CN102842730A - 全钒液流电池 - Google Patents

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Abstract

一种全钒液流电池，其液流框板开有进、出液孔，液流框板正面开有进、出液支路流道，各液流框板依次按正面对正面、背面对背面的顺序交替排列，相邻液流框板相对正面之间夹有离子交换膜，相邻液流框板相对背面之间夹有导电板，液流框板内框中装有电极，电极的宽高比为3～15，电极的高度为1～25cm，电极的宽度≤200cm。该全钒液流电池采用大宽高比、低高度、大宽度的电极，结构简单，组件少、厚度小、体积小、内阻小、加工容易、组装方便、钒电解液在电极内部的传质效果好、扩散极化小，自放电电流小，功率密度、钒利用率和能量效率高，成本低，效益高。

Description

全钒液流电池
技术领域
本发明属于液流电池领域，特别涉及全钒液流电池。
背景技术
在世界经济艰难复苏、传统能源日益匮乏、地球环境日趋恶化的今天，一场对人类社会影响极其重大深远的新能源产业革命浪潮正在席卷全球！新能源固有的随机性、波动性、间歇性、调峰难、并网难特性，决定了其规模化发展必须要有先进的储能技术作支撑。
全钒液流电池通过不同价态的钒电解液自下而上通过电极循环流动进行电化学反应，从而实现化学能和电能的相互转换。全钒液流电池是当今世界上规模最大、技术最先进、最接近产业化的高效充电燃料电池，具有功率大、能量大、效率高、成本低、寿命长、无污染等优点，在光伏发电、风力发电、分布电站、电网调峰、通讯基站、UPS/EPS电源、交通市政、军用蓄电等广阔领域具有良好应用前景，即将为人类带来前所未有、意义重大深远的新能源产业革命！
全钒液流电池的电化学反应、标准电极电位和标准电动势如下：
负极：V2+—e=V3+                 E0=-0.25V（1）
正极：VO2 ++2H++e=VO2++H2O        E0=1.00V （2）
电池：V2++VO2 ++2H+=V3++VO2++H2O  E0=1.25V（3）
全钒液流电池由电堆、钒电解液储罐、循环泵、管路、充放电等模块组成。电堆由单片电池串联组成。单片电池由离子交换膜、电极、导电板、液流框板、密封圈构成。电极由石墨毡构成，装在液流框板内，位于离子交换膜和导电板之间。液流框板的上部、下部分别设有钒电解液进液、出液支路流道。
在循环泵压力作用下，储罐中的钒电解液通过主路进液流道流进电堆，经单片电池液流框板下部的支路进液流道均匀分流后自下而上均匀流过单片电池电极微孔流道进行电化学反应，反应后的钒电解液经过单片电池液流框板上部的支路进液流道均匀汇流后流出电堆，再通过主路出液流道流回储罐中。
在全钒液流电池出现的早期，电堆的功率不大，单片电池的电极面积较小，电极的宽度和高度接近，电极的宽高比介于1～1.5之间，单片电池外形接近正方形，制作出的电堆外形美观，性能出色。
后来人们在开发更大功率的电堆时，通常参照小功率的电堆进行设计，开发出的大功率电堆通常由小功率电堆按比例逐步放大得到，电极的宽高比仍介于1～1.5之间，单片电池的外形仍然接近正方形，很少有人在开发大功率电堆时认真考虑电极的宽高比问题，也没有人意识到电极的宽高比对大功率电堆的功率密度、钒利用率和能量效率存在重大影响，其主要原因有三个：
第一、电极宽高比介于1～1.5之间、单片电池外形接近正方形已经成为一种常识和思维定势，根深蒂固地植入到设计人员的脑海中，没有人愿意作出改变。所以人们在设计大功率电堆时，出于习惯性的思维方式，仍然把电极的宽高比设计成介于1～1.5之间，单片电池的外形设计成接近正方形。
第二、在大功率电堆中将电极宽高比设计成介于1～1.5之间，单片电池外形设计成接近正方形，虽然电极的高度较高，宽度较窄，钒电解液从电极下部向上部流动受到的阻力很大，但通过在电极表面设置钒电解液导流网（如中国专利200710105754.3）、或在导电板上开设钒电解液流道（如中国专利201110200880.3）、或在电极上开设钒电解液流道（如中国专利200910078434.2），也能获得不错的电堆性能。虽然这样开发出来的大功率电堆的功率密度、钒利用率和能量效率比小功率电堆低一些，但人们受日常经验影响，总是先入为主地认为这是电堆放大后的必然结果，很少有人对电极的宽高比对电堆的功率密度、钒利用率和能量效率的影响作深入研究。
第三、考虑到未来光伏发电、风力发电、分布电站、电网调峰、UPS/EPS电源等广阔领域对大功率、超大功率全钒液流电池的巨大市场需求，人们自然希望能设计开发出功率尽可能大的电堆，很多人甚至想当然地认为电堆的功率越大越好，电极的面积越大越好，因而认为电极的宽度和高度应该接近并且都越大越好，电极的宽高比仍应介于1～1.5之间，单片电池的外形仍应接近正方形。
然而，作为通过化学能和电能相互转换储能的全钒液流电池，其能量转换效率至关重要。特别当全钒液流电池的功率越来越大，规模越来越大，应用越来越广泛时，全钒液流电池的功率密度、钒利用率和能量效率每提高1％，都将带来巨大的经济效益和社会效益。
