CN1761096A - 一种氧化还原液流电池储能装置的电堆结构 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及液流电池的电堆制造技术领域，其特征在于：所述电堆结构通过紧密接触密封后的板框组合方式分别构成阳极电解液和阴极电解液在电堆中的流动通道，同时通过导流进料板上的梳形结构形成板框组合的导流暗孔，作为电解液流入或流出正极腔室或负极腔室的通道，使得电解液通过导流暗孔后在离子交换膜和电极间均匀流动，避免大量电解液仅仅流过正极腔室或负极腔室的部分区域而形成沟流，所述压紧密封功能是利用塑料板的弹性实现。本发明提出的电堆具有结构简单、制造方便、密封可靠、有效抑止电解液沟流现象，电堆的电能转化效率高的优点。
Description
技术领域
本发明涉及利用电化学反应进行电能转化和储能领域，特别是制造液流电池的电堆的方法。
背景技术
随着国民经济的高速发展，能源、资源、环境之间的矛盾显得日益突出，国家提出发展太阳能、风能发电为主的可再生清洁能源，建设可持续发展的经济增长模式。由于太阳能、风能随着昼夜变化其发电量产生显著变化，难于保持稳定的电能输出，需要和一定规模的电能储存装置相配合，构成完整的供电系统，保证持续稳定的电能供应。氧化还原液流电池系统具有电能储存与高效转化功能，使用寿命长、环保、安全的特点，易于和太阳能、风能发电相匹配，大幅度降低设备造价，为可再生能源利用提供技术保证。当风能、太阳能发电装置的功率超过额定输出功率时，通过对氧化还原液流电池的充电，将电能转化为化学能储存在不同价态的离子中；当发电装置不能满足额定输出功率时，液流电池开始放电，把储存的化学能转化为电能，保证稳定电功率输出。
全钒氧化还原液流电池(Vanadium Redox Battery，VRB)是一种新型化学电源，通过不同价态的钒离子相互转化实现电能的储存与释放，是众多化学电源中唯一使用同种元素组成的电池系统，从原理上避免了正负半电池间不同种类活性物质相互渗透产生的交叉污染。使用溶解在电解液中不同价态钒离子作为电池正极和负极活性物质，阳极电解液和阴极电解液分开储存，从原理上避免电池储存过程自放电现象，适合于大规模储能过程应用。在电池的充电或放电过程，阳极电解液和阴极电解液分别流过电池的正极腔室和负极腔室，在正极和负极上发生电化学氧化还原反应，形成电压和电流。为了避免充放电过程电池的自放电现象，电解液在电堆中流动时需要避免阳极电解液和阴极电解液相互混合。
全钒氧化还原液流电池每个单电池只能提供1.26V左右的电压，实际过程中需要将一定数量单电池串联成电池组，才能输出额定功率的电流和电压。为了研制开发大规模液流电池储能系统，围绕液流电池的电堆结构，已经进行了大量研究，通过电堆内集流板设计，改变电解液流动分布，提高电池效率(美国专利No 6,475,661)，通过改变电解液流道结构，减小流动阻力损失(美国专利公开号20030087156)。然而，上述电堆存在结构复杂、装配困难、材料昂贵等问题，给进一步工程放大和降低系统成本带来困难。
发明内容
本发明目的在于提供一种氧化还原液流电堆的新型结构，降低制造成本，提高电堆结构的可靠性。
本发明的特征在于：
1.所述电堆结构由多个单电池串联组成，每个单电池由正极半电池和负极半电池串联组成，其中，每个正极半电池或负极半电池均依次由下述弹性材料所制的部件在上下位置对准后排列构成：离子交换膜(1)、膜侧湍流板(2)、导流进料板(3)、电极侧湍流板(4)、中间的电极框内装有电极(7)的电极衬板(5)以及集流板(6)；在由正极半电池和负极半电池串联组成单电池时，两者中间夹有共用的离子交换膜(1)；各单电池之间、各单电池中正极半电池和负极半电池之间、各正极半电池或负极半电池中所述各构成部件之间均被压紧并紧密接触密封，一直到电解液不泄漏为止；
