CN105514467A - 圆形液流电池与圆形液流电池电堆 - Google Patents

圆形液流电池与圆形液流电池电堆 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种圆形液流电池与圆形液流电池电堆。该圆形液流电池包括正极半电极、负极半电极、正极进液分配流道、负极进液分配流道、正极出液收集流道、负极出液收集流道；正、负极半电池通过圆形的离子交换膜隔离；电解液由圆形多孔电极的圆形外周径向流至中心，流程缩短；这种电解液由圆形外周流至中心的流动可以实现电解液流速由外至内增加，从而实现电解液近流出电池时反应物仍供应充分，减小浓差极化，增加了电解液的利用率；此外，液流框中的进液均匀分配口和出液均匀分配口可以实现电解液在多孔电极内的均匀分配，从而提高电解液反应的均匀性。

Description

圆形液流电池与圆形液流电池电堆
技术领域
本发明涉及液流电池领域，特别是一种圆形液流电池与圆形液流电池电堆。
背景技术
传统的液流电池内多孔电极呈矩形，电解液从矩形一端流入，矩形一端以近似相同通过与进口的速度流出，在流入矩形多孔电极的同时电解液参与电化学反应，随着反应的进行，反应物浓度从进口到出口逐渐降低，因而引起电池内部浓度差较大，电池内部反应不均匀，进而引起较大的浓差极化，较多的电压损失，并影响电池效率。
发明内容
本发明的目的在于：
针对现有技术存在的问题，为克服现有技术中的缺陷，提出并研究一种圆形液流电池与圆形液流电池电堆，其通过对现有技术中的电解液流动方式进行科学合理的改进，可以实现电解液由圆形多孔电极的圆形外周径向流至中心，流程缩短；这种电解液由圆形外周流至中心的流动可以实现电解液流速由外至内增加，从而实现电解液近流出电池时反应物仍供应充分，减小浓差极化，增加了电解液的利用率；此外，液流框中的进液均匀分配口和出液均匀分配口可以实现电解液在多孔电极内的均匀分配，从而提高电解液反应的均匀性。
技术方案
圆形液流电池，包括依次顺序叠合的端板、流道板A、流道板A盖片、流道板B、流道板B盖片、集流板、(双)极板、正极多孔电极、正极液流框、正极液流框盖片、离子交换膜、负极液流框盖片、负极液流框、负极多孔电极、(双)极板、集流板、流道板B盖片、流道板B、流道板A盖片、流道板A、端板。
圆形液流电池电堆由二节或两节以上圆形液流电池串联而成；包括依次顺序叠合的端板、流道板A、流道板A盖片、流道板B、流道板B盖片、集流板，(双)极板、正极多孔电极、正极液流框、正极液流框盖片、离子交换膜、负极液流框盖片、负极液流框、负极多孔电极、……、(双)极板、正极多孔电极、正极液流框、正极液流框盖片、离子交换膜、负极液流框盖片、负极液流框、负极多孔电极，(双)极板、集流板、流道板B盖片、流道板B、流道板A盖片、流道板A、端板。其中“……”处表示：(双)极板、正极多孔电极、正极液流框、正极液流框盖片、离子交换膜、负极液流框盖片、负极液流框、负极多孔电极为重复单元。
流道板A为圆形平板，于流道板的中心处开设有二个通孔，其为通孔A和通孔B，其靠近流道板A盖片一侧表面从中部沿径向向圆周边缘开设有1个或2个以上均匀分布的凹槽，凹槽的一端与通孔A相连通，于流道板的圆周边缘处的凹槽内开设有通孔C，凹槽上扣合有作为密封盖的流道板A盖片，于流道板A盖片上开设有与通孔B相连通的通孔D；