本发明人在经过长时间的深思熟虑和大量研究的基础上，认识到传统的大功率全钒液流电池电堆设计思想存在技术偏见。对于小功率电堆，电极面积较小，电极宽高比介于1～1.5之间，单片电池外形接近正方形是可以的，但对于kW级以上大功率电堆，电极面积较大，电极的宽高比仍介于1～1.5之间，单片电池的外形仍然接近正方形，则由于电极的高度较高，宽度较窄，厚度又不能太厚（否则电堆内阻太大），钒电解液从电极下部向上部流动扩散的阻力很大，传质困难，导致电堆的功率密度、钒利用率和能量效率很低。虽然可以通过加大电解液循环泵的功率来缓解钒电解液在电极中流动传质困难的问题，但这样不仅增加了电堆及钒电解液管路的密封难度，而且大大降低了全钒液流电池系统总的功率密度、钒利用率和能量效率。
为了使钒电解液的流动阻力减少，中国专利200710105754.3提出在电极表面设置导流网，使钒电解液在电极表面均匀流动。虽然钒电解液的流动阻力有所减少，但由于钒电解液大部分是从电极表面上方直接流过，只有少部分通过电极内部流动，钒电解液在电极内部传质慢、扩散极化大，而且电堆的结构复杂、密封困难、厚度增加、内阻增大，导致电堆的功率密度、钒利用率和能量效率低。
中国专利201110200880.3提出在导电板上开设钒电解液流道，虽然钒电解液的流动阻力有所减少，但由于钒电解液大部分是从导电板的流道中直接流过，只有少部分通过电极内部流动，钒电解液在电极内部传质慢、扩散极化大，而且因导电板两面都有流道，导致导电板厚度增加、加工困难、成本增加、内阻增大，导致电堆的功率密度、钒利用率和能量效率低。
中国专利200910078434.2提出在电极上开设钒电解液流道，部分解决了钒电解液在电极内部传质慢、扩散极化大的问题，但仍有相当部分钒电解液从电极上的流道中直接流过，只有少部分通过电极内部流动，钒电解液在电极内部传质较慢、扩散极化较大，而且电极加工复杂，电极上存在流道沟槽，使电堆内阻也有所增大，导致电堆的功率密度、钒利用率和能量效率较低。
由上可知，只要电极的宽高比仍介于1～1.5之间，单片电池的外形仍然接近正方形，则无论是在电极表面设置钒电解液导流网、或是在导电板上开设钒电解液流道、还是在电极上开设钒电解液流道，全都不能完全解决大功率电堆中钒电解液在电极内部传质困难、扩散极化大的问题，而且还增大了电堆内阻和电堆成本。要想彻底地解决钒电解液在电极内部传质困难、扩散极化大的世界难题，进一步提高大功率电堆的功率密度、钒利用率和能量效率，必须克服传统的技术偏见，对电极的宽高比对钒电解液通过电极的流量、电堆的功率密度、钒利用率和能量效率的影响作深入研究。
发明内容
在循环泵压力作用下，钒电解液克服全钒液流电池流道阻力稳定均匀流动。储罐中的钒电解液通过主路进液流道流进电堆，经各单片电池支路进液流道均匀分流后自下而上均匀流过各单片电池电极微孔流道进行电极反应，反应后钒电解液经各单片电池支路出液流道均匀汇流后流出电堆，再通过主路出液流道流回储罐中。
设钒电解液通过全钒液流电池某段流道的流量为Q，压降为Δp，可定义该段流道对钒电解液的流阻R为
R=Δp/Q                   （4）
由上式可知，因串联流道的流量相同、压降相加，故流阻相加，而并联流道的压降相同、流量相加，故流阻倒数相加。
因全钒液流电池流道由主路流道和电堆流道串联组成，电堆流道由单片电池流道并联组成，单片电池流道由支路流道和电极微孔流道串联组成，设全钒液流电池流道、主路流道、电堆流道、单片电池流道、支路流道、电极微孔流道对钒电解液的流阻分别为R电池、R主路、R电堆、R单片、R支路、R电极，全钒液流电池电堆单片电池片数为N，则
R电池=R主路+R电堆                                （5）
R电堆=R单片/N                                    （6）
R单片=R支路+R电极                                （7）
代式（6）、（7）入（5）得
R电池=R主路+R支路/N+R电极/N                      （8）
通常R主路<<R支路/N<<R电极/N，对15单片电池组成的1kW电堆，若电极的宽高比为1，试验表明R主路：R支路/15：R电极/15≈1：5：100。
钒电解液在循环泵压力作用下自下而上通过电极微孔流道稳定均匀流动，设电极的宽度为B，高度为L，厚度为D，电极的面积为S=BL，截面积为A=BD。因串联流道的流量相同、压降相加，流阻相加，而并联流道的压降相同、流量相加，流阻倒数相加，由式（4）容易推知均匀电极微孔流道对钒电解液的流阻R电极与电极的高度L成正比，与电极的截面积A成反比，即
R电极=ηL/A=ηL/BD                               （9）
式中η在数值上等于单位边长立方体电极对钒电解液产生的流阻，可称为流阻率，在温度、钒电解液、电极材料一定时，η是常量。
由式（9）可知，电极微孔流道的流阻R电极与电极的宽高比B/L成反比，电极的宽高比B/L越大，电极微孔流道的流阻R电极越小。
代式（9）入（8）得
R电池=R主路+R支路/N+ηL/BDN                       （10）
设钒电解液通过全钒液流电池流道的流量为Q电池，压降为Δp电池，由式（4）知全钒液流电池流道对钒电解液的流阻R电池为
R电池=Δp电池/Q电池                              （11）
故
Δp电池=Q电池R电池                               （12）
电解液循环泵对钒电解液做功的功率P泵为
P泵=Δp电池Q电池                                 （13）
