CN102290593A - 液流电池堆及具有其的液流电池系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种液流电池堆及具有其的液流电池系统，其中，液流电池堆包括：液流框；集流板，设置在液流框内；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，液流框的侧面上设有两组液流口，每组液流口均包括：进液口和出液口，并且，每组液流口中的进液口和出液口一一对应地设置并与一个对应的腔体连通；液流电池堆还包括：电解液管道，每组液流口中的进液口和出液口分别具有一个对应的电解液管道并与该对应的电解液管道连通。本发明提供了一种装配简单、后续维护操作简单并且成本较低的液流电池堆及具有其的液流电池系统，有效解决了现有技术中装配复杂，后续维护操作复杂的问题。

Description

液流电池堆及具有其的液流电池系统
技术领域
本发明涉及液流电池领域，具体而言，涉及一种液流电池堆及具有其的液流电池系统。
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，由多个单体电池依次叠放压紧并且串联组成电池堆5。
现有的液流电池堆中，主液流通道由液流框等部件上相应的液流孔依次叠放压紧形成，主液流方向一般垂直于液流框和集流板所在平面。主液流通道一般分为正极电解液流通道和负极电解液流通道，正极、负极电解液流通道均包括进液通道和出液通道。正、负极两个进液通道和正、负极两个出液通道布置在矩形(含正方形)液流框的四角处，并且，正、负极两个进液通道相邻设置，正极进液通道与正极出液通道呈对角线位置设置，负极进液通道与负极出液通道呈对角线位置设置。
这种传统的设计方式装配过程中操作难度大，并且，后续维护或者更换操作复杂，一旦出现局部密封问题就需要将整个液流电池堆拆开进行处理，极为不方便。
同时，现有技术的液流通道需要在集流板和离子交换膜上打孔，一方面加工和组装难度增加，另一方面对于成本较高的集流板和离子交换膜利用率低，造成电池堆成本上升。
发明内容
本发明旨在提供一种装配简单、后续维护或者更换操作简单并且成本较低的液流电池堆及具有其的液流电池系统。
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堆，包括：液流框；集流板，设置在液流框内；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，液流框的侧面上设有两组液流口，每组液流口均包括：进液口和出液口，并且，每组液流口中的进液口和出液口一一对应地设置并与一个对应的腔体连通；液流电池堆还包括：电解液管道，每组液流口中的进液口和出液口分别具有一个对应的电解液管道并与该对应的电解液管道连通。
进一步地，本发明的液流电池堆还包括：密封件，设置在每组液流口中的进液口和出液口与该对应的电解液管道的连接处。
进一步地，电解液管道包括：主管道，与存储电解液的容器连通；支管道，设置在主管道和液流框的液流口之间。
进一步地，每个电解液管道包括多个支管道，各支管道相互平行，并且各支管道之间的距离与各液流框之间的距离相等。
进一步地，主管道为刚性管道或柔性管道。
进一步地，支管道为刚性管道或柔性管道。
进一步地，主管道和/或支管道呈折弯形。
进一步地，液流口中的进液口和出液口设置在液流框的相对的侧面上。
进一步地，进液口的轴线和出液口的轴线相互平行。
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，液流电池堆为权利要求1至10中任一项的液流电池堆。
进一步地，液流电池系统为全钒液流电池系统。
应用本发明的技术方案，在液流框的侧面上设有两组液流口，每组液流口均包括：进液口和出液口，并且，每组液流口中的进液口和出液口一一对应地设置并与一个对应的腔体连通。本发明的电池堆另设有电解液管道，该电解液管道设置在液流框外部，并且与对应的每组液流口中的进液口和出液口分别连通。电解液管道与液流口之间需要靠结构本身或者密封圈进行密封。由于电解液管道与每个液流口之间分别进行密封，这样，后续维护或更换过程中，只需要针对老化或损坏的密封部位进行维护或更换即可。这样，使得后续维护操作简单。同时，由于液流口设置在液流框的侧面，这样，不需要在集流板和离子交换膜上打孔，进而，降低了加工和装配难度、同时降低了电池堆的成本。
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及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堆的实施例一的结构示意图；
图3示出了图2的液流电池堆的实施例一的单电池的结构示意图；
图4a示出了图3的单电池的A-A向剖面示意图，其中图中不包含离子交换膜；
图4b示出了图3的单电池的B-B向剖面示意图，其中图中不包含离子交换膜；
图5示出了图2的液流电池堆的实施例一的液流管道的立体结构示意图；
图6示出了图5的液流管道的剖视图；
图7示出了根据本发明的液流电池堆的实施例二的结构示意图；以及
图8示出了根据本发明的液流电池堆的实施例三的结构示意图。