对于每个正极半电池而言，其中：
集流板(6)，沿水平方向左侧、右侧的上方依次开有阳极电解液和阴极电解液流入孔，但所述两种电解液流动方向相反；
电极衬板(5)，沿水平方向左侧、右侧的上方依次开有阳极电解液和阴极电解液流入孔，但所述两种电解液流动方向相反；
电极侧湍流板(4)，沿水平方向左侧、右侧的上方依次开有阳极电解液和阴极电解液流入孔，但所述两种电解液流动方向相反；在该电极侧湍流板(4)中央有一个筛网；
导流进料板(3)，在水平方向左侧的上方正对着所述集流板(6)、电极衬板(5)，以及电极侧湍流板(4)的阳极电解液流入孔处开有凸凹相间的梳形槽，而在水平方向左侧的下方开有同样的梳形槽，该梳形槽贯通所述导流进料板(3)的厚度方向，阳极电解液在梳形槽的凹陷部分均匀分布并流入中央区域；在所述导流进料板(3)上的水平方向左侧上方的梳形槽和所述导流进料板(3)上的水平方向左侧下方的梳形槽之间设有沿水平方向延伸到导流进料板中央部分的伸长堰，该伸长堰对于从集流板(6)、电极衬板(5)、电极侧湍流板(4)上各流入口流入的阳极电解液在进入该导流进料板(3)上中央部分后起导流作用；在所述导流进料板(3)的水平方向右侧上方开有阴极电解液流入孔，但所述两种电解液流动方向相反；
膜侧湍流板(2)，在水平方向左侧下方正对着所述导流进料板(3)的梳形槽位置开有阳极电解液流入孔；阳极电解液流过导流进料板(3)梳形槽的导流暗孔后，变换方向穿过膜侧湍流板(2)；所述膜侧湍流板(2)中央位置上有一个筛网；在该膜侧湍流板(2)水平方向右侧上方开有阴极电解液流入孔，但所述两种电解液流动方向相反；
离子交换膜(1)，在水平方向左侧下方有一个阳极电解液流入孔，阳极电解液从所述膜侧湍流板(2)的阳极电解液流入孔中进入所述流入孔，并穿过离子交换膜(1)到达负极半电池；在该离子交换膜(1)水平方向右侧上方开有阴极电解液流入孔；但所述两种电解液流动方向相反；
所述阳极电解液、阴极电解液按照所述方式流过阳极半电池时，两种电解液按照所述流动方向对向流动；但是，并不限定为该流动方向，也可以按照相同方向流过所述离子交换膜(1)、膜侧湍流板(2)、导流进料板(3)、电极侧湍流板(4)、中间的电极框内装有电极(7)的电极衬板(5)以及集流板(6)；
当所述正极半电池被压紧并紧密接触密封后，所述相互压紧的膜侧湍流板(2)、导流进料板(3)、电极侧湍流板(4)构成一个正极腔室，保证阳极电解液流过该正极腔室时和电极(7)、离子交换膜(4)充分接触；
所述电极侧湍流板(4)上的电解液流入孔、导流进料板(3)上的水平方向左侧上方的梳形槽以及下方的膜侧湍流板(2)对应位置的平板，对齐后紧密接触，三者共同构成阳极电解液流入的导流暗孔，阳极电解液通过该导流暗孔进入所述正极腔室；所述导流进料板(3)上的水平方向左侧下方的梳形槽、该导流进料板(3)下方的膜侧湍流板(2)的电解液流入孔，以及电极侧湍流板(4)对应位置的平板，对齐后紧密接触，三者共同构成阳极电解液流出的导流暗孔，阳极电解液通过该导流暗孔流出所述正极腔室；
阴极电解液从下往上依次通过离子交换膜(1)、膜侧湍流板(2)、导流进料板(3)、电极侧湍流板(4)、电极衬板(5)以及集流板(6)，所述正极半电池各部件上的阴极电解液流入孔彼此对齐后各部件被压紧，阴极电解液从离子交换膜(1)进入后流过所述各部件，穿过集流板(6)后进入下一个负极半电池；
对于负极半电池而言，在结构上和所述正极半电池相同，而且阴极电解液在负极半电池中的流动方式和阳极电解液在上述正极半电池中的流动方式相同；
所述离子交换膜(1)、膜侧湍流板(2)、导流进料板(3)、电极侧湍流板(4)、电极衬板(5)以及集流板(6)可以分别制造后单独组装，也可以粘合为一个或几个构件后再装配为电堆；
所述阳极电解液和阴极电解液流过半电池中同一个部件时，通过该部件上位于电解液流道周边的边框彼此隔离。