流道板B为圆形平板，于流道板的中心处开设有一个通孔E，其靠近流道板B盖片一侧表面从中部沿径向向圆周边缘开设有1个或2个以上均匀分布的凹槽，凹槽的一端与通孔E相连通，于流道板的圆周边缘处的凹槽内开设有通孔F，凹槽上扣合有作为密封盖的流道板B盖片；通孔E通过通孔D与通孔B相连通；
端板为圆形平板，于端板的中心处开设有二个通孔，其为通孔G和通孔H；通孔G与通孔A相连通，通孔H经通孔B和通孔D与通孔E相连通；
集流板和(双)极板均为圆形平板；
正或负极液流框为圆环形平板，其靠近正或负极液流框盖片一侧表面开设有圆环形凹槽，于圆环形凹槽的内侧设有贯穿凹槽侧壁面的液体分配槽，液体分配槽一端与圆环形凹槽相连通，另一端与圆环形平板内壁面相连通，于圆环形凹槽底部设有通孔I；于圆环形平板中部设有1个或2个以上支架，支架的一端与圆环形平板内壁面固接，支架的另一端延伸至圆环形平板的圆心处，于支架靠近正或负极液流框盖片一侧表面开设有凹槽，凹槽的一端延伸至圆环形平板上，于圆环形平板上的凹槽内开设有通孔K，凹槽的另一端设有贯穿凹槽侧壁面的液体收集槽；于圆环形凹槽和支架凹槽上扣合有作为密封盖的正或负极液流框盖片；
正极多孔电极和负极多孔电极分别置于正极液流框和负极液流框内；
正极液流框上的通孔I和通孔K分别与靠近其左右两侧的通孔C或通孔F经在集流板和(双)极板上开设的通孔相连通，负极液流框上的通孔I和通孔K分别与靠近其左右两侧的通孔F或通孔C经在集流板和(双)极板上开设的通孔相连通；或者，正极液流框上的通孔I和通孔K分别与靠近其左侧的通孔C和通孔F经在集流板和(双)极板上开设的通孔相连通，负极液流框上的通孔I和通孔K分别与靠近其右侧的通孔C和通孔F经在集流板和(双)极板上开设的通孔相连通。
于圆环形平板中部设有2个以上支架，正极多孔电极和负极多孔电极分别为半圆周形或扇形。
于圆环形平板中部设有2个以上支架，2个以上支架于圆环形平板圆心处相连接，并于连接区域设有挡板，挡板使不同支架上的液体收集槽相互隔离。
液体分配槽为4个以上，它们于圆环形凹槽的内侧侧壁面上均匀分布。
有益技术效果
在上述圆形液流电池中，电解液由圆形多孔电极的圆形外周径向流至中心，流程缩短；这种电解液由圆形外周流至中心的流动可以实现电解液流速由外至内增加，从而实现电解液近流出电池时反应物供应充分，减小浓差极化，增加了电解液的利用率；此外，液流框中的进液均匀分配口和出液均匀分配口可以实现电解液在多孔电极内的均匀分配，从而提高了电解液反应的均匀性。
附图说明
图1为圆形液流电池及其电堆；
其中：1-进液或出液端板，2-正极或负极进液分配流道/负极或正极出液收集流道(流道板A)，3-正极或负极进液分配流道盖片/负极或正极出液收集流道盖片(流道板A盖片)，4-负极或正极进液分配流道/正极或负极出液收集流道(流道板B)，5-负极或正极进液分配流道盖片/正极或负极出液收集流道盖片(流道板B盖片)，6-集流板，7-(双)极板，8-正极多孔电极，9-正极液流框，10-正极液流框盖片，11-离子交换膜，12-负极液流框，13-负极液流框盖片，14-负极多孔电极。
图2为端板1；
其中20-螺栓孔，21-正极或负极中心进液总孔(通孔G)，22-负极或正极中心进液总孔(通孔H)。
图3为正极或负极进液分配流道/负极或正极出液收集流道(流道板A)2和正极或负极进液分配流道盖片/负极或正极出液收集流道盖片(流道板A盖片)3；
