CN104518222A - 一种液流电池用双极板或单极板结构及全钒液流电池 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种全钒液流电池用双极板或单极板结构,所述双极板为两侧中部均设有凹槽的平板状结构，于平板每一侧的凹槽相对边缘处分别刻有与凹槽相连通的液体分布流道结构，平板一侧相对边缘处的流道分别各自与正极进液口和正极出液口相连通、平板另一侧相对边缘处的流道分别各自与负极进液口和负极出液口相连通。液流框和双（单）极板一体化设计，省去了液流框和双（单）极板间的密封，简化了装配工艺，减少了电解液外漏，提高了电池运行的稳定性。

Description

一种液流电池用双极板或单极板结构及全钒液流电池

技术领域

本发明涉及全钒液流电池领域，特别是一种全钒液流电池用液流框和双（单）极板一体化装置。

背景技术

全钒液流电池，是采用不同价态的钒离子溶液作为正负极电解液，由外部泵驱动电解液在储液罐和电堆之间循环流动，电解液在电堆中发生氧化还原反应实现充放电过程的电池。全钒液流电池由电堆、电解液和泵等管路系统组成，电堆包括离子传导隔膜、液流框、电极、双（单）极板和集流板等。电堆单体电池以离子传导隔膜为中心，两端依次为：电极和液流框、双（单）极板结构。离子传导隔膜与液流框之间、液流框和双（单）极板之间有密封元件。数级或数10级单体电池被夹持在两个不锈钢端板之间，经压滤机压紧作用组成一个电堆。电解液在储液罐和电堆之间循环流动，其中必然要经过液流框，液流框在电堆中起到分配电解液在电堆中的流动方式、防止电解液外漏的作用；密封元件主要对电解液起到密封、防止外漏作用；双（单）极板主要起分隔电堆中的每个单体电池和收集、输送电流的作用。由于液流框、密封元件和双（单）极板对电堆起着不可或缺的作用，其结构和材料将直接影响全钒液流电池的稳定性和电池性能。

目前，通用的液流框和双（单）极板是两个独立的结构，组成电堆时两者之间必须添加密封元件。液流框通常采用PVC材料，双（单）极板采用无孔石墨材料、金属或合金材料以及各种复合材料，密封结构一般有面密封或线密封两种方式。液流框、密封元件、双（单）极板、液流框、密封元件、双（单）极板…的装配工序繁琐，若装配不合理，容易引起电解液外漏，影响电池的稳定运行；而且，密封元件成本也较高；此外，液流框一般应具有防止电解液外漏的作用，因此加工时，液流框的厚度要比液流框上的流道深度大1mm左右，对应的电极厚度较大，引起较大的欧姆内阻，进而影响电池性能。

发明内容

本发明的目的是，针对现有技术存在的问题，为克服现有技术中的缺陷，提出并研究一种极板结构，其通过对现有技术中的液流框和双（单）极板结构进行科学合理的改进，可以实现减少密封元件数量，减小电极厚度的目的，从而简化电堆装配工艺，减少电堆中电解液外漏，降低电池欧姆内阻，提高电池运行的稳定性和电池性能。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种液流电池用双极板或单极板结构，所述双极板为两侧中部均设有凹槽的平板状结构，于平板的四周边缘设有四个通孔，四个通孔二个为一组，每一组中的二个通孔相对设置，二组分别为正极进液口和正极出液口、负极进液口和负极出液口；于平板每一侧的凹槽相对边缘处分别刻有与凹槽相连通的液体分布流道结构，平板一侧相对边缘处的流道分别各自与正极进液口和正极出液口相连通、平板另一侧相对边缘处的流道分别各自与负极进液口和负极出液口相连通；

或，所述单极板为一侧中部设有凹槽的平板状结构，于平板的四周边缘设有四个通孔，四个通孔二个为一组，每一组中的二个通孔相对设置，二组分别为正极进液口和正极出液口、负极进液口和负极出液口；于平板一侧的凹槽相对边缘处分别刻有与凹槽相连通的液体分布流道结构，相对边缘处的一侧流道与正极进液口或负极进液口相连通、另一侧流道与正极出液口或负极出液口相连通。

所述双极板二侧的凹槽对称设置；所述双极板两侧流道呈对称结构。

所述双极板或单极板厚度5-15mm，凹槽深度为0.5mm-7mm；凹槽外周与双极板或单极板最外周宽度为2mm-20mm。

一种全钒液流电池，包括单极板、双极板、正极电极、离子传导隔膜、负极电极，所述双极板为上述双极板结构，所述单极板为上述的单极板结构。

所述液流电池依次由单极板、正极电极、离子传导隔膜、负极电极、双极板、正极电极、离子传导隔膜、负极电极、双极板、……、正极电极、离子传导隔膜、负极电极、单极板顺序叠合而成。

