CN108598543A - 一种液流电池 - Google Patents

一种液流电池 Download PDF

Info

Publication number
CN108598543A
CN108598543A CN201810674710.0A CN201810674710A CN108598543A CN 108598543 A CN108598543 A CN 108598543A CN 201810674710 A CN201810674710 A CN 201810674710A CN 108598543 A CN108598543 A CN 108598543A
Authority
CN
China
Prior art keywords
battery
bipolar plates
electrode
runner
electrolyte
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN201810674710.0A
Other languages
English (en)
Other versions
CN108598543B (zh
Inventor
屈治国
段志宁
王琼
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Xian Jiaotong University
Original Assignee
Xian Jiaotong University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Xian Jiaotong University filed Critical Xian Jiaotong University
Priority to CN201810674710.0A priority Critical patent/CN108598543B/zh
Publication of CN108598543A publication Critical patent/CN108598543A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN108598543B publication Critical patent/CN108598543B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/18—Regenerative fuel cells, e.g. redox flow batteries or secondary fuel cells
    • H01M8/184—Regeneration by electrochemical means
    • H01M8/188—Regeneration by electrochemical means by recharging of redox couples containing fluids; Redox flow type batteries
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H01M8/0258—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors characterised by the configuration of channels, e.g. by the flow field of the reactant or coolant
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Landscapes

  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

本公开涉及一种液流电池，该电池能够有效抑制传统液流电池中阳极双极板表面流道的电化学腐蚀。该电池结构以隔膜为中心，呈对称分布，包括依次叠合的电池端板、双极板、电极、液流框、流道、隔膜、流道、液流框、电极、双极板和电池端板。不同于传统液流电池中流道与双极板一体化设计的结构，本发明中，将流道与双极板分离，并将流道转移至电极和隔膜之间。此外，为了简化流道的加工工艺，流道可采用塑料等易加工、耐腐蚀材料制成。该结构在促进电解液均匀分布的同时，简化了双极板结构，增强了双极板和电解液流道的抗腐蚀能力，且有利于减小双极板和电极之间的接触电阻，提高电池构件的使用寿命。

