CN107845823B - 一种液流电池电堆的电极框结构 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种液流电池电堆的电极框结构，于矩形平板上设置电解液的补充流道，电解液补充流道的一端与电解液进口的通孔相连，另一端与可容置电极的空腔相连通，补充流道与空腔相连通处与进口流道间的距离为1/6A至5/6A，补充流道与空腔相连通处与出口流道间的距离为1/6A至5/6A。本发明的电极框结构，可以极大的改善了电极内的浓度分布，提高电解液总体浓度，减小浓度梯度，进而减小极化，提高电池性能。

Description

一种液流电池电堆的电极框结构
技术领域
本发明涉及液流电池的结构，特别涉及液流电池的电极框的电解液流动分配结构。
背景技术
能源是国民经济可持续发展和国家安全的重要保障。随着经济的发展，对能源需求日益增加，而化石能源的大量消耗造成环境压力日益突出。因此，大规模利用可再生能源，实现能源多样化成为世界各国能源安全和可持续发展的重要战略。据报道，德国2010年可再生能源在整个能源供应中的比例已经达到了17％，到2020年将达到35％，2030年将达到50％，2050年将达到80％。我国政府已向世界宣布，到2020年，我国可再生能源在全部能源消费中所占比例将达到15％，其中风电、太阳能发电的装机容量将分别达到1.5亿kW和2000万kW。因此，可再生能源将逐步从辅助能源逐渐转为主导能源。美国经济学家、经济趋势基金会主席杰里米-里夫金(Jeremy Rifkin)提出了新能源和互联网技术相结合为特征的“第三次工业革命”即将到来的观点，而储能技术是第三次工业革命的关键瓶颈技术。可再生能源发电具有明显的不连续、不稳定及不可控性特征。可再生发电的大规模并网应用，将影响电力的频率稳定性和电压稳定性，对电力系统的安全、稳定、经济运行产生重大冲击。大规模高效储能技术是实现风能、太阳能等可再生能源发电规模化利用的关键技术，也是建设智能电网，提高电网对不连续性、不稳定性发电兼容能力亟待解决的核心技术。发展大规模高效储能技术对实现国家节能减排目标，可再生能源的普及应用，推进能源结构多元化具有重要意义。液流电池作为一种化学储能的方式受到了广泛关注，在世界各地的众多示范项目已经说明，液流电池正在从实验室走向市场，正处在商业化的关键阶段。
液流电池，如全钒液流电池，具有安全性高、稳定性好、效率高、寿命长、环境友好等优点，成为大规模高效储能装置的首选之一。液流电池的电解液存在于电堆的外部，使用时经由循环泵流入电极参与电化学反应。因此很容易在大面积的电极上产生很大的浓度梯度，进而造成极化增大，电池性能下降，可靠性降低，电池材料易损坏的弊端。所以如何减小电极区域内的浓度梯度，尽可能保持高浓度和均匀性是重要的研究课题。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提出一种液流电池电堆的电极框结构，该电极框上设置有补充流道，可减小电极区域内的浓度梯度。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种氧化还原液流电池的电极框，电极框为平板，包括设置于靠近电极框边缘处的4个通孔，分别作为阴极电解液进口、阴极电解液出口、阳极电解液进口、阳极电解液出口，于矩形平板的中心设置有一个镂空的、可容置电极的空腔，其包括：于电极框上，于阴极电解液进口和阴极电解液出口的通孔处分别设有与空腔间相连通的进口主流道和出口主通道；或，于电极框上，于阳极电解液进口和阳极电解液出口的通孔处分别设有与空腔间相连通的进口主流道和出口主流道；进口主流道和出口主流道之间的距离为A；
于矩形平板上设置电解液的补充流道，电解液补充流道的一端与电解液进口的通孔相连，另一端与可容置电极的空腔相连通，补充流道与空腔相连通处与进口流道间的距离为1/6A至5/6A，补充流道与空腔相连通处与出口流道间的距离为1/6A至5/6A。
所述的电极框电极框为矩形平板，于靠近矩形平板四周的边角处设置有2个作为电解液进口的通孔和2个作为电解液出口的通孔，分别作为阴极电解液进口、阴极电解液出口、阳极电解液进口、阳极电解液出口；于矩形平板的中心设置有一个镂空的、可容置电极的方形空腔。
于矩形平板上设置有电解液流入主流道，电解液流入主流道的一端与电解液进口的通孔相连，另一端于方形空腔的第一条边B处与空腔相连；
于矩形平板上设置有电解液流出主流道，电解液流出主流道的一端与可容置电极的空腔相连，另一端于方形空腔的第二条边C处与空腔相连；
于矩形平板上设置电解液的补充流道，电解液补充流道的一端与电解液进口的通孔相连，另一端与方形空腔的的第三条边D和/或第四条边F处的空腔相连通；
第一条边B和第二条边C为相互平行的相对二条边；第三条边D和第四条边与第一条边B相垂直。
上述的电极框中的电解液由矩形平板上的电解液进口通孔经电解液流入主流道流入置于空腔处的碳毡电极中，流经碳毡后再经由电解液流出主流道流出至电解液出口的通孔；同时，电解液还由电解液进口通孔经电解液补充流道流入电极局部位置，后共同汇聚至电解液出口主流道通过电解液出口的通孔流出电极框。
所述的电极框上设置的补充流道可以是一条或者二条以上。
所述的电极框上的补充流道与电解液流入主流道的截面积之和等于电解液流出主流道的截面积。
所述电极框上的补充流道和主流道上均设置有盖片，防止密封垫压紧时将流道堵塞。
所述框体的材质为聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯或ABS。
本发明提供的液流电池用电极框结构，极大的改善了电极内的浓度分布，提高电解液总体浓度，减小浓度梯度，进而减小极化，提高液流电池综合性能。
附图说明
图1常规电极框结构。
图2本发明带有补充流道的电极框结构。
具体实施方式
对比例1
电堆中单电池的电极框结构图1所示。电极框为平板，平板上设置有作为正极电解液入口、正极电解液出口、负极电解液流通孔或者负极电解液入口、正极电解液出口、正极电解液流通孔的四个通孔。电极框的平板上设置有内容电极的镂空结构，用于放置多孔电极。电解液的入口与多孔电极的一侧通过设置在平板上的流入主流道相连通，电解液的出口与多孔电极的另一侧通过设置在平板上的流出主流道相连通。电极与流道连通处的距离为A。电极框作为电池的一极在工作时起到组织电解液流动和支撑电极的作用，电解液经由电解液入口通孔，通过流入主流道流入电极中，在经由电解液流出主流道流入电解液出口通孔。框体材料为PVC。
电极面积：1050cm2
单电池数：10节
电流密度：80mA/cm2，充电截止电压15.5V，放电截止电压10V。
电堆充放电电压效率80.1％，库仑效率94.7％，能量效率75.6％
实施例1
电堆中单电池的电极框结构图2所示。
在实施例1中电极框平板上设置了2条电解液的补充流道，电解液补充流道的一端与电解液入口的通孔相连，另一端与可容置电极的空腔相连通，2条补充流道与空腔相连通处与进口流道间的距离均为1/3A，且2条补充流道与空腔相连通处与出口流道间的距离均为1/3A。
电解液可以从电解液进口通孔流入补充流道，在电极上电解液浓度低的位置处设置补充流道的出口与电极相连，使得高浓度电解液可以补充到电解液浓度低的位置。
电极面积：1050cm2
单电池数：10节
电流密度：80mA/cm2，充电截止电压15.5V，放电截止电压10V。
表1：电池性能数据对比
电堆序号 库伦效率％ 电压效率％ 能量效率％
对比例1电堆 94.7 80.1 75.6
实施例1电堆 95.3 84.2 80.2
通过电池性能数据对比可看出，采用本发明的电极框的电堆在电压效率和能量效率上明显优于不含有补充流道的电堆性能，说明因浓度梯度大造成的浓差极化被很好的抑制，电堆性能有明显的改善。