所述液流电池的单极板或双极板与正极电极或负极电极之间无液流框；

于所述单极板和双极板与离子传导隔膜之间设有环状密封元件。

所述正极电极或负极电极分别嵌设于其所贴接的单极板或双极板的凹槽内。

所述单极板和双极板上的凹槽于单极板或双极板所在平面上的投影相重合，且形状、尺寸大小相同；所述正、负电极厚度与凹槽深度比值1:1-5:1。

所述单极板和双极板上的正极进液口相互连通形成正极进液主管道，所述单极板和双极板上的正极出液口相互连通形成正极出液主管道，所述单极板和双极板上的负极进液口相互连通形成负极进液主管道，所述单极板和双极板上的负极出液口相互连通形成负极出液主管道；正极进液主管道和正极出液主管道通过管路经泵与外部正极储液罐相连，形成正极回路；负极进液主管道和负极出液主管道通过管路经泵与外部负极储液罐相连，形成负极回路。

双极板或单极板材料为碳塑复合材料板或石墨板；所述正、负电极材料为碳毡或石墨毡。

本发明的有益效果：

1.这种双极板或单极板结构，省去了传统的液流框和双(单)极板间的密封元件，简化了装配工艺，减少了电解液外漏，从而提高了电池运行的稳定性；

2.由于在极板上设置流道结构，减少了单独使用液流框的lmm左右的厚度余量防止电解液外漏作用，降低电极厚度，减少电池欧姆内阻，从而提高全钒液流电池的性能。保证了全钒液流电池运行的稳定性和电池性能。

附图说明

图1、双极板的基本结构示意图；

图2、单极板的基本结构示意图；

图3、本发明在全钒液流电池电堆中应用装配图；

图4、普通全钒液流电池电堆装配图。

附图中符号说明：1-双极板、2-单极板、3-凹槽、4-正极进液口、5-流道、6-正极出液口、7-负极进液口、8-负极出液口、9-正极电极、10-离子传导隔膜、11-负极电极、12-环状密封元件、13-液流框、14-密封垫、15-端板。

具体实施方式

下面实施例结合附图对本发明进一步说明。

如图1、2所示，本发明采用设置有液口、流道、凹槽的双极板和单极板结构。双极板结构上有正极进液口4，正极出液口6，负极进液口7，负极出液口8，两侧流道5，两侧凹槽3。单极板结构上有正极进液口4，正极出液口6，负极进液口7，负极出液口8，一侧流道5，一侧凹槽3。电堆的单极板结构一般有2个，分别靠近端板侧。电堆的双极板结构有N个。如图4所示，电堆一侧的单极板结构2和正极电极9、电堆的第一个双极板结构1和负极电极11，通过两个环状密封元件12分别与离子传导隔膜10紧密结合，构成电堆的第一级单体电池。电堆的第一个双极板结构1和正极电极9、第二个双极板结构1和负极电极11，通过两个环状密封元件12分别与离子传导隔膜10紧密结合，构成电堆的第二个单体电池。依次类推，电堆的第n（n<N,n∈N^*）个双极板结构1和正极电极9、第n+1个双极板结构1和负极电极11，通过两个环状密封12元件分别与离子传导隔膜10紧密结合，构成电堆的第n+1个单体电池。电堆的第N-1个双极板结构1和正极电极9、第N个双极板结构1和负极电极11，通过两个环状密封元件12分别与离子传导隔膜10紧密结合，构成电堆的第N个单体电池。电堆的第N个双极板结构1和正极电极9、电堆另一侧的单极板结构2和负极电极11，通过两个环状密封元件12分别与离子传导隔膜10紧密结合，构成电堆的第N+1个单体电池（即最后一个单体电池）。

其中，正极进液口4、流道5、凹槽3、嵌置的正极电极9、正极出液口6和离子传导隔膜10通过环状密封元件12的紧密结合形成单体电池的正极电解液流动通道。负极进液口7、流道5、凹槽3、嵌置的负极电极11、负极出液口8和离子传导隔膜10通过环状密封元件12的紧密结合形成单体电池的负极电解液流动通道。进液口和出液口分开设置在双极板2或单极板1的四周边缘，正极进液口4和正极出液口6相对设置在双极板1的一侧。负极进液口7和负极出液口8相对设置在双极板1的另一侧。或，正极进液口4或负极进液口7、正极出液口6或负极出液口8相对设置在单极板2的一侧。于双极板1一侧的凹槽3相对边缘处分别刻有与凹槽3相连通的液体分布流道结构5，双极板1一侧相对边缘处的流道5分别各自与正极进液口4和正极出液口6相连通、双极板1另一侧相对边缘处的流道5分别各自与负极进液口7和负极出液口8相连通。或，于单极板2一侧的凹槽3相对边缘处分别刻有与凹槽相连通的液体分布流道结构5，单极板2一侧相对边缘处的流道5分别各自与正极进液口4或负极进液口7、正极出液口6或负极出液口8相连通。