Description

一种液流电池
技术领域
本公开涉及电化学储能技术领域，特别涉及一种液流电池。
背景技术
液流电池是一种新型绿色规模化储能系统，其主要应用在电池调峰、大规模太阳能和风能发电系统、应急电源系统以及边远地区的储能，甚至可以用作新能源汽车和军事设施的动力系统。
与其他二次电池(如铅酸)相比，液流电池具有如下优点：工作过程中不发生电极物质结构形态的变化，电池内部只发生液相反应；电池的额定功率和容量相互独立，可以通过改变电堆的大小和电解液的体积、浓度实现功率和容量的调节；电池电解液循环使用，存储寿命长；电池可100％充放电而不会影响电池性能，真正实现深度放电；且具有电池电化学反应迅速，响应时间短等特点，因此有望在更大的领域获得应用。
传统的液流电池主要由电池端板，双极板，电极，液流框以及隔膜组成。电池以隔膜为中心，呈对称分布，两侧依次为液流框，电极，双极板，以及电池端板，并且，为促进电解液的流动，在双极板表面通常加工有电解液流道，具体结构如图1所示。目前，优化关键材料性能和改进电池结构是提升电池效率的重要手段。在电池测试程中，电池构件的腐蚀问题已经逐渐引起学者的关注。双极板作为电池的重要组成部分，起着导电和维持电池密封性的作用。然而，受电池内强酸性和强氧化性环境的影响，双极板表面极易发生化学腐蚀和电化学腐蚀。该现象的发生会导致电池性能的衰减。在双极板表面加工流道的过程中，产生的锐利边角不可避免地会形成更多的活化位点，这些位点更容易与氧分子结合，形成氧化腐蚀。此外，流道的存在降低了双极板和电极的接触面积，导致局部电势分布不均，该结果同样会加剧流道的氧化腐蚀。因此，在保留流道结构的同时，如何抑制其腐蚀，是提升双极板寿命的关键。
发明内容
本公开旨在提出一种液流电池，通过改变双极板结构和电解液流道的位置，在保留电解液流道，促进电解液均匀分布的同时，可以有效抑制电解液流道在充电过程中的电化学腐蚀问题，并且可以降低电池构件的加工风险和成本，最终，实现电池性能的提升。
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，所述电池以隔膜为中心，呈对称分布，两侧向外依次为电解液流道、液流框、电极、双极板和电池端板，所述电池具有将电解液流道和双极板分离的结构；
所述电解液流道用于尽可能使得电解液均匀分布在电极内；
所述电极为电化学反应提供场所；
所述液流框、隔膜和双极板共同构成容纳电极和电解液流道的腔体；
所述双极板还用于导通电极以及液流电池的外界电路；
所述电池端板用于压紧电池，防止漏液。
本公开所述的液流电池双极板上不再直接加工流道，双极板结构得以简化，减小了双极板和电极之间的接触电阻，降低了双极板加工难度，提高了阳极双极板在高电势下的抗腐蚀能力，且流道采用塑料等廉价材料直接成型，有利于降低构件成本，延长使用寿命。
附图说明
图1是传统液流电池的单电池结构示意图；
其中：1电池端板；2双极板(集流板)；3电极；4液流框；5流道；
图2为传统液流电池单电池中双极板结构示意图；
图3是本公开一个实施例中液流电池的单电池结构示意图；
其中：1电池端板；2双极板(集流板)；3电极；4液流框；5流道；6隔膜；
图4为本公开一个实施例中液流电池中双极板的结构示意图；
图5是本公开一个实施例中液流电池中流道的结构示意图，流道上的椭圆形孔为通孔。
具体实施方式
在以下详细描述中，提供大量特定细节，以便于提高对本发明的透彻理解。此处所说明的附图1至5用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，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。
在一个实施例中，本公开揭示了一种液流电池，所述电池以隔膜为中心，呈对称分布，两侧向外依次为电解液流道、液流框、电极、双极板和电池端板，所述电池具有将电解液流道和双极板分离的结构；
所述电解液流道用于尽可能使得电解液均匀分布在电极内；
所述电极为电化学反应提供场所；
所述液流框、隔膜和双极板共同构成容纳电极和电解液流道的腔体；
所述双极板还用于导通电极以及液流电池的外界电路；
所述电池端板用于压紧电池，防止漏液。
在本实施例中，电解液流道和电极均位于所述腔体中。由于双极板上不再直接加工流道，双极板结构得以简化，减小了双极板和电极之间的接触电阻，降低了双极板加工难度，提高了阳极双极板在高电势下的抗腐蚀能力，且流道采用塑料等廉价材料直接成型，有利于降低构件成本，延长使用寿命。
在本实施例中，所述电解液流道促进电解液在电极内的均匀分布。电解液流道和电极接触，电解液在电解液流道内流动的同时向电极内渗透，最终实现电解液在电极内的均匀分布。
在一个实施例中，制成所述双极板的材料包括石墨板或碳塑复合导电板或其他导电耐腐蚀材料。
更优的，所述双极板上加工有电解液入口和出口，双极板表面光滑且表面无电解液流道。
在本实施例中，如图4所示：所述双极板为石墨板或碳塑复合导电板，起导电和密封作用。双极板上加工有电解液入、出口，且双极板表面光滑，无电解液流道。
在本实施例中，所述电解液的入口和出口位置并不固定，一般是在双极板的对角位置分别设置一个入口和一个出口。
在传统电池结构中，电解液流道通常加工在双极板表面，但这种结构容易发生氧化腐蚀，因此，在本实施例中将流道和双极板分离，并将流道的位置调整到了电极和隔膜之间，因此，双极板表面不再需要加工流道，有利于抑制双极板的腐蚀。
在一个实施例中，所述电解液流道为独立部件，放置于隔膜和电极之间；
所述电解液流道由耐腐蚀材料制成，包括如下任一：有机玻璃，树脂。
更优的，所述电解液流道的肋部开有通孔，以减小流道对隔膜的阻挡。
