CN203085686U - 一种液流框装置及含有该装置的钒电池 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及钒电池领域，尤其涉及一种用于钒电池的液流框装置，以及含有该液流框装置的钒电池，解决现有液流框存在阻漏性、可靠性和稳定性不高等缺陷，克服现有钒电池可靠性不高的缺陷。采用设置有通道、液口和液孔的液流框，液口包括进液口和出液口，液孔包括进液孔和出液孔，该液流框的两侧平行设置板框：板框Ⅰ和板框Ⅱ，板框Ⅰ和板框Ⅱ上分别设置有液流通道：回转液流通道Ⅰ和回转液流通道Ⅱ，回转液流通道Ⅰ和回转液流通道Ⅱ之间中心对称设置结构，每个回转液流通道为带有弯折且两次以上回转的弓形流道，弓型流道分布在液流框两侧。本实用新型液流框装置具有较好的可靠性、稳定性和较高的效率，钒电池具有可靠性、高效性和稳定性。

Description

一种液流框装置及含有该装置的钒电池

技术领域

本实用新型涉及钒电池领域，尤其涉及一种用于钒电池的液流框装置，以及含有该液流框装置的钒电池。

背景技术

钒电池全称为全钒氧化还原液流电池（Vanadium Redox Battery，缩写为VRB），是一种基于金属钒元素的氧化还原电池储能系统。钒电池电能以化学能的方式存储在不同价态钒离子的硫酸电解液中，通过外接泵把电解液压入电池堆体内，在机械动力作用下，使其在不同的储液罐和半电池的闭合回路中循环流动，采用质子交换膜作为电池组的隔膜，电解质溶液平行流过电极表面并发生电化学反应，通过双电极板收集和传导电流，从而使得储存在溶液中的化学能转换成电能，这个可逆的反应过程使钒电池顺利完成充电、放电和再充电。

如图1所示，从传统钒电池的运行原理示意图看出，钒电池通常包括：离子交换膜11、正极电解液12、负极电解液13、正极板14、负极板15、正极电解液容器16、负极电解液容器17和泵18、19，正极电解液12和负极电解液13之间通过离子交换膜11隔开，正极板14与正极电解液12接触，负极板15与负极电解液13接触，负极电解液13所在的循环回路上设有正极电解液容器16和泵18，正极电解液12所在的循环回路上设有负极电解液容器17和泵19。

当图1所示的钒电池放电时，负载分别与正极板4和负板板5连接，从而使得钒电池向负载供电。在该钒电池内部，阳离子会从负极电解液3中穿过离子交换膜1进入正极电解液2中。而当图1所示的钒电池充电时，将直流电源与正极板4和负极板5连接，使钒电池内部进行与放电过程相反的反应，从而将电能转化为化学能。

通常，液流框上设置有进液口与出液口，以允许电解液流入所述的腔室，并从腔室流出，从而在钒电池的运行过程中使电解液不断地循环。由此可见，液流框的结构对于电解液在钒电池中的流动循环具有重要的影响。

电解质溶液是电池储存能量的载体，而液流框是电池的重要组成部分，是电解液在电池内循环流动的承载装置，起到规范电解液在电池体内流动方式的作用，是钒电池进入实用化阶段的关键技术。

图2为用于钒电池的传统液流框，该液流框包括中空的框体21，该框体一侧具有定位平面22和低于该定位平面22的两条液流通道23，在液流通道23上设置有进液口24和出液口25。在钒电池的运行过程中，电解液由进液口24通过液流通道23进入框体21的中空部分，再通过另一液流通道23由出液口25流出，对于传统的液流框，其阻漏性、可靠性和稳定性不高。因此，造成利用这种液流框的钒电池也存在着可靠性和稳定性不高的缺陷。

实用新型内容

为解决现有技术中液流框存在的阻漏性、可靠性和稳定性不高等缺陷，本实用新型的目的之一在于提供一种液流框装置，对现有技术中的液流框装置进行合理的改进，以提高能量转换的效率，延长钒电池使用寿命。

本实用新型的另一目的在于提供一种可靠性较高的含有所述液流框装置的钒电池，克服现有的钒电池可靠性不高的缺陷。

本实用新型的技术解决方案是：

一种液流框装置，采用设置有通道、液口和液孔的液流框，液口包括进液口和出液口，液孔包括进液孔和出液孔，该液流框的两侧平行设置板框：板框Ⅰ和板框Ⅱ，板框Ⅰ和板框Ⅱ上分别设置有液流通道：回转液流通道Ⅰ和回转液流通道Ⅱ，回转液流通道Ⅰ和回转液流通道Ⅱ之间中心对称设置结构，每个回转液流通道为带有弯折且两次以上回转的弓形流道，弓型流道分布在液流框两侧。

所述的液流框装置，回转液流通道Ⅰ和回转液流通道Ⅱ的截面接近于弓形流道或两个以上弓形流道连接在一起的形状。

所述的液流框装置，板框Ⅰ上设置有第一进液口、第二进液口，板框Ⅰ内设置第一出液孔，回转液流通道Ⅰ设置于第一进液口和第一出液孔之间，作为第一进液口和第一出液孔之间的通道，第一进液口与第一出液孔通过所述通道连接在液流框的一侧。

所述的液流框装置，板框Ⅱ上设置有第一出液口、第二出液口，板框Ⅱ内设置第一进液孔，回转液流通道Ⅱ设置于第一出液口和第一进液孔之间，作为第一出液口和第一进液孔之间的通道，第一出液口与第一进液孔通过所述通道连接在液流框的另一侧。

