CN103647091B - 双极板组件和液流电池 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种双极板组件和液流电池。双极板组件包括双极板本体，双极板本体具有导流槽和用于容纳电极的反应凹槽，双极板组件还包括导流管，导流管设置在导流槽内，且导流管与导流槽形状相适应，导流管的第一端与双极板本体的第一进液口或第一出液口连通，导流管的第二端与双极板本体的反应凹槽连通。由于设置有导流管，因而电解液在导流管内流动，从而使电解液与离子交换膜隔离，避免正、负极电解液与离子交换膜离子交换，进而保证了正、负极电解液容量均衡、保证了液流电池的容量、提高了液流电池的导电性能、减少了旁路电流。同时，本发明中的双极板组件具有结构简单、制造成本低的特点。
Description
技术领域
本发明涉及液流电池技术领域，更具体地，涉及一种双极板组件和液流电池。
背景技术
现有技术中的液流电池堆包括多个依次叠放设置的液流电池。
现有技术中的液流电池包括离子交换膜、电极和双极板本体，电极设置在双极板本体的反应凹槽内，电极设置在离子交换膜和双极板本体之间，且双极板本体的导流槽朝向离子交换膜一侧设置。
在液流电池工作时，电解液需要通过导流槽流入反应凹槽内，因而正、负极电解液在流经导流槽时与离子交换膜充分接触、进行离子交换，从而导致正、负极电解液容量不均衡、导致液流电池堆容量下降、导电性能下降、旁路电流损失，进而导致液流电池堆无法正常运转。
发明内容
本发明旨在提供一种双极板组件和液流电池，以解决现有技术液流电池容量低、导电性能差的问题。
为解决上述技术问题，根据本发明的一个方面，提供了一种双极板组件，包括双极板本体，双极板本体具有导流槽和用于容纳电极的反应凹槽，双极板组件还包括导流管，导流管设置在导流槽内，且导流管与导流槽形状相适应，导流管的第一端与双极板本体的第一进液口或第一出液口连通，导流管的第二端与双极板本体的反应凹槽连通。
进一步地，导流管的第二端的管壁上具有液流孔，液流孔朝向反应凹槽一侧设置。
进一步地，液流孔为多个，多个液流孔沿导流管的第二端的长度方向依次排列设置。
进一步地，导流管是耐酸的绝缘材料制成的。
进一步地，双极板组件还包括挡块，挡块为多个，多个挡块间隔排列设置在导流槽与反应凹槽连通的开口处，相邻两个挡块之间形成电解液分配沟槽，导流槽通过电解液分配沟槽与反应凹槽连通。
进一步地，导流管的多个液流孔与多个电解液分配沟槽一一对应设置。
进一步地，导流槽与反应凹槽连通的开口的长度等于反应凹槽的宽度。
根据本发明的另一个方面，提供了一种液流电池，包括电极、离子交换膜和双极板组件，电极设置在离子交换膜与双极板组件之间，双极板组件是上述的双极板组件，电极设置在双极板组件的双极板本体的反应凹槽内，且双极板组件的导流管设置在离子交换膜与双极板组件的双极板本体的导流槽之间。
进一步地，液流电池还包括密封垫片，密封垫片设置在双极板组件与离子交换膜之间。
进一步地，密封垫片具有：第二进液口，第二进液口与双极板组件的双极板本体的第一进液口连通；第二出液口，第二出液口与双极板组件的双极板本体的第一出液口连通；用于避让电极的避让孔，电极位于避让孔内。
本发明中的导流管设置在双极板本体的导流槽内，且导流管与导流槽形状相适应，导流管的第一端与双极板本体的第一进液口或第一出液口连通，导流管的第二端与双极板本体的反应凹槽连通。由于设置有导流管，因而电解液在导流管内流动，从而使电解液与离子交换膜隔离，避免正、负极电解液与离子交换膜离子交换，进而保证了正、负极电解液容量均衡、保证了液流电池的容量、提高了液流电池的导电性能、减少了旁路电流。同时，本发明中的双极板组件具有结构简单、制造成本低的特点。
附图说明
构成本申请的一部分的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示意性示出了本发明中的双极板本体的结构示意图；
图2示意性示出了图1中A-A向的剖视图；
图3示意性示出了本发明中的双极板本体与电极的连接关系示意图；
图4示意性示出了本发明中的导流管的结构示意图；
