(3)的比表面积逐渐增大为非连续性的逐渐增大。
3.根据权利要求2所述的液流电池，其特征在于，所述电极(3)由多块单元电极(31、32、33、34、35)组成；各所述单元电极(31、32、33、34、35)具有不同的比表面积，且相邻的所述单元电极(31、32、33、34、35)的比表面积沿所述电解液流动方向为逐渐增大。
4.根据权利要求1所述的液流电池，其特征在于，所述电极(3)的比表面积逐渐增大为连续性的逐渐增大。
5.根据权利要求4所述的液流电池，其特征在于，所述电极(3)的每个横截面形状相同，且所述电极(3)的沿电解液流动方向的比表面积逐渐增大。
6.根据权利要求4所述的液流电池，其特征在于，所述电极(3)的每个横截面的面积沿所述电解液流动的方向逐渐增大。
7.根据权利要求1所述的液流电池，其特征在于，所述电极(3)为导电性多孔材料。
8.一种液流电池堆，包括多个串联的液流电池，其特征在于，所述液流电池为权利要求1至7中任一项所述的液流电池。
9.一种液流电池系统，包括：液流电池堆、电解液容器和泵，所述电解液容器通过所述泵与所述电池堆的液流框(1)连通，其特征在于，所述液流电池堆为权利要求8所述的液流电池堆。
10.根据权利要求9所述的液流电池系统，其特征在于，所述液流电池系统为全钒液流电池系统。
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