其中23-流道板A上正极或负极周围进液分配孔(通孔C1)，24-正极或负极中心进液通孔(通孔A)，25-流道板A上负极或正极中心进液通孔(通孔B)，26-流道板A盖片上正极或负极周围进液分配孔(通孔C2)，27-正极进液导流流道，28-流道板A盖片上正极或负极周围进液分配孔(通孔D)。
图4为负极或正极进液分配流道/正极或负极出液收集流道(流道板B)4和负极或正极进液分配流道盖片/正极或负极出液收集流道盖片(流道板B盖片)5；
其中29-流道板B上负极或正极周围进液分配孔(通孔F1)，30-正极或负极中心进液通孔(通孔E)，31-流道板B盖片上负极或正极周围进液分配孔(通孔F2)。
图5为集流板6；其中42-接线端孔。
图6为(双)极板7。
图7为正极多孔电极8或负极多孔电极14。
图8为正极液流框9或负极液流框13的平面图，立体图和反面图。
33-正极或负极出液通孔(通孔K)，34-正极或负极周围进液通孔(通孔I)，35-负极或正极周围出液通孔，36-正极或负极多孔电极槽，37-正极或负极进液均匀分配口，38-正极或负极出液均匀分配口，39-正极或负极周围进液通孔，40-正极或负极中心出液储槽，41-正极或负极出液导流流道。
图9为正极液流框盖片10或负极液流框盖片12。
图10为离子交换膜11。
符号说明
1-端板，2-正极或负极进液分配流道/负极或正极出液收集流道(流道板A)，3-正极或负极进液分配流道盖片/负极或正极出液收集流道盖片(流道板A盖片)，4-负极或正极进液分配流道/正极或负极出液收集流道(流道板B)，5-负极或正极进液分配流道盖片/正极或负极出液收集流道盖片(流道板B盖片)，6-集流板，7-(双)极板，8-正极多孔电极，9-正极液流框，10-正极液流框盖片，11-离子交换膜，12-负极液流框，13-负极液流框盖片，14-负极多孔电极，20-螺栓孔，21-正极或负极中心进液总孔(通孔G)，22-负极或正极中心进液总孔(通孔H)，23-流道板A上正极或负极周围进液分配孔(通孔C1)，24-正极或负极中心进液通孔(通孔A)，25-流道板A上负极或正极中心进液通孔(通孔B)，26-流道板A盖片上正极或负极周围进液分配孔(通孔C2)，27-正极进液导流流道，28-流道板A盖片上正极或负极周围进液分配孔(通孔D)，29-流道板B上负极或正极周围进液分配孔(通孔F1)，30-正极或负极中心进液通孔(通孔E)，31-流道板B盖片上负极或正极周围进液分配孔(通孔F2)，32-负极进液导流流道，33-正极或负极出液通孔(通孔K)，34-正极或负极周围进液通孔(通孔I)，35-负极或正极周围出液通孔，36-正极或负极多孔电极槽，37-正极或负极进液均匀分配口，38-正极或负极出液均匀分配口，39-正极或负极周围进液通孔，40-正极或负极中心出液储槽，41-正极或负极出液导流流道，42-接线端孔。
具体实施方式
一种圆形液流电池依次由1-端板，2-流道板A，3-流道板A盖片，4-流道板B，5-流道板B盖片，6-集流板，7-(双)极板，8-正极多孔电极，9-正极液流框，10-正极液流框盖片，11-离子交换膜，12-负极液流框，13-负极液流框盖片，14-负极多孔电极，15-流道板A盖片，16-流道板A，17-流道板B盖片，18-流道板B，19-端板组成；
上述圆形液流电池的各个部件间通过密封元件密封，防止电池内外漏；所有部件属于圆形结构，各个部件圆心投影在水平面相重合，各个部件通过进液端板和出液端板周围的螺栓紧固；
上述1-端板的中心位置处设置有21-通孔G，和22-通孔H，正负极的电解液分别通过21和22进入2-流道板A和4-流道板B；
