CN111224144B - 一种液流电池电堆结构及其应用 - Google Patents
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Abstract
一种液流电池的电堆结构及应用，包括中空的环形液流框和置于液流框中部空腔的电极。在环形液流框一侧表面的上下两端分别设有电解液进口流道和电解液出口流道。进口流道和出口流道的一端与电解液储罐相连，另一端与环形液流框中部空腔相连通。电极为2个以上的长方形或者梯形板状结构，以从左向右、相互间隔的方式，平铺于环形液流框中部的空腔内。或者电极以交指形式平铺于环形液流框中部的空腔内。通过该结构设置，电解液在电极中的流动路径可以显著缩短至毫米‑厘米级，可以搭配更高的电极压缩比来减小电池的电阻而不需要担心电解液分布均匀性带来的影响，有效的降低电堆的浓差极化。
Description
技术领域
本发明涉及液流电池结构，特别涉及液流电池的电极形状与排布。
背景技术
可再生能源的快速发展已经推动传统能源占总消耗能源的比重逐步降低，大量的光伏、风能等可再生能源基础设施建设上马。而随着可再生能源的大力发展，其稳定并网问题逐渐突出。由于光伏、风能等可再生能源具有不连续、不稳定的特性，直接并网会对电网造成巨大的冲击，甚至导致电网瘫痪。因此出现大量的可再生能源弃用的现象。为缓解这种现象，急需要一种电能装置，可以平抑可再生能源的不稳定性，使其更加可控。真正的实现健康并网。为此，出现了多种储能技术，其中化学储能，尤其是电化学储能在最近的十多年间快速的发展，已经逐步成为最有前途的可再生能源配套技术之一。电化学储能具有设计灵活性高、效率高的特点。尤其在液流电池方面，更是具备了高安全性、容量和功率可独立设计、可深度充放电的特点。
液流电池是将负极绝缘板、负极集流板、负极电极、负极电极框、离子传导膜、正极电极框、正极电极、正极集流板和正极绝缘板通过电池的金属或者塑料端板压紧在一起，并在上述材料之间设置密封垫，实现电池的封装。为了实现更高的电池功率密度，以期在尽可能小的电池体积下发挥出更大的电池功率，降低电池成本。就需要在提高工作电流密度的同时，保持电池的极化在很低的水平，保持电池的效率不变。电池的极化分为欧姆极化、电化学极化和浓差极化。通常采用减小电池材料的电阻、减小电极之间的距离、提高电极的反应活性和提高电解液的补充量来控制三个极化。而减小电极之间的距离和提高电解液的补充量实际是相矛盾的设计，过小的极间距会造成过大的流动阻力，不利用电解液的流动。为此只有更换功率更高的泵，就会引起系统的效率下降。因此，在减小极间距的同时，保证电解液的流动顺畅，减小流动阻力是降低浓差极化的设计关键。现有结构往往是减小电极框中的电极电解液进液口和电解液出液口之间的距离，来减小流动阻力。但是为获得高的功率，电极面积不可缩小太多。因此设计出的电堆往往长宽比非常高，不利于电池系统内的排布。
发明内容
为了减小高的长宽比带来的电池系统内的排布困难问题。本发明提供一种液流电池结构，其不需要很高的长宽比，即可实现低流阻以及高电解液分布均匀性的特点：
一种液流电池电堆结构，包括中空的环形液流框和置于环形液流框中部空腔内的电极，环形液流框中部空腔为长方形，于环形液流框一侧表面的上下二端分别设有电解液进口流道和电解液出口流道，电解液进口流道和电解液出口流道的一端与电解液储罐相连，另一端与环形液流框中部空腔相连通：
上述电极为2个以上的长方形板状结构，2个以上的电极从左至右按长边相平行、相互间隔的方式、沿平行于液流框表面的平面平铺于环形液流框中部空腔内。电极从左至右的宽度与相邻电极从左至右的间距比为1:4-4:1，优选1:2-2:1。
上述电极也可为2个以上的梯形板状结构，2个以上的电极从左至右按下底边靠近环形液流框电解液出口流道、上底边靠近环形液流框电解液进口流道、相互间隔顺序排列的方式、沿平行于液流框表面的平面平铺于环形液流框中部空腔内。电极的面积与从左至右相邻电极之间的空腔面积比为1:4-4:1，优选1:2-2:1。
上述电极还可为长方形板状结构，于电极上方边缘向下设有2个以上的贯穿电极二侧表面的长方形或梯形缺口A，于电极下方边缘向上设有2个以上的贯穿电极二侧表面的长方形或梯形缺口B，缺口A的下底面处于缺口B上底面的下方，且从左至右缺口A和缺口B相互交替顺序间隔设置。缺口A或缺口B从左至右的宽度与从左至右缺口A和缺口B的间距比为1:4-4:1，优选1:2-2:1。
上述液流电池应用于全钒液流电池时，电堆装配后电极压缩比为1.2-1.8，电池工作电流密度高于200mA/cm2时，电压效率高于80％。
上述液流电池电堆结构中沿平行于液流框表面的平面平铺就指使2个以上的电极的二侧表面分别处于二个相应的与环形液流框表面相平行的平面内。
有益效果
1.本发明并没有通过设计非常高的电极长宽比来减小电解液的流动阻力，而是利用电极的形状和布置方式来达到相同的目的。
2.本发明结构简单，不需要更改电极框、双极板的制造工艺即可实现低流阻、高电解液均匀分布的特点。
附图说明
图1为液流电池中电极的常规形状与布置方式；
其中1.电池电极框体；2.电极；3.电极中的空腔；4.电解液进口流道；5.电解液出口流道；箭头为电解液的流动方向