在所述正极半电池或负极半电池的各个组成构件上，在所述各板的边缘部分均匀分布着许多作为外力锁紧时使用的螺钉孔。
本发明利用价格低廉的通用工程塑料，通过板框组合方式分别构成阳极电解液和阴极电解液在电堆中的流动通道，利用塑料板的弹性实现压紧密封功能，省去橡胶密封垫圈，通过板框组合形成导流暗孔作为电解液流入或流出正极腔室或负极腔室的通道；由于导流进料板的作用，电解液可以在离子交换膜和电极间均匀流动，避免大量电解液仅仅流过正极腔室或负极腔室的部分区域而形成的“沟流”现象发生。本发明简化了电堆结构，明显减少零部件数量，在满足技术性能要求基础上达到了简化电堆结构的目的，整个电堆采用对称型设计，提高电堆组装过程方便性，为进一步工业生产奠定基础。
附图说明
图1阳极半电池结构：
1-离子交换膜，2-膜侧湍流板，3-导流进料板，4-电极侧湍流板，
5-电极衬板，6-集流板，7-电极：
图1中的+，-符号分别代表阳极电解液和阴极电解液；
图2膜侧湍流板结构；
图3导流进料板结构；
图4电极侧湍流板结构；
图5电极衬板结构；
图6集流板结构；
图7液流电池的电堆中单电池结构：
1-离子交换膜，2-膜侧湍流板，3-导流进料板，4-电极侧湍流板，
5-电极衬板，6-集流板，7-电极；
图7中带有箭头的实线和虚线分别表示阳极电解液和阴极电解液流动方向；
图8充电过程电堆的电流和电压随时间变化曲线；
图9放电过程电堆的电流和电压随时间变化曲线：
符号■代表电压，●代表电流。
具体实施方式
以下把本发明所述的电堆结构详述如下：
1)该氧化还原液流电堆由若干组单电池串联组成，每个单电池由正极半电池和负极半电池组成。其中正极或负极半电池均由以下部件构成：离子交换膜、膜侧湍流板、导流进料板、电极侧湍流板、电极衬板、集流板、电极。
图1所示为阳极电解液流过正极半电池过程。阳极电解液依次流过集流板、电极衬板一端的孔道后进入由膜侧湍流板、导流进料板、电极侧湍流板紧贴在一起构成的长方形分布槽；通过导流暗槽进入正极腔室；导流进料板的伸长堰引导阳极电解液在正极腔室中均匀流动，两侧的湍流板促进电解液和离子交换膜、电解液和电极充分接触，经过折流后流到导流进料板的出口处，再次通过导流暗槽流出正极腔室；依次通过膜侧湍流板、离子交换膜后进入负极半电池。阳极电解液在负极半电池中依次穿过膜侧湍流板、导流进料板、电极侧湍流板、电极衬板、集流板，进入下一个正极半电池。
阴极电解液从负极半电池依次穿过离子交换膜、膜侧湍流板、导流进料板、电极侧湍流板、电极衬板、集流板，此后进入下一个负极半电池。
阴极电解液在负极半电池中的流动方式类似于阳极电解液在正极半电池中的流动过程。
阳极电解液和阴极电解液在阳极半电池中流过同一个电池部件时通过一端的边框实现彼此隔离，避免电解液混合后发生自放电现象；流过负极半电池中的同一个电池部件时同样使用边框完成彼此隔离。
2)所述导流暗孔形成方法为电极侧湍流板(4)上的长方形分布槽和导流进料板(3)上的梳形槽区域上下对齐，下方的膜侧湍流板(2)在该部位为一平板，三者共同构成阳极电解液流入口的导流暗槽。其中导流进料板上的梳形槽，凸出部分宽度为2～5毫米，凹陷部分宽度为2～5毫米。电解液从梳形槽的凹陷部分流入发生电化学反应的正极腔室或负极腔室。导流进料板上连有伸长堰起导流作用；同时在靠近边缘部分开有电解液流过的通道。
导流进料板(3)上的梳形槽区域和膜侧湍流板(2)上的长方形分布槽上下对齐，上方的电极侧湍流板(4)在该部位为一平板，三者共同构成阳极电解液流出口的导流暗槽。
3)所述膜侧湍流板和电极侧湍流板两端加工出供电解液流过的通道，同时起电解液分布槽作用；中间部分连接有同种材料制成的筛网，引导电解液在电极表面均匀流动并促进电解液湍流形成。