在本实施例中，所述电解液流道结构示意图如图5所示，所述电解液流道为塑料等非导电耐腐蚀材料，电解液流道固定放置于隔膜和电极之间。此外，为减小电解液流道对隔膜的阻挡，提高隔膜的有效使用面积，在流道上开有通孔。
在一个实施例中，所述制成电极的材料为多孔碳材料，例如碳纸、碳布、碳毡或石墨毡。
在本实施例中，所述电极材料可以为碳纸、碳布、碳毡或石墨毡等多孔碳材料，在电池组装时，电极可以被适度压缩。
在一个实施例中，所述隔膜为阳离子交换膜、阴离子交换膜或其他多孔膜。
在本实施例中，所述隔膜用于将阴极电极腔和阳极电极腔隔开，防止两侧电解液接触，同时，隔膜允许特定的离子通过，完成电池的内电路。
在一个实施例中，所述液流框为中空环形结构，由氟橡胶、硅橡胶，聚四氟乙烯或其他耐腐蚀材料制成。
在本实施例中，所述液流框的作用是防止电解液泄露，中空环形的液流框与双极板，隔膜会形成电极腔，电极和流道均放置在该电极腔中。
在一个实施例中，制成所述电池端板的材料包括非金属或金属板材，当电池端板为金属板材时，在电池端板和双极板之间还需添加绝缘材料，用于防止电池短路。
在本实施例中，所述电池端板起支撑电池结构，压紧电池防止漏液作用。
在一个实施例中，所述电池结构不仅可应用于全钒液流电池也可用于锌溴液流电池、锌镍液流电池或多硫化钠溴液流电池等。
在一个实施例中，按照图1所示结构组装成新型结构全钒液流电池单电池，其中，电池端板1为有机玻璃板，厚度8mm；双极板2为石墨板，双极板厚度为6mm，双极板表面光滑，无加工的蛇形流道；电极3采用石墨毡材质，厚度为5.5mm，表观面积为4×4cm2；液流框4材质为氟橡胶，厚度为4mm；流道5材质为光敏树脂，采用3D打印工艺加工而成，流道深度为2mm，流道宽度为1mm，肋宽为1mm，形状为蛇形流道，在流道肋部开有椭圆形通孔，具体结构如图3所示；隔膜6采用Nafion117质子交换膜。
按照图1所示结构组装成传统结构全钒液流电池单电池，其中，电池端板1为有机玻璃板，厚度8mm；双极板2为石墨板，双极板厚度为8mm，双极板表面加工有深度为2mm，流道宽度为1mm，肋宽为1mm的蛇形流道；电极3采用石墨毡材质，厚度为5.5mm，表观面积为4×4cm2；液流框4材质为氟橡胶，厚度为4mm；隔膜5采用Nafion117质子交换膜。
实验过程中，实施例和比较例的实验条件完全相同。阳极电解液均为2MV(IV)+2MH2SO4，阴极电解液为2M V(III)+2M H2SO4。电解液流速为40.5mL/min，充放电截止电压为2.0V和0.8V，充电电流密度分别为15mA/cm2，25mA/cm2，35mA/cm2。
表1为实施例和比较例两种结构液流电池单电池在不同电流密度下的效率值。在高充电电势条件下，通过抑制副反应的发生，实施例可以有效抑制阳极双极板的氧化腐蚀，因此具有较高的库伦效率。表2为80次充放电测试后实施例和比较例中两种结构液流电池中阳极双极板表面元素组成及比例。结果显示，相比比较例，实施例中阳极双极板表面含氧量下降了2.8％，表明该结构具有更好的抗氧化特性。
表1.全钒液流电池单电池在不同电流下的平均效率。
表2. 80次充放电循环后双极板表面元素比例分析。
通过以上分析可知：采用本发明的电池结构，由于双极板上不再直接加工流道，双极板结构得以简化，减小了双极板和电极之间的接触电阻，降低了双极板加工难度，提高了阳极双极板在高电势下的抗腐蚀能力，且流道采用塑料等廉价材料直接成型，有利于降低构件成本，延长使用寿命。
以上实施例的说明只用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种液流电池，其特征在于，所述电池以隔膜为中心，呈对称分布，两侧向外依次为电解液流道、液流框、电极、双极板和电池端板，所述电池具有将电解液流道和双极板分离的结构；
所述电解液流道用于使得电解液均匀分布在电极内；
所述电极为电化学反应提供场所；
所述液流框、隔膜和双极板共同构成容纳电极和电解液流道的腔体；
所述双极板还用于导通电极以及液流电池的外界电路；
所述电池端板用于压紧电池，防止漏液。
2.根据权利要求1所述电池，其特征在于：优选的，制成所述双极板的材料包括石墨板或碳塑复合导电板或其他导电耐腐蚀材料。
3.根据权利要求1所述电池，其特征在于：所述双极板上加工有电解液入口和出口，双极板表面光滑且表面无电解液流道。
4.根据权利要求1所述电池，其特征在于：所述电解液流道为独立部件；
所述电解液流道由耐腐蚀材料制成，包括如下任一：有机玻璃，树脂。
5.根据权利要求4所述电池，其特征在于：所述电解液流道的肋部开有通孔，以减小流道对隔膜的阻挡。
6.根据权利要求1所述电池，其特征在于：所述制成电极的材料包括多孔碳材料，例如碳纸、碳布、碳毡或石墨毡。
7.根据权利要求1所述电池，其特征在于：所述隔膜包括阳离子交换膜、阴离子交换膜或其他多孔膜。
8.根据权利要求1所述电池，其特征在于：所述液流框为中空环形结构，由氟橡胶、硅橡胶，聚四氟乙烯或其他耐腐蚀材料制成。
9.根据权利要求1所述电池，其特征在于：制成所述电池端板的材料包括非金属或金属板材，当电池端板为金属板材时，在电池端板和双极板之间还需添加绝缘材料，用于防止电池短路。
10.根据权利要求1所述电池，其特征在于：所述电池结构不仅能够应用于全钒液流电池，也能够应用于锌溴液流电池、锌镍液流电池、多硫化钠溴液流电池或其他液流电池中。
CN201810674710.0A 2018-06-27 2018-06-27 一种液流电池 Active CN108598543B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201810674710.0A CN108598543B (zh) 2018-06-27 2018-06-27 一种液流电池