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堆的实施例一的结构示意图；图3示出了图2的液流电池堆的实施例一的单电池的结构示意图；图4a示出了图3的单电池的A-A向剖面示意图，其中图中不包含离子交换膜；图4b示出了图3的单电池的B-B向剖面示意图，其中图中不包含离子交换膜；图5示出了图2的液流电池堆的实施例一的液流管道的立体机构示意图；图6示出了图5的液流管道的剖视图。
结合参见图2至图3，从图中可以看出，实施例一的液流电池堆的单电池包括：液流框1、集流板2、电极3、离子交换膜4、隔膜框6、密封圈7、液流口8和液流口9。其中，集流板2与多孔电极3一体化后设置在液流框1内；离子交换膜4设置在隔膜框6内，液流框1与隔膜框6之间通过密封圈7压紧密封，使得离子交换膜4和集流板2之间形成容纳电解液的腔体。由图3所示的单电池包括上述液流框1、隔膜框6、设置在液流框1内的集流板2和电极3，以及设置在隔膜框6内的离子交换膜4。实施例一的液流电池堆如图2所示，该液流堆通过上述结构复制叠压而成。
结合参见图2至图4b，从图中可以看出，实施一的液流电池堆的液流框1的侧面上设有两组液流口，每组液流口8和液流口9均包括：进液口和出液口，并且，如图4a和图4b所示，每组液流口8和液流口9中的进液口和出液口一一对应地设置并与一个对应的腔体连通。
如图2所示，该液流电池堆还包括：电解液管道，该电解液管道设置在液流框1的外部。每组液流口8和液流口9中的进液口和出液口分别具有一个对应的电解液管道并与该对应的电解液管道连通。
在实施例一中，电解液管道与液流口8和液流口9之间可以靠结构本身或者密封圈进行密封，这样，有效解决了现有技术中密封过程复杂的问题。由于电解液管道与每个液流口之间分别进行密封，这样，后续维护或更换过程中，只需要针对老化或损坏的密封部位进行维护或更换即可。此过程中不需要将液流框1、集流板2、电极3和离子交换膜4等结构拆开并重新装配，这样，维护和更换过程简单易操作。另外，由于液流口8和液流口9设置在液流框1的侧面，这样，不需要在集流板2和离子交换膜4上打孔，进而，降低了加工和组装难度、同时降低了电池堆的成本。
在一种优选的实施例中，如图2所示，液流口8中的进液口和出液口设置在液流框1的相对的两个侧面上，液流口9的进液口和出液口设置在液流框1的另外两个相对的侧面上。这样，进液口和出液口的尺寸可以增大甚至接近于液流框1的边长，有效地加快了电解液的流速，使得反应速度随之加快，进而提高了充放电效率。
优选地，上述结构中，进液口的轴线和出液口的轴线相互平行。优选地，进液口和出液口设置在液流框的对角位置上，这样，电解液从进液口至出液口的流动过程中，易于覆盖更多的反应区域，可以从一定程度上避免因反应不均匀带来的极化问题。
优选地，上述的液流电池堆还包括：密封件，设置在每组液流口8和液流口9中的进液口和出液口与该对应的电解液管道的连接处。此处密封件所使用的密封材料可以是本领域技术人员结合其所掌握的基本知识所能获得的各种材料。
优选地，结合参见图5和图6，从图中可以看出，电解液管道包括：主管道11和与主管道11连接的支管道12。主管道11用于与存储电解液的容器连通；支管道12设置在主管道11和液流框1的液流口之间。在本实施例中，主管道11具有支架10进行支撑。主管道11和支管道12之间可以固定连接在一起，也可以采取部分或全部可拆卸地连接。上述部件的材质可以是能够满足氧化还原液流电池系统使用环境的任意材料。根据所选材质、装配条件及管道设计等要求的不同，主管道11和支管道12可以是刚性结构或非刚性结构。
优选地，主管道11和支管道12均为刚性管道。上述结构在输入输出电解液的同时，还能起到装配电池堆的作用。另外，可适当延长支管道12的长度、增大其管径，以减小旁路电流与液体泵消耗，优化能量效率。
优选地，上述液流电池堆中，每个电解液管道包括多个支管道12，各支管道12相互平行，并且各支管道12之间的距离与各液流框1之间的距离相等，具体说，相邻两个支管道12之间的距离与压紧密封圈后的两个相邻液流框1之间的距离相等。
如图7所示，从图中可以看出，实施例二的液流电池堆与实施例一的液流电池堆的区别在于，主管道11和支管道12均为柔性管道，该柔性管道优选为软管。主管道11和支管道12之间角度、间距等均可变化，并且，两个相邻支管道12之间的距离无需精确设计。实施例二中，主管道11和支管道12只负责电解液的传输；电池堆的装配及密封可通过常规的端板螺栓加压实现。另外，可适当延长支管道12的长度、增大其管径，以减小旁路电流与液体泵消耗，优化能量效率。
如图8所示，实施例三的液流电池堆的主管道11和支管道12之间为可拆卸连接，并通过对主管道11或支管道12的设计，通过调整相邻单电池间或电堆间液流长度、管道材质(不同材料阻尼不同)、管径大小等参数，实现相邻电池间或电堆间液流速度的均匀性，降低电池堆的旁路电流。具体地说，该设计为调整液流长度，主管道11进行迂回设计并在适当的位置接出支管道12(未图示)；或者，如图8所示，主管道11采取直管设计而支管道12采用折弯迂回设计；或者主管道11与支管道12同时采取迂回设计(未图示)。综合协调每个单电池得到的液流速率和单电池间液流长度，有效增大单电池或电池堆之间的支路电阻，起到减小旁路电流，优化能量效率的作用。