代式（12）入（13）得
P泵=Q电池 2R电池                                   （14）
代式（10）入（14）得
P泵=Q电池 2(R主路+R支路/N+ηL/BDN)                 （15）
由于在温度、钒电解液、电极材料、电极厚度、电极面积、电堆单片电池片数、主路流道流阻、支路流道流阻一定时，η、D、S、N、R主路、R支路为常量，由式（15）可知，在电解液循环泵功率P泵一定时，电极的宽高比B/L越大，钒电解液通过全钒液流电池流道的流量Q电池越大，故钒电解液通过单片电池单位电极面积的流量Q电池/NS也越大，因而钒电解液在电极内部的传质效果越好、扩散极化越小，所以全钒液流电池电堆的功率密度、钒利用率和能量效率越高。
电极的宽高比尽可能大，在电极面积一定的前提下意味着电极的高度应尽可能低，电极的宽度应尽可能宽。综合考虑到离子交换膜、电极、导电板、液流框板、密封圈、端压板等电堆组件的材料尺寸、材料成本、加工设备及电堆组装、运输、安装、拆卸、维修的方便性，本发明认为电极的宽高比为3～15，电极的高度为1～25cm，电极的宽度≤200cm较为合理。
本发明的目的在于提供一种全钒液流电池，它采用具有低高度、大宽度、大宽高比的电极，钒电解液在电极内部的传质效果好、扩散极化小、在不增加钒电解液泵功耗的前提下，获得极高的功率密度、钒利用率和能量效率。
本发明的目的是这样实现的：
一种全钒液流电池，包括离子交换膜、电极、导电板、液流框板、正端压板、负端压板、紧固件，其特征是：所述液流框板及其内框均为长方形，液流框板开有进、出液孔；液流框板正面开有进、出液支路流道；进液支路流道的一端与进液孔连通，进液支路流道的另一端与液流框板内框连通；出液支路流道的一端与出液孔连通，出液支路流道的另一端与液流框板内框连通；各液流框板依次按正面对正面、背面对背面顺序交替排列；相邻液流框板相对的正面之间夹有离子交换膜；相邻液流框板相对的背面之间夹有导电板，导电板为长方形，表面不开设流道，在液流框板背面内框边缘处开有环形凹台，导电板装在该环形凹台上；液流框板内框中装有电极，电极为长方形，表面不开设流道，电极的宽高比为3～15，所述液流框板、导电板、电极、离子交换膜、正端压板、负端压板通过紧固件压紧串联成堆。
所述进液孔设置在液流框板下部一角，液流框板下部另一角设置有过液孔，所述出液孔设置在液流框板上部一角，液流框板上部另一角设置有过液孔，进、出液孔呈对角分布，两个过液孔呈对角分布。
所述进液支路流道由两条长直槽迂回连接构成，第一条长直槽通过窄梳形槽与所述进液孔连通，第二条长直槽的侧面通过宽梳形槽与液流框板内框下部连通。
所述出液支路流道由两条长直槽迂回连接构成，第一条长直槽通过窄梳形槽与所述出液孔连通，第二条长直槽的侧面通过宽梳形槽与液流框板内框上部连通。
所述进、出液支路流道上嵌有盖板。
所述液流框板正面设置有定位销，所述液流框板设置有定位孔；所述液流框板背面设置有锁定销；所述液流框板设置有锁定孔；液流框板内框四角设置有定位电极的小凸台；液流框板的背面开有检测槽。
所述离子交换膜的两面边缘、液流框板背面的过液孔边缘、液流框板背面的环形凹台上均设有密封圈，该密封圈由三元乙丙橡胶制成。
所述液流框板由聚氯乙烯或聚丙烯塑料制成；所述导电板由石墨板或导电塑料板制成；所述电极由聚丙烯腈石墨毡制成；所述离子交换膜为全氟离子交换膜。
所述正、负端压板由玻璃纤维增强环氧树脂绝缘板制成，该正、负端压板上分别嵌有正、负集电板，该正、负集电板由黄铜板制成。
所述电极的高度为1～25cm，电极的宽度≤200cm。
若电极的宽高比为1～1.5，将会导致电极微孔流道的流阻过大，钒电解液的流量过小，电堆的功率密度、钒利用率和能量效率过低。
若电极的宽高比增大至3，与传统电极的宽高比1～1.5相比，由式（9）知，电极微孔流道的流阻R电极降低为原来的1/3～1/2，此时主路流道流阻R主路和支路流道总流阻R支路/N仍然很小，由式（15）知，如果电解液循环泵功率P泵一定，钒电解液通过全钒液流电池流道的流量Q电池将增至接近原来的31/2～21/2倍，钒电解液通过单片电池单位电极面积的流量Q电池/NS将增至接近原来的31/2～21/2倍，因而钒电解液在电极内部的传质明显加快、扩散极化明显减小，所以全钒液流电池电堆的功率密度、钒利用率和能量效率明显增加。
若电极的宽高比增大至15，与传统电极的宽高比1～1.5相比，由式（9）知，电极微孔流道的流阻R电极降低为原来的1/15～1/10，电极微孔流道总流阻R电极/N降低到接近主路流道流阻R主路和支路流道总流阻R支路/N之和，由式（15）知，如果电解液循环泵功率P泵一定，钒电解液通过全钒液流电池流道的流量Q电池将增至接近原来的7.51/2～51/2倍，钒电解液通过单片电池单位电极面积的流量Q电池/NS将增至接近原来的7.51/2～51/2倍，因而钒电解液在电极内部的传质大幅加快、扩散极化大幅减小，故全钒液流电池电堆的功率密度、钒利用率和能量效率大幅增加。
若电极的宽高比>15，与电极的宽高比=15相比，不仅电极微孔流道的流阻R电极的降低的绝对值已很少，而且电堆组件的材料尺寸和加工设备条件难以满足，电堆组装、运输、安装、拆卸、维修不便。
电极的高度<1cm，对通常由40个单片电池组成的功率密度为100mW/cm2的1kW电堆，单片电池电极的面积为250cm2，电极、离子交换膜、导电板、液流框板、密封圈、端压板等电堆组件的宽度都将超过250cm，电堆组件的材料尺寸和加工设备条件难以满足，电堆组装、运输、安装、拆卸、维修不便。