图5示意性示出了本发明中的导流管与双极板本体的连接关系示意图；
图6示意性示出了本发明中的密封垫片的结构示意图；
图7示意性示出了本发明中的密封垫片、电极和双极板组件的连接关系示意图；
图8示意性示出了图7中B-B向的剖视图；
图9示意性示出了本发明中的液流电池的结构示意图；
图10示意性示出了本发明中一个优选实施例中密封垫片、液流框、电极和双极板组件的连接关系示意图；以及
图11示意性示出了本发明中另一个优选实施例中密封垫片、液流框、电极和双极板组件的连接关系示意图。
图中附图标记：10、双极板本体；11、导流槽；12、反应凹槽；13、第一进液口；14、第一出液口；20、电极；30、导流管；31、液流孔；40、挡块；41、电解液分配沟槽；50、离子交换膜；60、密封垫片；61、第二进液口；62、第二出液口；63、避让孔；70、液流框；80、标记缺口。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。
作为本发明的第一个方面，提供了一种双极板组件。如图1至图5所示的实施例中，双极板组件包括双极板本体10和导流管30，双极板本体10具有导流槽11和用于容纳电极20的反应凹槽12，导流管30设置在导流槽11内，且导流管30与导流槽11形状相适应，导流管30的第一端与双极板本体10的第一进液口13或第一出液口14连通，导流管30的第二端与双极板本体10的反应凹槽12连通。由于设置有导流管30，因而电解液在导流管30内流动，从而使电解液与离子交换膜50隔离，避免正、负极电解液与离子交换膜50离子交换，进而保证了正、负极电解液容量均衡、保证了液流电池的容量、提高了液流电池的导电性能、减少了旁路电流。同时，本发明中的双极板组件具有结构简单、制造成本低的特点。
如图4和图5所示的实施例中，导流管30的第二端的管壁上具有液流孔31，液流孔31朝向反应凹槽12一侧设置。由于设置有液流孔31，因而导流管30通过液流孔31实现与反应凹槽12的连通，从而用于导流电解液。在上述实施例中，导流管30为曲折管道。
如图4所示的实施例中，液流孔31为多个，多个液流孔31沿导流管30的第二端的长度方向依次排列设置。由于设置有多个液流孔31，因而可以增加单位时间内导流管30与反应凹槽12的电解液流动容量和速率，从而保证电极与电解液充分反应，进而保证液流电池的正常运行。当然，工作人员可以通过控制液流孔31的个数，控制液流电池中电解液的流动容量和速率，从而控制液流电池的容量和导电性能。
本发明中的导流管30是耐酸的绝缘材料制成的。当然，导流管30还可以是塑料材料或其他绝缘高分子材料制成的。由于电解液通过导流管30与反应凹槽12连通，因而电解液不会与双极板本体10的导流槽11接触，从而避免了旁路电流损失，进而保证了液流电池的能力效率、电流效率、导电性能和电池容量。
优选地，导流管30是聚氯乙烯或聚丙烯等塑料材料制成的。
如图2和图3所述的实施例中，双极板本体10的两侧均设置有反应凹槽12，正、负电极分别设置在上述两个反应凹槽12内。如图5所示的实施例中，双极板本体10的同一侧面设置有两个导流管30，两个导流管30中的一个导流管30用于将第一进液口13流入的电解液导流至反应凹槽12内，两个导流管30中的另一个导流管30用于将反应凹槽12内的电解液导流到第一出液口14以排出。并且，在该实施例中，双极板本体10的两侧均设置有两个导流管30。由于一个双极板本体10通过四个导流管30与其相邻的离子交换膜50进行隔离，因而保证了液流电池的导电性能和电池容量，从而提高了液流电池的使用可靠性和稳定性。
优选地，本发明中的双极板本体10采用石墨板或者是高分子与石墨的导电复合材料制成的。
如图1和图5所示的实施例中，双极板组件还包括挡块40，挡块40为多个，多个挡块40间隔排列设置在导流槽11与反应凹槽12连通的开口处，相邻两个挡块40之间形成电解液分配沟槽41，导流槽11通过电解液分配沟槽41与反应凹槽12连通。由于设置有挡块40，因而增加了电解液通过电解液分配沟槽41的时间，也就是增加了电解液在导流槽11内的滞留时间，从而增加了旁路电阻、减小了旁路电流，进而保证了液流电池的能力效率、电流效率。或者是增加了电解液在反应凹槽12内的滞留时间，从而使电极20与电解液充分反应，进而进一步提高了液流电池的导电性能和电池容量。由于导流槽11通过电解液分配沟槽41与反应凹槽12连通，因而使电解液的流动位置和方向具有可控性，避免电解液在某一处过于集中，造成电极无法与电解液充分反应的问题，从而保证了液流电池的导电性能和运行稳定性。