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，电解液容器通过泵与电池堆的液流框1连通，液流电池堆为上述的液流电池堆。优选地，液流电池系统为全钒液流电池系统。
从以上的描述中，可以看出，本发明上述的实施例实现了如下技术效果：
1、液流管道设置在液流框外部，使得电池堆的可设计性更强。可根据不同的各项设计要求，分开调节液流管道和/或电池堆主体部分(液流框、隔膜框、设置在液流框内的集流板和电极，以及设置在隔膜框内的离子交换膜等)相应的设计参数以优化电池系统的性能。该液流电池堆设计思路可拓展至大规模储能电池模块设计，电解液管道的分离设计便于大规模电池模块的集成与装配。
2、电池堆内部液流框之间密封结构简单，装配方便，组件较少，充放电极化小，能量效率高。
3、有效减少了集流板的浪费，使集流板设计更加简单可行。
4、该液流电池方案可通过对液流管道进行相应的设计，降低旁路电流；并且液流管道和液流框之间、主管道和支管道及电池堆内部可设计为可组装拆卸的方式，方便实现对电池电堆的管理及维修等。
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：
选用高导电性多孔石墨毡作为电极材料，石墨平板作为集流板，使用Nafion膜作为离子交换膜，将该电池组按本发明所述实施例一为指导，制备具有新型结构设计的全钒氧化还原液流电池系统。该电池系统充放电库伦效率为87.2％，电压效率为86.7％，能量效率为75.6％。
例2：
选用高导电性多孔石墨毡作为电极材料；石墨板作为集流板，并对石墨板进行平行流道设计；使用Nafion膜作为离子交换膜；将该电池组按本发明所述实施例一为指导，制备具有新型结构设计的全钒氧化还原液流电池系统。该电池系统充放电库伦效率为87.3％，电压效率为88.3％，能量效率为77.1％。
例3：
选用高导电性多孔石墨毡作为电极材料，石墨平板作为集流板，使用Nafion膜作为离子交换膜，将该电池组按本发明所述实施例二为指导，制备具有新型结构设计的全钒氧化还原液流电池系统。该电池系统充放电库伦效率为90.1％，电压效率为85.3％，能量效率为76.9％。
例4：
选用高导电性多孔石墨毡作为电极材料；石墨板作为集流板，并对石墨板进行流道设计；使用Nafion膜作为离子交换膜；将该电池组按本发明所述实施例三为指导，制备具有新型结构设计的全钒氧化还原液流电池系统。该电池系统充放电库伦效率为92.3％，电压效率为89.1％，能量效率为82.2％。
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 (11)

1.一种液流电池堆，包括：
液流框(1)；
集流板(2)，设置在所述液流框(1)内；
离子交换膜(4)，设置在各所述集流板(2)之间，并且所述离子交换膜(4)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，所述液流框(1)的侧面上设有两组液流口，每组所述液流口(8、9)均包括：进液口和出液口，并且，每组所述液流口(8、9)中的所述进液口和出液口一一对应地设置并与一个对应的所述腔体连通；
所述液流电池堆还包括：
电解液管道，每组所述液流口(8、9)中的进液口和出液口分别具有一个对应的所述电解液管道并与该对应的电解液管道连通。
2.根据权利要求1所述的液流电池堆，其特征在于，还包括：密封件，设置在每组所述液流口(8、9)中的进液口和出液口与该对应的电解液管道的连接处。
3.根据权利要求1所述的液流电池堆，其特征在于，所述电解液管道包括：
主管道(11)，与存储所述电解液的容器连通；
支管道(12)，设置在所述主管道(11)和所述液流框(1)的液流口之间。
4.根据权利要求3所述的液流电池堆，其特征在于，每个所述电解液管道包括多个所述支管道(12)，各所述支管道(12)相互平行，并且各所述支管道(12)之间的距离与各液流框(1)之间的距离相等。
5.根据权利要求3所述的液流电池堆，其特征在于，所述主管道(11)为刚性管道或柔性管道。
6.根据权利要求5所述的液流电池堆，其特征在于，所述支管道(12)为刚性管道或柔性管道。
7.根据权利要求5或6所述的液流电池堆，其特征在于，所述主管道(11)和/或支管道(12)呈折弯形。
8.根据权利要求1所述的液流电池堆，其特征在于，所述液流口(8、9)中的所述进液口和出液口设置在所述液流框(1)的相对的侧面上。
9.根据权利要求8所述的液流电池堆，其特征在于，所述进液口的轴线和所述出液口的轴线相互平行。
10.一种液流电池系统，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1至9中任一项所述的液流电池堆。
11.根据权利要求10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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