电极的高度>25cm，则由于电极微孔流道流阻太大，钒电解液的流量太小，电堆的功率密度、钒利用率和能量效率太低。
电极的宽度>200cm，离子交换膜、导电板、液流框板、密封圈、端压板等电堆组件的宽度都将超过200cm，电堆组件的材料尺寸和加工设备条件难以满足，电堆组装、运输、安装、拆卸、维修不便。
本发明的创新之处在于：
在全钒液流电池的电极和离子交换膜之间不再需要设置导流网，导电板和电极表面也不用再开设流道，电极的宽高比为3～15，电极高度为1～25cm，电极宽度≤200cm，钒电解液在电极内部的传质效果好、扩散极化小，电堆的功率密度、钒利用率和能量效率高。
本发明主要有以下积极有益效果：
第一，全钒液流电池电极和离子交换膜之间不用再设置导流网，不仅简化了电堆结构，降低了电堆成本，而且减少了电堆厚度和电堆内阻；导电板和电极也不用再开设流道，不仅简化了导电板和电极的加工，减少了导电板厚度和电堆厚度，降低了电堆成本，而且避免了导电板和电极上出现凹凸不平的沟槽，有利于将电极在导电板与离子交换膜之间压紧，减少了电堆内阻，从而提高了全钒液流电池的功率密度、钒利用率和能量效率。
第二，本发明全钒液流电池采用大宽度、低高度、大宽高比电极，钒电解液在电极内部的传质效果好、扩散极化小，全钒液流电池电堆的功率密度、钒利用率和能量效率高。
第三，本发明全钒液流电池采用大宽度、低高度、大宽高比电极，与之配套的是大宽度、低高度、大宽高比的液流框板、端压板，因此可使用较薄的端压板即可将电堆均匀压平压紧，从而减轻了全钒液流电池电堆的体积、重量和成本。
本发明采用大宽度、低高度、大宽高比的电极，极大地降低了钒电解液在电极内部的传质扩散阻力，传质效果好、扩散极化小、在不增加钒电解液泵功耗的前提下，获得了极高的功率密度、钒利用率和能量效率，大幅度降低了全钒液流电池的电堆成本和钒电解液成本，大大提高了全钒液流电池的储能效益。
附图说明
图1是本发明一实施例的示意图。
图2是图1的侧视图。
图3是管接头的结构示意图。
图4是图1中正端压板的装配示意图。
图5是图4中正端压板旋转90度后的装配示意图。
图6是图5中第一个单片电池的装配示意图。
图7是图6中第一个单片电池的分解示意图。
图8是图7中正极组件的分解示意图。
图9是图8中A局部的放大图。
图10是图7中膜组件的分解示意图。
图11是图7中负极组件的分解示意图。
图12是图6中第一个单片电池负极组件与第二个单片电池正极组件的分解示意图。
图13是图8中正液流框板旋转90度后的正面分解示意图。
图14是图11中负液流框板正面分解示意图。
图15是图14中负液流框板旋转90度后的背面分解示意图。
图16是图15中B局部的放大图。
图17是图6中第一个单片电池负极组件与第二个单片电池正极组件的组合示意图。
图18是图17中C局部的放大图。
图19是图17中D局部的放大图。
具体实施方式
图中标号：
1正液流框板         2负液流框板           3导电板
4正电极             5离子交换膜           6负电极
7正端压板           8负端压板             9紧固件
10内框              11进液孔              12过液孔
13过液孔            14出液孔              15锁定销
16锁定孔            17盖板                18盖板
19环形凹台          20内框           21进液孔
22过液孔            23过液孔         24出液孔
25锁定销            26锁定孔         27盖板
28盖板              29环形凹台       30密封圈
31支路流道          32窄梳形槽       33长直槽
34窄梳形槽          35定位销         36定位孔
37长直槽            38宽梳形槽       39螺杆
40正极组件          41支路流道       42窄梳形槽
43长直槽            44窄梳形槽       45定位销
46定位孔            47长直槽         48宽梳形槽
49边长              50膜组件         51圆孔
52圆孔              53圆孔           54圆孔
55密封圈            56通孔           57环形凹台
58密封圈座          59弹簧           60负极组件
61进口              62出口           63密封圈座
64密封圈            65密封圈         66密封圈
67密封圈座          68密封圈座       69边长
70小凸台            71进液管接头     72出液管接头
73检测槽            74检测槽         75锁定销
76锁定孔            77正集电板       78负集电板
79螺母              80小凸台         81进液管接头