4)所述离子交换膜直接和膜侧湍流板接触，膜侧湍流板保护膜表面不受损伤，同时促进电解液湍动。膜侧湍流板、导流进料板、电极侧湍流板、电极衬板均采用同种工程塑料材料，例如，聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙稀、聚四氟乙烯，ABS等，具有适当的支撑刚度和柔韧性，保证彼此间紧密接触密封。膜侧湍流板、导流进料板、电极侧湍流板、电极衬板可以分别制造，也可以彼此组合为一个整体部件。
5)所述电极安装在电极衬板中，由电极侧湍流板的隔网压紧后和集流板紧密接触。电极衬板和电极侧湍流板可以分别制造，也可以连接为一个部件。
6)所述所有部件由夹紧装置压紧密封，阻止电解液泄漏，实现阳极电解液和阴极电解液彼此隔绝。
7)所述结构组成氧化还原液流电堆的半电池，2个半电池组成一个单电池，若干单电池依次串联组成氧化还原液流电池的电堆。
上述发明提供了制造简单、结构可靠的液流电池电堆结构，确保装置运行过程中电解液的对外密封，以及阳极电解液和阴极电解液彼此隔绝，还能保证电解液流过电极和离子交换膜表面时流量分布均匀。利用本发明可以制造大规模电能转化和储存装置，为风能、太阳能等可再生清洁能源发电提供技术和设备支持。
按照图7所示，使用本发明建立氧化还原液流电堆，实现电能转化和储存。分别使用V4+/V5+和V3+/V2+钒离子作为氧化还原液流电池的阳极、阴极活性物质，电堆中的半电池电化学反应如下。
正极反应
E0＝1.00V
负极反应
全钒氧化还原液流电堆由三个单电池串联组成，端板截面积为300×500，阳极电解液和阴极电解液分别为4000ml的0.9mol/L V4++2mol/L H2SO4和4000ml的0.9mol/L V3++2mol/L H2SO4水溶液，在100L/h的电解液循环流速下进行充放电实验，在室温下测定该氧化还原液流电池电堆性能。
采用恒电压充电方式，保持电堆的充电电压为4.2～4.3V，每个单电池上的平均分压为1.42V左右。随着充电过程进行，阳极电解液中的4价钒离子失去电子转变为5价钒离子，阴极电解液中的3价钒离子得到电子转变为2价钒离子，电池的电动势逐渐增加，导致充电电流随时间增加逐渐减小(图8)。
采用恒电阻放电方式，电路上配置10W的恒定负载。随着放电过程进行，阳极电解液中的5价钒离子得到电子被还原为4价钒离子，阴极电解液中的2价钒离子失去电子被氧化为3价钒离子，电池的端电压从3.4V开始逐渐下降，放电电流随时间增加逐渐减小(图9)。
通过上述实施例，证明本发明所提出的液流电池电堆能够完成全钒氧化还原液流电池的完整充放电循环过程，该电堆结构避免了电解液循环过程向外泄漏，同时也不存在电堆内部阳极电解液和阴极电解液彼此交叉泄漏现象。电堆结构简单，制造方便，密封可靠，为发展用于大规模电能转化和储存的化学电源技术奠定基础。
Claims (2)
1.一种氧化还原液流电池储能装置的电堆结构，其特征在于：所述电堆结构由多个单电池串联组成，每个单电池由正极半电池和负极半电池串联组成，其中，每个正极半电池或负极半电池均依次由下述弹性材料所制的部件在上下位置对准后排列构成：离子交换膜(1)、膜侧湍流板(2)、导流进料板(3)、电极侧湍流板(4)、中间的电极框内装有电极(7)的电极衬板(5)以及集流板(6)；在由正极半电池和负极半电池串联组成单电池时，两者中间夹有共用的离子交换膜(1)；各单电池之间、各单电池中正极半电池和负极半电池之间、各正极半电池或负极半电池中所述各构成部件之间均被压紧并紧密接触密封，一直到电解液不泄漏为止；
对于每个正极半电池而言，其中：
集流板(6)，沿水平方向左侧、右侧的上方依次开有阳极电解液和阴极电解液流入孔，但所述两种电解液流动方向相反；
电极衬板(5)，沿水平方向左侧、右侧的上方依次开有阳极电解液和阴极电解液流入孔，但所述两种电解液流动方向相反；