本发明的工作过程是，所述单极板2和双极板1上的正极进液口4相互连通形成正极进液主管道，所述单极板2和双极板1上的正极出液口6相互连通形成正极出液主管道，所述单极板2和双极板1上的负极进液口7相互连通形成负极进液主管道，所述单极板2和双极板1上的负极出液口8相互连通形成负极出液主管道；正极进液主管道和正极出液主管道通过管路经泵与外部正极储液罐相连，形成正极回路；负极进液主管道和负极出液主管道通过管路经泵与外部负极储液罐相连，形成负极回路。每一级单体电池内的工作过程是，正极电解液从正极进液主管道分配至各级正极进液口4，由正极进液口4进入流道5，再通过流道5进入正极电极9内部，在正极电极9内部进行电极反应后，再通过流道5经正极出液口6流出至正极出液主管道，经管路流动至外部正极储液罐，在外部泵的驱动下循环工作。与此同时，负极电解液从负极进液主管道分配至各级负极进液口7，由负极进液口7进入流道5，再通过流道5进入负极电极11内部，在负极电极11内部进行电极反应后，再通过流道5经负极出液口8流出至负极出液主管道，经管路流动至外部负极储液罐，在外部泵的驱动下循环工作。

比较图3和图4，本发明的一个双极板结构省去了两个液流框结构和两个环状密封元件，本发明的一个单极板结构省去了一个液流框结构和一个环状密封元件，可以简化装配工艺，减少电解液外漏，提高电池运行的稳定性；由于省去了密封元件，可以降低电极厚度，减少电池欧姆内阻，从而提高全钒液流电池的综合性能，采用该设计使全钒液流电池的能量效率达到80%-85%。

Claims (10)

1.一种液流电池用双极板或单极板结构，其特征在于：所述双极板为两侧中部均设有凹槽的平板状结构，于平板的四周边缘设有四个通孔，四个通孔二个为一组，每一组中的二个通孔相对设置，二组分别为正极进液口和正极出液口、负极进液口和负极出液口；于平板每一侧的凹槽相对边缘处分别刻有与凹槽相连通的液体分布流道结构，平板一侧相对边缘处的流道分别各自与正极进液口和正极出液口相连通、平板另一侧相对边缘处的流道分别各自与负极进液口和负极出液口相连通；

或，所述单极板为一侧中部设有凹槽的平板状结构，于平板的四周边缘设有四个通孔，四个通孔二个为一组，每一组中的二个通孔相对设置，二组分别为正极进液口和正极出液口、负极进液口和负极出液口；于平板一侧的凹槽相对边缘处分别刻有与凹槽相连通的液体分布流道结构，相对边缘处的一侧流道与正极进液口或负极进液口相连通、另一侧流道与正极出液口或负极出液口相连通。

2.按照权利要求1所述的结构，其特征在于：所述双极板二侧的凹槽对称设置；所述双极板两侧流道呈对称结构。

3.按照权利要求1所述的结构，其特征在于：所述双极板或单极板厚度5-15mm，凹槽深度为0.5mm-7mm；凹槽外周与双极板或单极板最外周宽度为2mm-20mm。

4.一种全钒液流电池，包括单极板、双极板、正极电极、离子传导隔膜、负极电极，其特征在于：所述双极板为权利要求1所述的双极板结构，所述单极板为权利要求1所述的单极板结构。

5.按照权利要求4所述液流电池，其特征在于：所述液流电池依次由单极板、正极电极、离子传导隔膜、负极电极、双极板、正极电极、离子传导隔膜、负极电极、双极板、……、正极电极、离子传导隔膜、负极电极、单极板顺序叠合而成。

6.按照权利要求4或5所述液流电池，其特征在于：所述液流电池的单极板或双极板与正极电极或负极电极之间无液流框；

于所述单极板和双极板与离子传导隔膜之间设有环状密封元件。

7.按照权利要求4或5所述液流电池，其特征在于：所述正极电极或负极电极分别嵌设于其所贴接的单极板或双极板的凹槽内。

8.按照权利要求7所述液流电池，其特征在于：所述单极板和双极板上的凹槽于单极板或双极板所在平面上的投影相重合，且形状、尺寸大小相同；所述正、负电极厚度与凹槽深度比值1:1-5:1。

9.按照权利要求8所述液流电池，其特征在于：所述单极板和双极板上的正极进液口相互连通形成正极进液主管道，所述单极板和双极板上的正极出液口相互连通形成正极出液主管道，所述单极板和双极板上的负极进液口相互连通形成负极进液主管道，所述单极板和双极板上的负极出液口相互连通形成负极出液主管道；正极进液主管道和正极出液主管道通过管路经泵与外部正极储液罐相连，形成正极回路；负极进液主管道和负极出液主管道通过管路经泵与外部负极储液罐相连，形成负极回路。

10.按照权利要求1或4所述液流电池，其特征在于：双极板或单极板材料为碳塑复合材料板或石墨板；所述正、负电极材料为碳毡或石墨毡。