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201810674710.0A CN108598543B (zh) 2018-06-27 2018-06-27 一种液流电池

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN108598543A true CN108598543A (zh) 2018-09-28
CN108598543B CN108598543B (zh) 2021-07-06

Family

ID=63633923

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201810674710.0A Active CN108598543B (zh) 2018-06-27 2018-06-27 一种液流电池

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN108598543B (zh)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110336053A (zh) * 2019-07-16 2019-10-15 中南大学 一种含流道燃料电池双极板的制备方法
CN111106397A (zh) * 2018-10-25 2020-05-05 中国科学院大连化学物理研究所 一种锌镍蓄电池
CN112928319A (zh) * 2019-12-06 2021-06-08 中国科学院大连化学物理研究所 一种高容量锌溴单液流电池结构

Citations (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2006075681A1 (ja) * 2005-01-14 2006-07-20 Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. 燃料電池用スタック及び燃料電池
CN101702441A (zh) * 2009-11-05 2010-05-05 湖南维邦新能源有限公司 一种液流电池堆
CN102136594A (zh) * 2011-02-22 2011-07-27 上海林洋储能科技有限公司 一种双倍功率的液流电池电堆结构及包含此电堆的液流电池
CN102867978A (zh) * 2011-07-05 2013-01-09 中国科学院大连化学物理研究所 一种液流储能电池结构
CN202917584U (zh) * 2012-11-19 2013-05-01 国网电力科学研究院武汉南瑞有限责任公司 一种用于钒电池材料和结构测试评价的钒电池堆
CN104716392A (zh) * 2013-12-15 2015-06-17 中国科学院大连化学物理研究所 一种液流电池结构
CN105514459A (zh) * 2014-09-24 2016-04-20 中国科学院大连化学物理研究所 一种单梯形液流电池、多梯形液流电池及其电堆
CN106784918A (zh) * 2017-01-05 2017-05-31 苏州久润能源科技有限公司 一种液流电池用液流框及其单电池
US20170214066A1 (en) * 2016-01-21 2017-07-27 National Taipei University Of Technology Modular fuel cell structure, casing of the same, and fuel cell system
CN206758557U (zh) * 2017-05-10 2017-12-15 北京普能世纪科技有限公司 复合型碳毡流道
CN206878104U (zh) * 2017-05-10 2018-01-12 北京普能世纪科技有限公司 新型流场的液流电池电极
CN206931657U (zh) * 2017-05-25 2018-01-26 神华集团有限责任公司 一种液流储能电池结构