图2为本发明涉及的矩形条状电极布置方式；
图3为本发明涉及的梯形条状电极布置方式；
图4为本发明涉及的电极交指状布置方式。
具体实施方式
对比例：
液流电池电极的常规布置方式如图1所示。电解液由电极框体上的电解液进口流道流入电极之中，在电极中分布后汇流入电解液出口流道流出电极框。电解液在电极中参与电化学反应。通常情况下，为提高电堆的工作电流密度，需减小电池的极间距来降低电池内阻。造成电解液流动阻力变大，为减小阻力，提高分布均匀性，将电极的长宽比设计的比较高。电堆三维尺寸较为畸形，不利于系统设计。同时电解液在电极中的流经路径不可能短至数厘米甚至是毫米，因此电堆的工作电流密度还达不到极限。
为此，本发明设计了如图2、图3、图4种的不同形状电极的布置方式。其中图2中的电极被裁剪成矩形条状，并间隔一定距离平行放置。其中，矩形电极条的宽度与间隔的宽度比为3：1。电解液流入电极中时，先汇流入没有阻力的空腔区域，再被强迫流入宽度仅有数厘米的电极中，再汇流入空腔流出电极区。采用该设计的电堆流阻主要为矩形条状电极的宽度造成的流动阻力，相比常规布置方式，电解液在电极中的流经距离减小了一个数量级。浓差极化得到了很好的控制。同时该结构可以适配更高的电极压缩比，进一步减小极间距而不引起浓差极化的增大。图3中的梯形条状电极布置方式是图2的进一步优化。电极的面积与从左至右相邻电极之间的空腔面积比为1：1。该布置方式影响了电极间空腔内的电解液流动分布。电解液进入逐渐缩窄的空腔会有加速的过程，可以更加均匀的促使电解液流过电极，提高电极中流速的分布均匀性。图3中的电极交指状布置方式相比图2和3中的布置方式在电解液分布的均匀度上更高，并且电极的面积更大，电堆电流更高。电极上方边缘向下的贯穿电极二侧表面的长方形缺口A，以及电极下方边缘向上的贯穿电极二侧表面的长方形缺口B，缺口A或缺口B从左至右的宽度与从左至右缺口A和缺口B的间距比为1：3。
分别采用图1、图2、图3和图4中的电极布置方式组装具有相同电极面积的电堆，由5节电池组成。并分别测试其在200mA/cm2的高电流密度下的性能。电极均采用原始厚度4mm的商业化碳毡电极材料。其中采用图1电极布置方式的电极压缩比为1.25，图2、图3和图4的电极布置方式的电极压缩比为1.6。离子传导膜为Nafion212膜。电堆单节电池的充电截至电压为1.55V，放电截至电压为1V。对比数据如表1所示。
表1分别采用图1、图2、图3和图4的电极布置方式的电堆性能对比
由上表可知，采用图2-图4电极布置方式的电堆的性能较常规电极布置方式的电堆有明显的提高。证明了该布置方式可以较好的控制电堆的浓差极化，提高电堆的电压效率。
Claims (6)
1.一种液流电池电堆结构，包括中空的环形液流框和置于环形液流框中部空腔内的电极，环形液流框中部空腔为长方形，于环形液流框一侧表面的上下二端分别设有电解液进口流道和电解液出口流道，电解液进口流道和电解液出口流道的一端与电解液储罐相连，另一端与环形液流框中部空腔相连通；其特征在于：
所述电极为2个以上的长方形板状结构，2个以上的电极从左至右按长边相平行、相互间隔的方式、沿平行于液流框表面的平面平铺于环形液流框中部空腔内；电极从左至右的宽度与相邻电极从左至右的间距比为1:4-4:1；
或所述电极为2个以上的梯形板状结构，2个以上的电极从左至右按下底边靠近环形液流框电解液出口流道、上底边靠近环形液流框电解液进口流道、相互间隔顺序排列的方式、沿平行于液流框表面的平面平铺于环形液流框中部空腔内；电极从左至右的宽度与相邻电极从左至右的间距比为1:4-4:1；
或所述电极为长方形板状结构，于电极上方边缘向下设有2个以上的贯穿电极二侧表面的长方形或梯形缺口A，于电极下方边缘向上设有2个以上的贯穿电极二侧表面的长方形或梯形缺口B，缺口A的下底面处于缺口B上底面的下方，且从左至右缺口A和缺口B相互交替顺序间隔设置；缺口A或缺口B 从左至右的宽度与从左至右缺口A和缺口B的间距比为1:4-4:1。
2.按照权利要求1所述电堆结构，其特征在于：所述电极为2个以上的长方形板状结构，电极从左至右的宽度与相邻电极从左至右的间距比为1:2-2:1。
3.按照权利要求1所述电堆结构，其特征在于：所述电极为2个以上的梯形板状结构，电极的面积与从左至右相邻电极之间的空腔面积比为1:2-2:1。
4.按照权利要求1所述电堆结构，其特征在于：所述电极为长方形板状结构，缺口A或缺口B 从左至右的宽度与从左至右缺口A和缺口B的间距比为1:2-2:1。
5.一种权利要求1-4任一所述电堆结构的应用，其特征在于：所述电堆结构应用于液流电池中。
6.根据权利要求5所述电堆结构的应用，其特征在于：所述液流电池为全钒液流电池时，电堆装配后电极压缩比为1.2-1.8，电池工作电流密度高于200 mA/cm2时，电压效率高于80%。
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN113889640B (zh) * | 2020-07-01 | 2023-10-20 | 中国科学院大连化学物理研究所 | 一种液流电池电堆 |
| CN114122445A (zh) * | 2020-12-16 | 2022-03-01 | 海川太风水储能科技(无锡)有限公司 | 高功率液流电池板框及碳毡流道设计 |
Citations (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| AU5491496A (en) * | 1995-05-03 | 1996-11-21 | Jd Holding Inc. | High energy density vanadium electrolyte solutions, methods of preparation thereof and all-vanadium redox cells and batteries containing high energy vanadium electrolyte solutions |
| CN102299348A (zh) * | 2010-06-25 | 2011-12-28 | 中国科学院大连化学物理研究所 | 一种液流电池的多孔电极结构及其制备方法 |
| CN104300163A (zh) * | 2013-07-18 | 2015-01-21 | 中国科学院大连化学物理研究所 | 一种氧化还原液流电池的电极框及其电堆 |
| CN106165176A (zh) * | 2014-04-23 | 2016-11-23 | 住友电气工业株式会社 | 双极板、氧化还原液流电池及用于制作双极板的方法 |
| TW201705598A (zh) * | 2015-07-10 | 2017-02-01 | Sumitomo Electric Industries | 電池堆、及氧化還原液流電池 |
| JP2017041418A (ja) * | 2015-08-21 | 2017-02-23 | 住友電気工業株式会社 | 双極板、セルフレーム及びセルスタック、並びにレドックスフロー電池 |
| CN107710487A (zh) * | 2015-06-23 | 2018-02-16 | 住友电气工业株式会社 | 双极板、电池框架、电池堆和氧化还原液流电池 |
| CN207624813U (zh) * | 2017-11-28 | 2018-07-17 | 中国科学院大连化学物理研究所 | 一种适用于梯形液流电池电堆的液流框 |
| CN209169301U (zh) * | 2018-11-26 | 2019-07-26 | 中国科学院大连化学物理研究所 | 一种液流电池电堆结构 |
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Patent Citations (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| AU5491496A (en) * | 1995-05-03 | 1996-11-21 | Jd Holding Inc. | High energy density vanadium electrolyte solutions, methods of preparation thereof and all-vanadium redox cells and batteries containing high energy vanadium electrolyte solutions |
| CN102299348A (zh) * | 2010-06-25 | 2011-12-28 | 中国科学院大连化学物理研究所 | 一种液流电池的多孔电极结构及其制备方法 |
| CN104300163A (zh) * | 2013-07-18 | 2015-01-21 | 中国科学院大连化学物理研究所 | 一种氧化还原液流电池的电极框及其电堆 |
| CN106165176A (zh) * | 2014-04-23 | 2016-11-23 | 住友电气工业株式会社 | 双极板、氧化还原液流电池及用于制作双极板的方法 |
| CN107710487A (zh) * | 2015-06-23 | 2018-02-16 | 住友电气工业株式会社 | 双极板、电池框架、电池堆和氧化还原液流电池 |
| TW201705598A (zh) * | 2015-07-10 | 2017-02-01 | Sumitomo Electric Industries | 電池堆、及氧化還原液流電池 |
| JP2017041418A (ja) * | 2015-08-21 | 2017-02-23 | 住友電気工業株式会社 | 双極板、セルフレーム及びセルスタック、並びにレドックスフロー電池 |
| CN207624813U (zh) * | 2017-11-28 | 2018-07-17 | 中国科学院大连化学物理研究所 | 一种适用于梯形液流电池电堆的液流框 |
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| GR01 | Patent grant | ||
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