电极侧湍流板(4)，沿水平方向左侧、右侧的上方依次开有阳极电解液和阴极电解液流入孔，但所述两种电解液流动方向相反；在该电极侧湍流板(4)中央有一个筛网；
导流进料板(3)，在水平方向左侧的上方正对着所述集流板(6)、电极衬板(5)，以及电极侧湍流板(4)的阳极电解液流入孔处开有凸凹相间的梳形槽，而在水平方向左侧的下方开有同样的梳形槽，该梳形槽贯通所述导流进料板(3)的厚度方向，阳极电解液在梳形槽的凹陷部分均匀分布并流入中央区域；在所述导流进料板(3)上的水平方向左侧上方的梳形槽和所述导流进料板(3)上的水平方向左侧下方的梳形槽之间设有沿水平方向延伸到导流进料板中央部分的伸长堰，该伸长堰对于从集流板(6)、电极衬板(5)、电极侧湍流板(4)上各流入口流入的阳极电解液在进入该导流进料板(3)上中央部分后起导流作用；在所述导流进料板(3)的水平方向右侧上方开有阴极电解液流入孔，但所述两种电解液流动方向相反；
膜侧湍流板(2)，在水平方向左侧下方正对着所述导流进料板(3)的梳形槽位置开有阳极电解液流入孔；阳极电解液流过导流进料板(3)梳形槽的导流暗孔后，变换方向穿过膜侧湍流板(2)；所述膜侧湍流板(2)中央位置上有一个筛网；在该膜侧湍流板(2)水平方向右侧上方开有阴极电解液流入孔，但所述两种电解液流动方向相反；
离子交换膜(1)，在水平方向左侧下方有一个阳极电解液流入孔，阳极电解液从所述膜侧湍流板(2)的阳极电解液流入孔中进入所述流入孔，并穿过离子交换膜(1)到达负极半电池；在该离子交换膜(1)水平方向右侧上方开有阴极电解液流入孔；但所述两种电解液流动方向相反；
所述阳极电解液、阴极电解液按照所述方式流过阳极半电池时，两种电解液按照所述流动方向对向流动；但是，并不限定为该流动方向，也可以按照相同方向流过所述离子交换膜(1)、膜侧湍流板(2)、导流进料板(3)、电极侧湍流板(4)、中间的电极框内装有电极(7)的电极衬板(5)以及集流板(6)；
当所述正极半电池被压紧并紧密接触密封后，所述相互压紧的膜侧湍流板(2)、导流进料板(3)、电极侧湍流板(4)构成一个正极腔室，保证阳极电解液流过该正极腔室时和电极(7)、离子交换膜(4)充分接触；
所述电极侧湍流板(4)上的电解液流入孔、导流进料板(3)上的水平方向左侧上方的梳形槽以及下方的膜侧湍流板(2)对应位置的平板，对齐后紧密接触，三者共同构成阳极电解液流入的导流暗孔，阳极电解液通过该导流暗孔进入所述正极腔室；所述导流进料板(3)上的水平方向左侧下方的梳形槽、该导流进料板(3)下方的膜侧湍流板(2)的电解液流入孔，以及电极侧湍流板(4)对应位置的平板，对齐后紧密接触，三者共同构成阳极电解液流出的导流暗孔，阳极电解液通过该导流暗孔流出所述正极腔室；
阴极电解液从下往上依次通过离子交换膜(1)、膜侧湍流板(2)、导流进料板(3)、电极侧湍流板(4)、电极衬板(5)以及集流板(6)，所述正极半电池各部件上的阴极电解液流入孔彼此对齐后各部件被压紧，阴极电解液从离子交换膜(1)进入后流过所述各部件，穿过集流板(6)后进入下一个负极半电池；
对于负极半电池而言，在结构上和所述正极半电池相同，而且阴极电解液在负极半电池中的流动方式和阳极电解液在上述正极半电池中的流动方式相同；
所述离子交换膜(1)、膜侧湍流板(2)、导流进料板(3)、电极侧湍流板(4)、电极衬板(5)以及集流板(6)可以分别制造后单独组装，也可以粘合为一个或几个构件后再装配为电堆；
所述阳极电解液和阴极电解液流过半电池中同一个部件时，通过该部件上位于电解液流道周边的边框彼此隔离。
2.根据权利要求1所述的一种氧化还原液流电池储能装置的电堆结构，具体特征在于：在所述正极半电池或负极半电池的各个组成构件上，在所述各板的边缘部分均匀分布着许多作为外力锁紧时使用的螺钉孔。
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