Patent Citations (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2006075681A1 (ja) * 2005-01-14 2006-07-20 Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. 燃料電池用スタック及び燃料電池
CN101702441A (zh) * 2009-11-05 2010-05-05 湖南维邦新能源有限公司 一种液流电池堆
CN102136594A (zh) * 2011-02-22 2011-07-27 上海林洋储能科技有限公司 一种双倍功率的液流电池电堆结构及包含此电堆的液流电池
CN102867978A (zh) * 2011-07-05 2013-01-09 中国科学院大连化学物理研究所 一种液流储能电池结构
CN202917584U (zh) * 2012-11-19 2013-05-01 国网电力科学研究院武汉南瑞有限责任公司 一种用于钒电池材料和结构测试评价的钒电池堆
CN104716392A (zh) * 2013-12-15 2015-06-17 中国科学院大连化学物理研究所 一种液流电池结构
CN105514459A (zh) * 2014-09-24 2016-04-20 中国科学院大连化学物理研究所 一种单梯形液流电池、多梯形液流电池及其电堆
US20170214066A1 (en) * 2016-01-21 2017-07-27 National Taipei University Of Technology Modular fuel cell structure, casing of the same, and fuel cell system
CN106784918A (zh) * 2017-01-05 2017-05-31 苏州久润能源科技有限公司 一种液流电池用液流框及其单电池
CN206758557U (zh) * 2017-05-10 2017-12-15 北京普能世纪科技有限公司 复合型碳毡流道
CN206878104U (zh) * 2017-05-10 2018-01-12 北京普能世纪科技有限公司 新型流场的液流电池电极
CN206931657U (zh) * 2017-05-25 2018-01-26 神华集团有限责任公司 一种液流储能电池结构

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111106397A (zh) * 2018-10-25 2020-05-05 中国科学院大连化学物理研究所 一种锌镍蓄电池
CN111106397B (zh) * 2018-10-25 2021-04-30 中国科学院大连化学物理研究所 一种锌镍蓄电池
CN110336053A (zh) * 2019-07-16 2019-10-15 中南大学 一种含流道燃料电池双极板的制备方法
CN112928319A (zh) * 2019-12-06 2021-06-08 中国科学院大连化学物理研究所 一种高容量锌溴单液流电池结构

Also Published As

Publication number Publication date
CN108598543B (zh) 2021-07-06

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP0100530A2 (en) Fuel cell using organic high-molecular electrolyte
US9153832B2 (en) Electrochemical cell stack having a protective flow channel
CN207587857U (zh) 一种锌镍单液流电池
Hsieh et al. Measurement of local current density of all-vanadium redox flow batteries
CN108598543A (zh) 一种液流电池
CN106549179B (zh) 一种有机体系锂醌液流电池
EP2573852A1 (en) Solid polymer fuel cell
KR102379200B1 (ko) 전도성 중간층을 포함하는 아연-브롬 흐름전지
CN112928295A (zh) 一种电极框与双极板的一体式结构及应用
CN113774417B (zh) 一种双极电容代替离子隔膜分离产氢产氧的电解水装置
CN101656321A (zh) 一种电池集流板以及包含其的液流电池
CN209798117U (zh) 一种具有串联结构的制氢装置
KR101514881B1 (ko) 이차전지용 전해액 제조방법
CN113981479B (zh) 一种水电解装置
CN110970636A (zh) 一种阴极电极框在锌溴单液流电池中的应用
CN112928298B (zh) 一种锌溴单液流电池结构
TWI703759B (zh) 分散式液流電池儲能模組
CN203232928U (zh) 复合式极板燃料电池结构
CN216624357U (zh) 一种液流电池结构
CN220604720U (zh) 一种液流电池用激光堆叠焊接组件
US20190221862A1 (en) Method of Fabricating Separating Membrane of Flow Battery for Achieving Low Impedance and Low Permeability
KR20200055311A (ko) 후면 유로를 포함하는 매니폴드 및 레독스 흐름 전지
KR20160091154A (ko) 설폰화 개질된 폴리에테르에테르케톤 막을 포함하는 바나듐 레독스 흐름전지
CN104882619B (zh) 一种场催化受控燃料电池
CN113644290B (zh) 一种液流电池用半电池、单电池、电池堆以及液流电池系统

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant