CN110718706A - 一种测量液流电池电解液浓度分布的装置 - Google Patents

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李明华
于永进
张宗盛
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    • Y02E60/50—Fuel cells

Abstract

本发明属于液流电池技术领域，涉及一种测量液流电池电解液浓度分布的装置，设置有液流电池，在所述液流电池内部嵌入至少2个子电池。该测量液流电池电解液浓度分布的装置还包括依次堆叠而成的负极端板、负极集流体板框、负极、隔膜、正极、正极集流体板框、正极端板；负极子集流体，子负极、隔膜、子正极、正极子集流体依次堆叠构成了子电池。这些部件依次堆叠后，用螺栓紧固形成镶嵌n(n≧2)个子电池的测量装置。采用该测量液流电池电解液浓度分布的装置可以获得电解液浓度的分布情况，用于改善流场的分布，提高电池的性能。

Description

一种测量液流电池电解液浓度分布的装置
技术领域
本发明属于液流电池技术领域，尤其涉及一种测量液流电池电解液浓度分布的装置。
背景技术
全钒液流电池的电解液通过液泵从储槽泵入电堆。电池的安时(Ah)容量取决于电解液内活性物质的量，功率取决于电堆输出电压和电流。电堆的输出电压由单体电池的串联数决定，电堆的输出电流由单体电池的面积与电流密度的乘积决定。由于各个单体间电解液的输送是通过输液总管，单体内的电解液输送是通过支路从单体电池的入口到达该单体电池的出口。因此，单体电池内的电解液分布是不均匀，面积越大电解液在单体电池内经过的路径就越长，电解液浓度分布就越不均匀，这将导致电解液的局部浓度过高影响电池的寿命。
为了提高电池性能、安全运行和延长使用寿命，有必要研究电解液在单体电池内的分布情况。到目前为止，对于单体电池内电解液浓度分布的理论研究较多，但是缺乏实验数据。
现有技术CN200910248844一种测量电流分布的质子交换膜燃料电池分式端板结构，现有技术CN201010148360一种测量氧气浓度分布的质子交换膜燃料电池结构是针对燃料电池测量氢离子的浓度分布测定。目前，还没有方案实现对钒电池的浓度分布进行测量的方法。
充电时，3价和4价的钒离子分别转化为2价和5价钒离子。此时，H+透过离子传导膜从正极移动到负极，而自由电子e-通过外电路从正极移动到负极来保持电中性，放电时相反。
负极反应：
Figure BDA0002278475110000011
正极反应：
Figure BDA0002278475110000021
总反应：
Figure BDA0002278475110000022
根据Nernst方程可以得出开路电压和浓度之间的关系式：
Figure BDA0002278475110000023
式中EMC是子电池的开路电压，V；Ee 0是忽略氢离子浓度对电势变化的影响，考虑氢离子对电极标准电势的影响时的标准电极电势，Ee 0＝E0+2RT/F·lnCHP；T是温度，K；R＝8.31J·K-1·mol-1；F是法拉第常数，C·mol-1；Cj是j价钒离子浓度，mol·L-1。为了简化说明，在这里假设正极和负极的总钒离子浓度相等，且在充满电时正极只有5价钒离子，负极只有2价钒离子，此时的2价钒离子浓度为Cmax，则式(4)可简化为式(5)。这样就建立了浓度和开路电压之间的关系式。
Figure BDA0002278475110000024
综上所述，现有技术存在的问题是：
(1)现有装置不能实现单体电池内电解液浓度分布数据的测定。
(2)现有技术不能实现对钒电池的浓度进行测量。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种测量液流电池电解液浓度分布的装置。
本发明是这样实现的：在液流电池内部嵌入n个子电池，n≧2，子电池在液流电池充电/或放电过程中不参加反应，而是用于测量各个子电池的开路电压来表征钒离子的浓度分布。采用该测量液流电池电解液浓度分布的装置可以获得电解液浓度的分布情况，用于改善流场的分布，提高电池的性能。
测量液流电池电解液浓度分布的装置，包括依次堆叠而成的负极端板、负极集流体板框、负极、隔膜、正极、正极集流体板框、正极端板，其特征在于：所述负极端板上有n个孔洞，且在所述负极集流体板框上、与n个孔洞相对应位置处分割出n个独立的、与负极集流体板框绝缘的子集流体，在所述负极上、与n个子集流体相对应位置处分割出n个独立的、与负极绝缘的子负极，n≧2；且在所述正极上、与子负极相对应位置处分割出n个独立的、与正极绝缘的子正极，所述正极集流体端板上、与子正极相对应位置处分割出n个独立的、与正极集流体板框绝缘的子集流体，所述正极端板上、与子正极集流体相对应位置处有n个孔洞，n≧2；负极子集流体，子负极、隔膜、子正极、正极子集流体依次堆叠构成了子电池。
进一步，导线穿过负极端板上的n个孔洞与负极子集流体相连，导线与负极端板之间用绝缘胶进行绝缘和密封。
进一步，负极集流体板框上的子集流体与负极集流体板框之间用绝缘胶进行绝缘和密封。
进一步，所述负极上的子负极与负极之间用绝缘材料进行绝缘。
进一步，所述正极上的子正极与正极之间用绝缘材料进行绝缘。
进一步，正极极集流体板框上的子集流体与正极集流体板框之间用绝缘胶进行绝缘和密封。
进一步，导线穿过正极端板上的n个孔洞与正极子集流体相连，导线与正极端板之间用绝缘胶进行绝缘和密封。
进一步，所述子电池中的子负极和子正极的面积要小到电池的面积的千分之一到五十分之一，最大不要超过十分之一。
进一步，所述子电池的个数n最好大于4，并且均匀分布在所述电池中。
进一步，所述子电池在主体电池充电或放电运行时不参加反应，测量这些子电池开路电压来表征钒离子的浓度分布。
综上所述，本发明的优点及积极效果为：该测量液流电池电解液浓度分布的装置可以获得电解液浓度的分布情况，用于改善流场的分布，提高电池的性能。
附图说明
图1是本发明实施例提供的负极端板的结构示意图。
图2是本发明实施例提供的负极集流体板框的结构示意图。
图3是本发明实施例提供的负极的结构示意图。
图4是本发明实施例提供的隔膜的结构示意图。
图5是本发明实施例提供的正极的结构示意图。
图6是本发明实施例提供的正极集流体板框的结构示意图。
图7是本发明实施例提供的正极端板的结构示意图。
图8是本发明实施例提供的测量液流电池电解液浓度分布的装置结构示意图。
图中：1、负极端板；2、绝缘胶；3、导线；4、负极集流体板框；5、正极集流体板框；6、子集流体；7、负极；8、绝缘材料；9、子负极；10、正极；11、正极端板；12、子正极。
具体实施方式
为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下。
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种测量液流电池电解液浓度分布的装置，下面结合附图1至图8对本发明作详细的描述。
在液流电池内部嵌入n个子电池，n≧2，子电池在液流电池充电/或放电过程中不参加反应，而是用于测量各个子电池的开路电压来表征钒离子的浓度分布。采用该测量液流电池电解液浓度分布的装置可以获得电解液浓度的分布情况，用于改善流场的分布，提高电池的性能。
测量液流电池电解液浓度分布的装置，包括依次堆叠而成的负极端板1、负极集流体板框4、负极7、隔膜、正极、正极集流体板框5、正极端板11，所述负极端板1上有n个孔洞，且在所述负极集流体板框4上、与n个孔洞相对应位置处分割出n个独立的、与负极集流体板框4绝缘的子集流体6，在所述负极7上、与n个子集流体6相对应位置处分割出n个独立的、与负极绝缘的子负极9，n≧2；且在所述正极上、与子负极9相对应位置处分割出n个独立的、与正极绝缘的子正极12，所述正极集流体端板上、与子正极12相对应位置处分割出n个独立的、与正极集流体板框5绝缘的子集流体6，所述正极端板11上、与子正极12集流体相对应位置处有n个孔洞，n≧2；负极子集流体6，子负极9、隔膜、子正极12、正极子集流体6依次堆叠构成了子电池。
导线3穿过负极端板1上的n个孔洞与负极子集流体6相连，导线3与负极端板1之间用绝缘胶2进行绝缘和密封。负极集流体板框4上的子集流体6与负极集流体板框4之间用绝缘胶2进行绝缘和密封。所述负极上的子负极9与负极7之间用绝缘材料8进行绝缘。所述正极上的子正极12与正极之间用绝缘材8料进行绝缘。正极极集流体板框上的子集流体6与正极集流体板框5之间用绝缘胶2进行绝缘和密封。导线3穿过正极端板11上的n个孔洞与正极子集流体6相连，导线3与正极端板11之间用绝缘胶2进行绝缘和密封。所述子电池中的子负极9和子正极12的面积要小到电池的面积的千分之一到五十分之一，最大不要超过十分之一。所述子电池的个数n最好大于4，并且均匀分布在所述电池中。所述子电池在主体电池充电或放电运行时不参加反应，测量这些子电池开路电压来表征钒离子的浓度分布。
该测量液流电池电解液浓度分布的装置能够测量液流电池电堆内电解液的浓度分布。测量单体电池内浓度分布的方法：在单体电池内，内置若干个独立电池用于测量开路电压，通过能斯特方程得到电解液浓度的分布。
F1.负极7：负极7(碳毡)120mm×150mm分成9个部分，在9个部分的中心处挖出直径10mm的碳毡备用，然后，同样的办法挖出15mm的圆环，在这个位置嵌入绝缘环然后把10mm的碳毡放入。同理处理其他8个部分，如图3。
F2.负极集流体板框4：将负极集流体板框4的与负极碳毡接触的部分分成9个部分，在9个部分做出与碳毡同样的处理，即每部分的中心位置挖出10mm和15mm的孔，将10mm的双极板放入后，用绝缘胶2密封起来，如图2。
F3.负极端板1：打通9个孔洞，接入导线3，导线3周围用绝缘胶2粘好，如图1。
F4.隔膜：如图4。
F5.正极：参考F1负极7，如图5。
F6.正极集流体板框5：参考F2负极集流体板框4，如图6。
F7.正极端板11：参考F3负极端板1，如图7。
如图8，将F3负极端板1、F2负极集流体板框4、F1负极7、F4隔膜、F5正极、F6正极集流体板框5、F7正极端板11顺序堆叠起来用螺栓锁紧，形成测量电解液浓度分布测量装置，在主体电池中嵌入了9个子电池。测量每个子电池的开路电压，利用开路电压与电解液浓度间的关系式(5)
Figure BDA0002278475110000061
进行计算，即可得到浓度的分布情况。
以上所述仅是对本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改，等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的范围内。

Claims (10)

1.一种测量液流电池电解液浓度分布的装置，其特征在于，该测量液流电池电解液浓度分布的装置设置有液流电池，在所述液流电池内部嵌入至少2个子电池。
负极端板、负极集流体板框、负极、隔膜、正极、正极集流体板框、正极端板依次堆叠安装；负极子集流体，子负极、隔膜、子正极、正极子集流体依次堆叠构成了子电池。
2.如权利要求1所述的测量液流电池电解液浓度分布的装置，其特征在于，所述负极端板上有n个孔洞，且在所述负极集流体板框上、与n个孔洞相对应位置处分割出n个独立的、与负极集流体板框绝缘的子集流体；
在所述负极上、与n个子集流体相对应位置处分割出n个独立的、与负极绝缘的子负极，n≧2；
且在所述正极上、与子负极相对应位置处分割出n个独立的、与正极绝缘的子正极，所述正极集流体端板上、与子正极相对应位置处分割出n个独立的、与正极集流体板框绝缘的子集流体；
所述正极端板上、与子正极集流体相对应位置处有n个孔洞，n≧2。
3.根据权利要求2所述的测量液流电池电解液浓度分布的装置，其特征在于，导线穿过负极端板上的n个孔洞与负极子集流体相连，导线与负极端板之间用绝缘胶进行绝缘和密封。
4.根据权利要求1所述的测量液流电池电解液浓度分布的装置，其特征在于，负极集流体板框上的子集流体与负极集流体板框之间用绝缘胶进行绝缘和密封。
5.根据权利要求2所述的测量液流电池电解液浓度分布的装置，其特征在于，所述负极上的子负极与负极之间用绝缘材料进行绝缘。
6.根据权利要求2所述的测量液流电池电解液浓度分布的装置，其特征在于，所述正极上的子正极与正极之间用绝缘材料进行绝缘。
7.根据权利要求1所述的测量液流电池电解液浓度分布的装置，其特征在于，正极集流体板框上的子集流体与正极集流体板框之间用绝缘胶进行绝缘和密封。
8.根据权利要求2所述的测量液流电池电解液浓度分布的装置，其特征在于，导线穿过正极端板上的n个孔洞与正极子集流体相连，导线与正极端板之间用绝缘胶进行绝缘和密封。
9.根据权利要求2所述的测量液流电池电解液浓度分布的装置，其特征在于，所述子电池中的子负极和子正极的面积要小到电池的面积的千分之一到五十分之一。
10.根据权利要求2所述的测量液流电池电解液浓度分布的装置，其特征在于，所述子电池的个数n大于2，并且均匀分布在所述电池中。
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