如图1和图5所示的实施例中，导流管30的多个液流孔31与多个电解液分配沟槽41一一对应设置。由于导流管30的多个液流孔31与多个电解液分配沟槽41一一对应设置，因而使得由导流管30的液流孔31内流出的电解液直接通过电解液分配沟槽41注入反应凹槽12内，并且提高了电解液的流动速率，从而避免电解液大量滞留在导流槽11内，进而保证了液流电池的容量和导电性能。
如图1和图5所示的实施例中，导流槽11与反应凹槽12连通的开口的长度等于反应凹槽12的宽度。由于上述开口的长度等于反应凹槽12的宽度，也就是等于电极20的宽度，从而使流经电解液分配沟槽41的电解液均匀分布在电极20的各部分，从而使电极20与电解液充分反应，保证了液流电池的导电性能和容量，提高了液流电池的运行稳定性。
作为本发明的第二个方面，提供了一种液流电池。如图1至图11所示，液流电池包括电极20、离子交换膜50和双极板组件，电极20设置在离子交换膜50与双极板组件之间，双极板组件是上述的双极板组件，电极20设置在双极板组件的双极板本体10的反应凹槽12内，且双极板组件的导流管30设置在双极板组件的双极板本体10的导流槽11与离子交换膜50之间。由于导流管30设置在离子交换膜50与双极板本体10的导流槽11之间，因而将正、负极电解液通过导流管30与离子交换膜50隔开，从而避免正、负极电解液与离子交换膜50离子交换，进而保证了正、负极电解液容量均衡、保证了液流电池的容量、提高了液流电池的导电性能、减少了旁路电流、提高了液流电池的库仑效率。
如图6和图7所示的实施例中，液流电池还包括密封垫片60，密封垫片60设置在双极板组件与离子交换膜50之间。由于在双极板组件与离子交换膜50之间设置有密封垫片60，因而进一步避免正、负极电解液与离子交换膜50离子交换，从而保证了正、负极电解液容量均衡、保证了液流电池的容量、提高了液流电池的导电性能。同时，提高了液流电池的密封性能，避免电解液渗漏，提高了液流电池的使用可靠性、消除了安全隐患。由于密封垫片60在双极板组件的导流管30的挤压下与离子交换膜50压合，因而进一步提高了密封垫片60的密封效果，从而保证了液流电池的运行稳定性。
如图6所示的实施例中，密封垫片60具有第二进液口61、第二出液口62和用于避让电极20的避让孔63，第二进液口61与双极板组件的双极板本体10的第一进液口13连通，第二出液口62与双极板组件的双极板本体10的第一出液口14连通，电极20位于避让孔63内。由于密封垫片60的第二进液口61和第二出液口62分别与双极板本体10的第一进液口13和第二出液口62对应连通，因而保证了电解液的流动可靠性和循环稳定性，从而保证了液流电池的运行稳定性和使用可靠性。由于电极20位于密封垫片60的避让孔63内，因而密封垫片60不会影响电极20的反应，从而保证了液流电池的使用可靠性。
如图8至图11所示的实施例中，液流电池还包括液流框70，电极20卡设在液流框70的开孔处，且液流框70设置在双极板组件与离子交换膜50之间。由于设置有液流框70，因而进一步限制了电极20的位置，避免电极20变形，同时提高了液流电池的密封性能，从而进一步保证了液流电池的使用可靠性和运行稳定性。
如图9至图11所示的实施例中，密封垫片60、双极板本体10和液流框70上均设置有标记缺口80。工作人员在进行液流电池的组装时，通过查看该标记缺口80，可以快速确定各部件之间的连接方向，避免将部件装反，从而提高了液流电池的组装效率和成品质量。
如图9所示的实施例中，密封垫片60设置在双极板组件和液流框70之间。如图10所示的实施例中，密封垫片60设置在液流框70与离子交换膜50之间，而双极板组件和液流框70之间没有设置密封垫片60。如图11所示的实施例中，液流框70与离子交换膜50之间设置有一个密封垫片60，且双极板组件和液流框70之间也设置有一个密封垫片60。
作为本发明的第三个方面，提供了一种液流电池堆。液流电池堆包括多个依次叠放设置的液流电池，该液流电池是上述的液流电池。由于本发明中的液流电池具有导电性能好、容量稳定、运行可靠、电流效率和能力效率高等特点，因而使得本发明中的液流电池堆同样具有上述优点。
本发明中的双极板组件和液流电池具有以下特点：
（1）由于在双极板本体10上设置有导流槽11，因而增加了电解液由主管道至反应凹槽12的反应区之间的液流路径，降低了旁路电流，提高了液流电池系统的电流效率；
（2）由于设置有导流管30，因而电解液在曲折的液流管道中，既不与双极板本体10接触，也不与离子交换膜50接触，从而不仅进一步降低了旁路电流并减少了石墨板的电化学腐蚀、也抑制了正负极电解液在非反应区的膜内钒离子渗透与水扩散现象，从而提高了电解液的容量稳定性和工作可靠性；
（3）本发明中的液流电池简化了电池堆结构，提高了装配效率。
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)
1.一种双极板组件，包括双极板本体(10)，所述双极板本体(10)的朝向离子交换膜(50)一侧的表面具有导流槽(11)和用于容纳电极(20)的反应凹槽(12)，其特征在于，所述双极板组件还包括导流管(30)，所述导流管(30)设置在所述导流槽(11)内，且所述导流管(30)与所述导流槽(11)形状相适应，所述导流管(30)的第一端与所述双极板本体(10)的第一进液口(13)或第一出液口(14)连通，所述导流管(30)的第二端直接与所述双极板本体(10)的所述反应凹槽(12)连通。
2.根据权利要求1所述的双极板组件，其特征在于，所述导流管(30)的所述第二端的管壁上具有液流孔(31)，所述液流孔(31)朝向所述反应凹槽(12)一侧设置。
3.根据权利要求2所述的双极板组件，其特征在于，所述液流孔(31)为多个，多个所述液流孔(31)沿所述导流管(30)的所述第二端的长度方向依次排列设置。
4.根据权利要求3所述的双极板组件，其特征在于，所述导流管(30)是耐酸的绝缘材料制成的。
5.根据权利要求3所述的双极板组件，其特征在于，所述双极板组件还包括挡块(40)，所述挡块(40)为多个，多个所述挡块(40)间隔排列设置在所述导流槽(11)与所述反应凹槽(12)连通的开口处，相邻两个所述挡块(40)之间形成电解液分配沟槽(41)，所述导流槽(11)通过所述电解液分配沟槽(41)与所述反应凹槽(12)连通。
6.根据权利要求5所述的双极板组件，其特征在于，所述导流管(30)的多个所述液流孔(31)与多个所述电解液分配沟槽(41)一一对应设置。
7.根据权利要求1或5所述的双极板组件，其特征在于，所述导流槽(11)与所述反应凹槽(12)连通的开口的长度等于所述反应凹槽(12)的宽度。
8.一种液流电池，包括电极(20)、离子交换膜(50)和双极板组件，所述电极(20)设置在所述离子交换膜(50)与所述双极板组件之间，其特征在于，所述双极板组件是权利要求1至7中任一项所述的双极板组件，所述电极(20)设置在所述双极板组件的双极板本体(10)的反应凹槽(12)内，且所述双极板组件的导流管(30)设置在所述离子交换膜(50)与所述双极板组件的所述双极板本体(10)的导流槽(11)之间。
9.根据权利要求8所述的液流电池，其特征在于，所述液流电池还包括密封垫片(60)，所述密封垫片(60)设置在所述双极板组件与所述离子交换膜(50)之间。
10.根据权利要求9所述的液流电池，其特征在于，所述密封垫片(60)具有：
第二进液口(61)，所述第二进液口(61)与所述双极板组件的所述双极板本体(10)的第一进液口(13)连通；
第二出液口(62)，所述第二出液口(62)与所述双极板组件的所述双极板本体(10)的第一出液口(14)连通；
用于避让所述电极(20)的避让孔(63)，所述电极(20)位于所述避让孔(63)内。
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