上述端板的21-通孔G和2-流道板A上的24-通孔A相连通，端板的22-通孔H和流道板B上的25-通孔B相连通；
上述正极进液分配口实现正极半电池的电解液周向分配，正极进液分配口上包括24-通孔A、23-正极周围进液分配孔(通孔B)和将23与24相连通的27-正极进液导流流道，来自于21的电解液通过24-正极中心进液通孔、27-正极进液导流流道、23-正极周围进液分配孔(通孔C1)流动，再经集流板6和双极板7上的连通孔，流至正极液流框的34-正极周围进液通孔；
上述的负极进液分配口实现负极半电池的电解液周向分配，负极进液分配口上包括25-负极中心进液通孔、29-负极周围进液分配口和将29与25相连通的32-负极进液导流流道，来自于22的电解液通过25-负极中心进液通孔、32-负极进液导流流道、29-负极周围进液分配口流动，再经集流板6、双极板7、正极液流框、离子交换膜上的连通孔，流至负极液流框的负极周围进液通孔；
上述的正极液流框和负极液流框分布在离子交换膜两侧，液流框的刻有流道侧远离离子交换膜，液流框的背面为平面，靠近离子交换膜侧；
上述的9-正极液流框和10-正极液流框盖片提供8-正极多孔电极的置放场所，正极电解液反应场所。9-正极液流框由39-正极周围进液通孔，37-正极进液均匀分配口、36-正极多孔电极槽、38-正极出液均匀分配口、40-正极中心出液储槽、41-正极出液导流流道和33-正极周围出液通孔组成；
上述的来自于39-正极周围进液通孔的电解液通过37的均匀周向分配，流经置放在正极多孔槽内的正极多孔电极，再经38流入40，经40-正极中心储液槽的电解液通过41-正极出液导流流道的引流至33-正极周围出液通孔，流至33的电解液通过离子交换膜11、负极液流框12、双极板、集流体上的正极出液连通孔流出至正极出液收集流道；
同样的，负极液流框和负极液流框盖片提供负极多孔电极的置放场所，负极反应场所。来自于负极液流框的负极周围进液通孔的电解液，通过负极进液均匀分配口的均匀分配，流经置放在负极多孔槽内的负极多孔电极，再经负极出液均匀分配口流入负极中心出液储槽，经负极中心出液储槽的电解液通过负极出液导流流道的引流至负极周围出液通孔，流至负极周围出液通孔的电解液通过双极板、集流体上的负极出液连通孔流出至负极出液收集流道；
上述的16-正极出液收集流道和15-正极出液收集流道盖片一起实现正极电解液的出液收集。上述的16-正极出液收集流道由正极周围出液收集口、正极出液导流流道、正极中心出液孔组成。来自于正极周围出液收集口的正极电解液经正极出液导流流道的导流流至正极中心出液孔，再经负极出液收集流道上的连通孔流至出液端板上的正极中心出液总孔，正极电解液由正极中心出液总孔流出圆形电池；
同理，上述的负极出液收集流道和负极出液收集流道盖片一起实现负极电解液的出液收集。上述的负极出液收集流道由负极周围出液收集口、负极出液导流流道、负极中心出液孔组成。来自于负极周围出液收集口的负极电解液经负极出液导流流道的导流流至负极中心出液孔，负极电解液由出液端板上的负极中心出液总孔流出圆形电池。

Claims (6)

1.圆形液流电池，其特征在于：
包括依次顺序叠合的端板、流道板A、流道板A盖片、流道板B、流道板B盖片、集流板、(双)极板、正极多孔电极、正极液流框、正极液流框盖片、离子交换膜、负极液流框盖片、负极液流框、负极多孔电极、(双)极板、集流板、流道板B盖片、流道板B、流道板A盖片、流道板A、端板。
2.一种如权利要求1所述的圆形液流电池电堆，其特征在于：圆形液流电池电堆由二节或二节以上圆形液流电池串联而成；
包括依次顺序叠合的端板、流道板A、流道板A盖片、流道板B、流道板B盖片、集流板、(双)极板、正极多孔电极、正极液流框、正极液流框盖片、离子交换膜、负极液流框盖片、负极液流框、负极多孔电极、……、(双)极板、正极多孔电极、正极液流框、正极液流框盖片、离子交换膜、负极液流框盖片、负极液流框、负极多孔电极、(双)极板、集流板、流道板B盖片、流道板B、流道板A盖片、流道板A、端板。
3.按照权利要求1或2所述圆形液流电池或电堆，其特征在于：
流道板A为圆形平板，于流道板的中心处开设有二个通孔，其为通孔A和通孔B，其靠近流道板A盖片一侧表面从中部沿径向向圆周边缘开设有1个或2个以上均匀分布的凹槽，凹槽的一端与通孔A相连通，于流道板的圆周边缘处的凹槽内开设有通孔C，凹槽上扣合有作为密封盖的流道板A盖片，于流道板A盖片上开设有与通孔B相连通的通孔D；
流道板B为圆形平板，于流道板的中心处开设有一个通孔E，其靠近流道板B盖片一侧表面从中部沿径向向圆周边缘开设有1个或2个以上均匀分布的凹槽，凹槽的一端与通孔E相连通，于流道板的圆周边缘处的凹槽内开设有通孔F，凹槽上扣合有作为密封盖的流道板B盖片；通孔E通过通孔D与通孔B相连通；
端板为圆形平板，于端板的中心处开设有二个通孔，其为通孔G和通孔H；通孔G与通孔A相连通，通孔H经通孔B和通孔D与通孔E相连通；
集流板和(双)极板均为圆形平板；
正或负极液流框为圆环形平板，其靠近正或负极液流框盖片一侧表面开设有圆环形凹槽，于圆环形凹槽的内侧设有贯穿凹槽侧壁面的液体分配槽，液体分配槽一端与圆环形凹槽相连通，另一端与圆环形平板内壁面相连通，于圆环形凹槽底部设有通孔I；于圆环形平板中部设有1个或2个以上支架，支架的一端与圆环形平板内壁面固接，支架的另一端延伸至圆环形平板的圆心处，于支架靠近正或负极液流框盖片一侧表面开设有凹槽，凹槽的一端延伸至圆环形平板上，于圆环形平板上的凹槽内开设有通孔K，凹槽的另一端设有贯穿凹槽侧壁面的液体收集槽；于圆环形凹槽和支架凹槽上扣合有作为密封盖的正或负极液流框盖片；
正极多孔电极和负极多孔电极分别置于正极液流框和负极液流框内；
正极液流框上的通孔I和通孔K分别与靠近其左右两侧的通孔C或通孔F经在集流板和(双)极板上开设的通孔相连通，负极液流框上的通孔I和通孔K分别与靠近其左右两侧的通孔F或通孔C经在集流板和(双)极板上开设的通孔相连通；或者，正极液流框上的通孔I和通孔K分别与靠近其左侧的通孔C和通孔F经在集流板和(双)极板上开设的通孔相连通，负极液流框上的通孔I和通孔K分别与靠近其右侧的通孔C和通孔F经在集流板和(双)极板上开设的通孔相连通。
4.按照权利要求1或2所述圆形液流电池或电堆，其特征在于：
于圆环形平板中部设有2个以上支架，正极多孔电极和负极多孔电极分别为半圆周形或扇形。
5.按照权利要求1或2所述圆形液流电池或电堆，其特征在于：
于圆环形平板中部设有2个以上支架，2个以上支架于圆环形平板圆心处相连接，并于连接区域设有挡板，挡板使不同支架上的液体收集槽相互隔离。
6.按照权利要求1或2所述圆形液流电池或电堆，其特征在于：液体分配槽为4个以上，它们于圆环形凹槽的内侧侧壁面上均匀分布。
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