82出液管接头        83密封圈座       84检测槽
85单片电池          86单片电池       87单片电池
88单片电池          89单片电池       90单片电池
91单片电池          92单片电池       93单片电池
94单片电池          95单片电池       96单片电池
97单片电池          98单片电池       99单片电池电池
请参照图1、图2、图3、图4、图5、图6、图7、图8、图9、图10、图11、图12、图13、图14、图15、图16、图17、图18、图19，本发明是一种全钒液流电池，包括十五片正液流框板1、十五片负液流框板2、十六片导电板3、十五片正电极4、十五片离子交换膜5、三十片密封圈55、十五片负电极6、一块正端压板7、一块负端压板8、十六套紧固件9。上述各正液流框板1、负液流框板2、密封圈55、正端压板7、负端压板8四周边缘均开有位置对应的十六个螺栓孔。正端压板7、负端压板8由玻璃纤维增强环氧树脂绝缘板制成，正端压板7上嵌有正集电板77，负端压板8上嵌有负集电板78，正集电板77、负集电板78均由黄铜板制成。每套紧固件9由螺杆39、弹簧59、螺母79构成。
上述十五片正液流框板1、十五片负液流框板2、十六片导电板3、十五片正电极4、十五片离子交换膜5、三十片密封圈55、十五片负电极6串联，各正液流框板1、负液流框板2依次按正面对正面、背面对背面顺序交替排列；相邻的正液流框板1、负液流框板2相对的正面之间夹有离子交换膜5，相邻的正液流框板1、负液流框板2相对的背面之间夹有导电板3，导电板3为长方形，表面不开设流道，在正液流框板1背面内框边缘处开有环形凹台19，在负液流框板2背面内框边缘处开有环形凹台29，导电板3装在环形凹台19、29围成的空间内，从而组成了如图2所示的十五个单片电池85、86、87、88、89、90、91、92、93、94、95、96、97、98、99。
请参照图1、图6、图7，每个单片电池由一个正极组件40、一个膜组件50、一个负极组件60构成，膜组件50夹在正极组件40、负极组件60之间。
请参照图8、图9，每个正极组件40由一片正液流框板1、一片导电板3、一片正电极4、一片密封圈64、两个密封圈65构成。
请参照图10，每个膜组件50由离子交换膜5和粘在其两面边缘的两片密封圈55组成，离子交换膜5由GEC-105全氟离子膜制成，每片密封圈55的四角分别设置有圆孔51、52、53、54，密封圈55的四周边边缘设有通孔56。密封圈55的作用是将离子交换膜5分别与正液流框板1、负液流框板2的正面之间密封，防止钒电解液泄漏。
本发明将离子交换膜5边缘粘在两个密封圈55之间，不仅大大减少了离子交换膜5上没有正电极4、负电极6覆盖的边角区域，从而大大提高了离子交换膜5的利用率，节省了离子交换膜5的成本，而且避免了离子交换膜5两面上没有正电极4、负电极6覆盖的区域分别与正、负极钒电解液直接接触，从而大大地提高了全钒液流电池的电流效率和能量效率。
请参照图11，每个负极组件60由一片负液流框板2、一片导电板3、一片负电极6、一片密封圈64、两密封圈65构成。请参照图2、图4、图5，正端压板7与第一个单片电池85的正液流框板1共用一块导电板3；请参照图12，第一个单片电池85的负液流框板2与第二个单片电池86的正液流框板1共用一片导电板3；第二个单片电池86的负液流框板2与第三个单片电池87的正液流框板1共用一片导电板3；……依此类推，第十四个单片电池98的负液流框板2与第十五个单片电池99的正液流框板1共用一片导电板3；第十五个单片电池99的负液流框板2与负端压板8共用一块导电板3。
请参照图13，正液流框板1及其内框10均为矩形，进液孔11设置在正液流框板1下部一角，正液流框板1下部另一角设置有过液孔13，出液孔14设置在正液流框板1上部一角，正液流框板1上部另一角设置有过液孔12，进液孔11、出液孔14呈对角分布，过液孔12、过液孔13呈对角分布。
请参照图13，正液流框板1正面下部和上部分别开有进液支路流道31、出液支路流道41。
进液支路流道31由窄梳形槽32、长直槽33、窄梳形槽34、长直槽37、宽梳形槽38连接构成，长直槽33通过窄梳形槽32与进液孔11连通，长直槽37的侧面通过宽梳形槽38与液流框板内框10下部连通。
出液支路流道41由窄梳形槽42、长直槽43、窄梳形槽44、长直槽47、宽梳形槽48连接构成，长直槽43通过窄梳形槽42与出液孔14连通，长直槽47的侧面通过宽梳形槽48与液流框板内框10上部连通。
进液支路流道31、出液支路流道41上分别嵌有盖板17、18，盖板17、18由聚氯乙烯或聚丙烯塑料制成。
请参照图14、图18，负液流框板2及其内框20均为矩形，进液孔21设置在负液流框板2下部一角，负液流框板2下部另一角设置过液孔23，出液孔24设置在负液流框板2上部一角，负液流框板2上部另一角设置过液孔22，进液孔21、出液孔24呈对角分布，过液孔22、23呈对角分布。
请参照图14，负液流框板2正面下部和上部分别开有进液支路流道31、出液支路流道41。
进液支路流道31由窄梳形槽32、长直槽33、窄梳形槽34、长直槽37、宽梳形槽38连接构成，长直槽33通过窄梳形槽32与进液孔11连通，长直槽37的侧面通过宽梳形槽38与液流框板内框20下部连通。
出液支路流道41由窄梳形槽42、长直槽43、窄梳形槽44、长直槽47、宽梳形槽48连接构成，长直槽43通过窄梳形槽42与出液孔14连通，长直槽47的侧面通过宽梳形槽48与液流框板内框20上部连通。
进液支路流道31、出液支路流道41上分别嵌有盖板27、28，盖板27、28由聚氯乙烯或聚丙烯塑料制成。
请参照图7、图8、图12、图13，在正液流框板1背面上设置有锁定销15，在正液流框板1上设置有锁定孔16。
请参照图7、图11、图12、图14，在负液流框板2背面上设置有锁定销25，在负液流框板2上设置有锁定孔26。
请参照图8、图9，正液流框板1背面内框10边缘处开有环形凹台19，导电板3装在该环形凹台19上；导电板3由石墨板或导电塑料板制成。
请参照图8、图9、图12，正电极4装在正液流框板1内框10中。正电极4为长方形，由聚丙烯腈石墨毡制成，表面不开设流道，正电极4一面与离子交换膜5接触，另一面与导电板3接触。正液流框板1内框四角设置有小凸台70，小凸台70的作用一是使正电极4定位，二是使正电极4的上、下边缘分别与正液流框板1的内框10的上、下边缘各形成一个间隙，该间隙对正极钒电解液起缓冲疏导作用，使正极钒电解液能更均匀的流进、流出正电极4，从而有效地减小正电极4的极化，提高正极反应的能量效率。
请参照图15、图16，负液流框板2背面内框20边缘处开有环形凹台29，导电板3装在该环形凹台29上；导电板3由石墨板或导电塑料板制成。
请参照图7、图11、图12、图15、图16、图17、图19，负电极6装在负液流框板2内框20中。负电极6为长方形，由聚丙烯腈石墨毡制成，表面不开设流道，负电极6一面与离子交换膜5接触，另一面与导电板3接触。负液流框板2内框四角设置有小凸台80，小凸台80的作用一是使负电极6定位，二是使负电极6的上、下边缘分别与负液流框板2的内框20的上、下边缘各形成一个间隙，该间隙对负极钒电解液起缓冲疏导作用，使负极钒电解液能更均匀的流进、流出负电极6，从而有效地减小负电极6的极化，提高负极反应的能量效率。
本发明将导电板3夹装在正液流框板1、负液流框板2背面环形凹台19、29围成的空间内，不仅大大减少了导电板3的边角区域，从而大大提高了导电板3的利用率，节省了导电板3的成本，而且避免了导电板3上没有电极覆盖的区域与钒电解液直接接触，从而大大地提高了导电板3的抗腐蚀能力。
请参照图5、图6、图7、图8、图11、图12、图15、图16、图17，正端压板7的背面开有检测槽73，正液流框板1背面开有检测槽74，负液流框板2背面开有检测槽84，负端压板8的背面也对应开有检测槽。
请参照图5、图12、图17，正端压板7上的检测槽73与第一个单片电池85正液流框板1上的检测槽74扣合形成检测孔；第一个单片电池85负液流框板2上的检测槽84与第二个单片电池86正液流框板1上的检测槽74扣合形成检测孔；第二个单片电池86负液流框板2上的检测槽84与第三个单片电池87正液流框板1上的检测槽74扣合形成检测孔；……依此类推，第十四个单片电池98负液流框板2上的检测槽84与第十五个单片电池99正液流框板1上的检测槽74扣合形成检测孔；第十五个单片电池99的负液流框板2上的检测槽84与负端压板8上的检测槽扣合形成检测孔。上述各检测孔与各相应导电板3的侧面正对，通过检测孔可以检测单片电池的电压、温度等重要参数。
请参照图1、图2、图3、图4、图5，正端压板7的下部一角设置有正极钒电解液进口61和进液管接头71，上部一角设置有负极钒电解液出口62和出液管接头72，负端压板8的下部一角设置有负极钒电解液进口和进液管接头81，上部一角设置有正极钒电解液出口和出液管接头82。进液管接头71、出液管接头72、进液管接头81、出液管接头82与端压板螺接的一端嵌有密封圈30防止电解液泄漏。
正端压板7、负端压板8上部另一角设均置有密封圈座58，在该密封圈座58内装有密封圈65。
正端压板7、负端压板8的背面均设置有环形凹台57，在该环形凹台57上分别装有集电板77、集电板78，集电板77、集电板78由黄铜板制成。
请参照图8，正液流框板1背面的过液孔12、13的边缘分别设置有密封圈座58、68，在该密封圈座58、68内分别装有密封圈65。
请参照图15、图16，负液流框板2背面的过液孔22、23的边缘分别设置有密封圈座63、83，在该密封圈座63、83内分别装有密封圈65。
请参照图8、图9，在正液流框板1背面环形凹台19上设置有密封圈64，其作用是将导电板3与环形凹台19之间密封，防止正极钒电解液泄漏。
请参照图15、图16，在负液流框板2背面环形凹台29上设置有密封圈66，其作用是将导电板3与环形凹台29之间密封，以防止负极钒电解液泄漏。
正液流框板1、负液流框板2的结构完全相同。正液流框板1、负液流框板2均由聚氯乙烯或聚丙烯塑料制成。
请参照图5、图8、图9，组装时，第一片导电板3安装在正端压板7背面环形凹台57内的正集电板77和第一个单片电池85正液流框板1背面环形凹台19围成的空间内，通过锁定销75、锁定孔76分别与锁定孔16、锁定销15配合锁定。
请参照图12，第一个单片电池85的负液流框板2的背面与相邻的第二个单片电池86的正液流框板1的背面相对，通过锁定销15、锁定孔16分别与锁定孔26、锁定销25配合锁定；……依此类推，第十四个个单片电池98的负液流框板2的背面与相邻的第十五个单片电池99的正液流框板1的背面相对，通过锁定销15、锁定孔16分别与锁定孔26、锁定销25配合锁定。前一个单片电池的负液流框板2与相邻的后一个单片电池正液流框板1共用一片导电板3，导电板3由环形凹台19、29定位。