Claims (6)

1.一种液流电池电堆的电极框结构，
电极框为矩形平板，于靠近矩形平板四周的边角处设置有2 个作为电解液进口的通孔和2 个作为电解液出口的通孔，分别作为阴极电解液进口、阴极电解液出口、阳极电解液进口、阳极电解液出口；于矩形平板的中心设置有一个镂空的、可容置电极的方形空腔，其特征在于：
于电极框上，于阴极电解液进口和阴极电解液出口的通孔处分别设有与空腔间相连通的进口主流道和出口主通道；或，于电极框上，于阳极电解液进口和阳极电解液出口的通孔处分别设有与空腔间相连通的进口主流道和出口主流道；进口主流道和出口主流道之间的距离为A；
于矩形平板上设置有电解液流入主流道即进口主流道，电解液流入主流道的一端与电解液进口的通孔相连，另一端于方形空腔的第一条边B处与空腔相连；
于矩形平板上设置有电解液流出主流道即出口主流道，电解液流出主流道的一端与可容置电极的空腔相连，另一端于方形空腔的第二条边C处与空腔相连；
于矩形平板上设置电解液的补充流道，电解液补充流道的一端与电解液进口的通孔相连，另一端与方形空腔的第三条边D和/或第四条边F处的空腔相连通；补充流道与空腔相连通处与进口主流道间的距离为1/6A至5/6A，补充流道与空腔相连通处与出口主流道间的距离为1/6A至5/6A；第一条边B和第二条边C为相互平行的相对二条边；第三条边D和第四条边F均与第一条边B相垂直。
2.如权利要求1所述的电极框结构，其特征在于：
电解液由矩形平板上的电解液进口通孔经电解液流入主流道流入置于空腔处的碳毡电极中，流经碳毡后再经由电解液流出主流道流出至电解液出口的通孔；同时，电解液还由电解液进口通孔经电解液补充流道流入电极局部位置，后共同汇聚至电解液出口主流道通过电解液出口的通孔流出电极框。
3.如权利要求1所述的电极框结构，其特征在于：电极框上设置的补充流道是一条或者二条以上。
4.如权利要求1所述的电极框结构，其特征在于：补充流道与电解液流入主流道的截面积之和等于电解液流出主流道的截面积。
5.如权利要求1所述的电极框结构，其特征在于：所述电极框上的补充流道和主流道上均设置有盖片，防止组装电池电堆时密封垫压紧时将流道堵塞。
6.如权利要求1所述的电极框结构，其特征在于：所述电极框的材质为聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯或ABS。
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