第十六片导电板3安装在负端压板8背面环形凹台内的负集电板78和第十五个单片电池85负液流框板2背面环形凹台29围成的空间内，通过锁定销25、锁定孔26分别与负端压板8背面的锁定孔、锁定销配合锁定。
第一个单片电池85至第十五个单片电池99中各个单片电池的组装方式相同，请参照图7，每个单片电池正极组件40中正液流框板1的正面与负极组件60中负液流框板2的正面相对，膜组件50夹在该单片电池的正极组件40、负极组件60的之间，通过定位销35、定位孔36分别与定位孔46、定位销45配合定位。
各单片电池按上述串联方式组装在一起后，形成正极钒电解液的进、出液主通道和负极钒电解液的进、出液主通道：
正极钒电解液的进液主通道由正端压板7进口61上的进液管接头71、十五个正液流框板1上的进液孔11、三十个密封圈55上的圆孔51、十五个负液流框板2上的过液孔23连通构成；
正极钒电解液的出液主通道由十五个正液流框板1上的出液孔14、三十个密封圈55上的圆孔54、十五个负液流框2上的过液孔22、负端压板8出口上的出液管接头82连通构成；
负极钒电解液的进液主通道由负端压板8进口上的进液管接头81、十五个负液流框板2上的进液孔21、三十个密封圈55上的圆孔53、十五个正液流框板1上的过液孔13连通构成；
负极钒电解液的出液主通道由十五个负液流框板2上的出液孔24、三十个密封圈55上的圆孔52、十五个正液流框板2上的过液孔12、正端压板7出口62上的出液管接头72连通构成。
正液流框板1、负液流框板2、导电板3、正电极4、离子交换膜5、负电极6、正端压板7、负端压板9通过紧固件9压紧串联成堆。
本发明的全钒液流电池工作原理是：
正极储罐中的正极钒电解液在正极循环泵的作用下通过进液主管道经进液管接头71进入正极钒电解液的进液主通道，通过各单片电池正液流框板1上的进液支路流道31进行分流，依次流经窄梳形槽32、长直槽33、窄梳形槽34、长直槽37、宽梳形槽38，进一步分流进入正液流框板1内框下边缘与正电极4下边缘之间的间隙形成的缓冲区域，然后均匀流进正电极4中的聚丙烯腈石墨毡纤维表面参与正极反应，反应后流出汇聚到正液流框板1内框上边缘与正电极4上边缘的间隙形成的缓冲区域，再依次流经由宽梳形槽48、长直槽47、窄梳形槽44、长直槽43、窄梳形槽42构成的出液支路流道41，然后汇流进入正极钒电解液的出液主通道，经出液管接头82通过出液主管道最后又流回正极储罐中；
负极储罐中的负极钒电解液在负极循环泵的作用下通过进液主管道经进液管接头81进入负极钒电解液的进液主通道，通过各单片电池负液流框板2上的进液支路流道31进行分流，依次流经窄梳形槽32、长直槽33、窄梳形槽34、长直槽37、宽梳形槽38，进一步分流进入负液流框板2内框下边缘与负电极6下边缘之间的间隙形成的缓冲区域，然后均匀流进负电极6中的聚丙烯腈石墨毡纤维表面参与负极反应，反应后流出汇聚到负液流框板2内框上边缘与负电极6上边缘的间隙形成的缓冲区域，再依次流经由宽梳形槽48、长直槽47、窄梳形槽44、长直槽43、窄梳形槽42构成的出液支路流道41，然后汇流进入负极钒电解液的出液主通道，经出液管接头72通过出液主管道最后又流回负极储罐中。
正液流框板1、负液流框板2的厚度为5mm，外框尺寸为746mmx196mm，内框10、20尺寸为625mmx86mm；
正液流框板1的进液孔11、过液孔12、过液孔13、出液孔14的孔径为Φ18mm；
负液流框板2的进液孔21、过液孔22、过液孔23、出液孔24的孔径为Φ18mm；
进液支路流道31、出液支路流道41的深度为2.8mm、宽度为8mm、总长度为1329mm；
正液流框板1、负液流框板2背面环形凹台19、29的深度为2.2mm、宽度为5mm；
导电板3的尺寸为635mmx96mmx3mm；
离子交换膜5的尺寸为640mmx100mmx0.127mm；
正电极4、负电极6的高度L在图8、图11、图12中用边长49表示，正电极4、负电极6的宽度B在图中用边长69表示。
正电极4、负电极6的高度L为80mm，宽度B为625mm，厚度为5mm，面积为500cm2。正电极4、负电极6的宽高比为7.81。
本发明与中国专利公开200910078434.2的全钒液流电池技术参数对比见下表1。
由表1可知，本发明全钒液流电池采用浓度均为2mol/L的正极钒电解液和负极钒电解液各20L，在电流密度100mA/cm2即电流50A时，放电电压平台1.3V，功率密度130mW/cm2，全钒液流电池功率975W，能量效率87.8％，最大功率超过4000W。
与中国专利公开200910078434.2相比，本发明在单片电池数量、钒电解液的体积和浓度、电解液循环泵型号、充放电制度等条件完全相同，但在电极上未开设流道而且电极面积减少20％（625cm2减至500cm2）的情况下，将电极的高度从207mm减低至80mm，电极的宽度从302mm增大至625mm，电极的宽高比从1.46增加至7.81，功率密度提高了30％（100mW/cm2增至130mW/cm2），钒利用率提高了10.8％（12.6Wh/mol增至13.9Wh/L），能量效率提高了3.7％（84.8％增至87.9％），不仅使全钒液流电池电堆成本和钒电解液成本分别相应减少了30％和10.8％，而且使全钒液流电池的储能效益提高了3.7％，因此本发明具有巨大的经济社会效益。
表1全钒液流电池技术参数对比
  发明   中国专利公开200910078434.2   本发明
  液流电池   GEFC-19V50A1h-VRB   GEC-19V50A1h-VRB
  单片电池   15   15
  电极尺寸   30.2cm×20.7cm×0.5cm   62.5cm×8cm×0.5cm
  电极面积   30.2cm×20.7cm=625cm2   62.5cm×8cm=500cm2
  电极宽高比   30.2cm/20.7cm=1.46   62.5cm/8cm=7.81
  钒电解液   40L2mol/L V(IV/III)   40L2mol/L V(IV/III)
  电解液泵   MP-20RX磁力驱动循环泵   MP-20RX磁力驱动循环泵
  放电限压   15×1.0V=15V   15×1.0V=15V
  充电限压   15×1.6V=24V   15×1.6V=24V
  额定电流   50A   50A
  电流密度   50A/625cm2=80mA/cm2   50A/500cm2=100mA/cm2
  放电容量   53.5Ah   57.0Ah
  放电时间   53.5Ah/50A=1.07h   57.0Ah/50A=1.14h
  充电容量   54.8Ah   58.2Ah
  电流效率   53.5Ah/54.8Ah=97.6％   57.0Ah/58.2Ah=97.9％
  放电能量   1004Wh   1112Wh
  额定功率   1004Wh/1.07h=938W   1112Wh/1.14h=975W
  额定电压   1004Wh/53.5Ah=18.8V   1112Wh/57.0Ah=19.5V
  单片电压   18.8V/15=1.25V   19.5V/15=1.30V
  功率密度   1.25V×80mA/cm2=100mW/cm2   1.30V×100mA/cm2=130mW/cm2
  钒利用率   1004Wh/40L/2mol/L=12.6Wh/mol   1112Wh/40L/2mol/L=13.9Wh/mol
  充电能量   1185Wh   1266Wh
  能量效率   1004Wh/1185Wh=84.7％   1112Wh/1266Wh=87.8％
  电压效率   84.7％/97.6％=86.8％   87.8％/97.9％=89.7％
  最大功率   >3000W   >4000W

Claims (10)

1.一种全钒液流电池，包括离子交换膜、电极、导电板、液流框板、正端压板、负端压板、紧固件，其特征是：所述液流框板及其内框均为长方形，液流框板开有进、出液孔；液流框板正面开有进、出液支路流道；进液支路流道的一端与进液孔连通，进液支路流道的另一端与液流框板内框连通；出液支路流道的一端与出液孔连通，出液支路流道的另一端与液流框板内框连通；各液流框板依次按正面对正面、背面对背面顺序交替排列；相邻液流框板相对的正面之间夹有离子交换膜；相邻液流框板相对的背面之间夹有导电板，导电板为长方形，表面不开设流道，在液流框板背面内框边缘处开有环形凹台，导电板装在该环形凹台上；液流框板内框中装有电极，电极为长方形，表面不开设流道，电极的宽高比为3～15，所述液流框板、导电板、电极、离子交换膜、正端压板、负端压板通过紧固件压紧串联成堆。
2.如权利要求1所述全钒液流电池，其特征是：所述进液孔设置在液流框板下部一角，液流框板下部另一角设置有过液孔，所述出液孔设置在液流框板上部一角，液流框板上部另一角设置有过液孔，进、出液孔呈对角分布，两个过液孔呈对角分布。
3.如权利要求1所述全钒液流电池，其特征是：所述进液支路流道由两条长直槽迂回连接构成，第一条长直槽通过窄梳形槽与所述进液孔连通，第二条长直槽的侧面通过宽梳形槽与液流框板内框下部连通。
4.如权利要求1所述全钒液流电池，其特征是：所述出液支路流道由两条长直槽迂回连接构成，第一条长直槽通过窄梳形槽与所述出液孔连通，第二条长直槽的侧面通过宽梳形槽与液流框板内框上部连通。
5.如权利要求1所述全钒液流电池，其特征是：所述进、出液支路流道上嵌有盖板。
6.如权利要求1所述全钒液流电池，其特征是：所述液流框板正面设置有定位销，所述液流框板设置有定位孔；所述液流框板背面设置有锁定销；所述液流框板设置有锁定孔；液流框板内框四角设置有定位电极的小凸台；液流框板的背面开有检测槽。
7.如权利要求1所述全钒液流电池，其特征是：所述离子交换膜的两面边缘、液流框板背面的过液孔边缘、液流框板背面的环形凹台上均设有密封圈，该密封圈由三元乙丙橡胶制成。
8.如权利要求1所述全钒液流电池，其特征是：所述液流框板由聚氯乙烯或聚丙烯塑料制成；所述导电板由石墨板或导电塑料板制成；所述电极由聚丙烯腈石墨毡制成；所述离子交换膜为全氟离子交换膜。
9.如权利要求1所述全钒液流电池，其特征是：所述正、负端压板由玻璃纤维增强环氧树脂绝缘板制成，该正、负端压板上分别嵌有正、负集电板，该正、负集电板由黄铜板制成。
10.如权利要求1所述全钒液流电池，其特征是：所述电极的高度为1～25cm，电极的宽度≤200cm。
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