所述的液流框装置，第一进液口、第一出液口、第二进液口和第二出液口分开设置在液流框的四角，其中，第一进液口和第一出液口在液流框的对角线处对应设置，第二进液口和第二出液口在液流框的对角线处对应设置。

一种含有所述的液流框装置的钒电池，钒电池为两个以上单体电池的串联结构，每个单体电池包括正极组件、负极组件和正负极组件之间的离子交换膜，正极组件和/或负极组件中使用所述的液流框。

所述的含有该装置的钒电池，正极组件包括正极板、泡沫毡Ⅱ和液流框，负极组件包括负极板、泡沫毡Ⅰ和液流框；在离子交换膜的左侧，离子交换膜、液流框、负极板和泡沫毡Ⅰ形成容纳电解液的腔室；在离子交换膜的右侧，离子交换膜、液流框、正极板和泡沫毡Ⅱ形成容纳电解液的腔室。

所述的含有该装置的钒电池，相邻的单体电池之间共用一个极板：正极板或负极板，一个单体电池使用两个液流框，两个液流框呈中心对称且相互对应配合，当采用两个液流框组成钒电池时，通过两液流框之间的密封结合，构成钒电池正负极的进出液流通道。

所述的含有该装置的钒电池，在所述钒电池中，相邻的离子交换膜与液流框之间以及相邻的液流框之间安装有密封垫。

所述的含有该装置的钒电池，液流框中，第一进液口、第一出液口、第二进液口和第二出液口分开设置在液流框的四角，其中，第一进液口和第一出液口在液流框的对角线处对应设置，第二进液口和第二出液口在液流框的对角线处对应设置；第一进液口与第一出液口32和液流框内部的通道，构成钒电池正极电解液的进出液口；第二进液口与第二出液口和液流框内部的通道，构成钒电池负极电解液的进出液口；钒电池还包括电解液容器和泵，所述的电解液容器通过泵与所述液流框的进液口和出液口连通。

本实用新型的优点和有益效果是：

1、本实用新型液流框装置上设置带有弯折且多次迂回的液流道，并且该液流管道为中心对称，其截面类似弓形，其设计合理，结构新颖。

2、本实用新型中曲折回转流道设有多个转弯，延长了电解液在液流框中流动的距离，增大了电池自放电的有效电阻，减缓了自放电的速度，避免了电池出现局部电压过高的情况，提高每个电池单体的稳定性；并且在电池静置时，必然使流动在弓形流道内的电解液在液流道转弯处出现断裂，使单体电池中的电解液与其它单体电池及储存液流装置中的电解液隔绝，避免了电池在由电解液连通时出现的自放电现象，在充完电时，大量的电能就会储存在电堆自身当中，提高了钒电池的能量转换效率和综合性能，延长了钒电池的使用寿命。

3、由于本实用新型所提供的液流框装置，具有较好的可靠性、稳定性和较高的效率。因而，本实用新型所提供的钒电池具有可靠性、高效性和稳定性。

附图说明

图1为传统钒电池原理图。

图2为传统液流框结构图。

图3为本实用新型所提供的液流框装置示意图。

图4为本实用新型所提供的钒电池的截面示意图。

图5为本实用新型的钒电池中电极双极板的示意图。

图中：

11、离子交换膜；12、正极电解液；13、负极电解液；14、正极板；15、负极板；16、正极电解液容器；17、负极电解液容器；18、泵；19、泵；

21框体；22定位平面；23液流通道；24进液口；25出液口；

31第一进液口；32第一出液口；33第二进液口；34第二出液口；35第一出液孔；36第一进液孔；37回转液流通道Ⅰ；38回转液流通道Ⅱ；39液流框；391板框Ⅰ；392板框Ⅱ。

41双极板；42密封垫；43泡沫毡Ⅰ；44泡沫毡Ⅱ。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的实施进行进一步说明。

如图3所示，本实用新型液流框装置采用设置有通道、液口和液孔的液流框，液口包括进液口和出液口，液孔包括进液孔和出液孔，主要包括：第一进液口31、第一出液口32、第二进液口33、第二出液口34、第一出液孔35、第一进液孔36、回转液流通道Ⅰ37、回转液流通道Ⅱ38、液流框39等，具体结构如下：

该液流框39的两侧平行设置板框（板框Ⅰ391和板框Ⅱ392），板框Ⅰ391和板框Ⅱ392上分别设置有液流通道（回转液流通道Ⅰ37和回转液流通道Ⅱ38），回转液流通道Ⅰ37和回转液流通道Ⅱ38之间中心对称设置结构，每个回转液流通道为带有弯折且两次以上回转的弓形流道，弓型流道分布在液流框两侧。

板框Ⅰ391上设置有第一进液口31、第二进液口33，板框Ⅰ391内设置第一出液孔35，回转液流通道Ⅰ37设置于第一进液口31和第一出液孔35之间，作为第一进液口31和第一出液孔35之间的通道，第一进液口31与第一出液孔35通过所述通道连接在液流框39的一侧；

板框Ⅱ392上设置有第一出液口32、第二出液口34，板框Ⅱ392内设置第一进液孔36，回转液流通道Ⅱ38设置于第一出液口32和第一进液孔36之间，作为第一出液口32和第一进液孔36之间的通道，第一出液口32与第一进液孔36通过所述通道连接在液流框39的另一侧；

第一进液口31、第一出液口32、第二进液口33和第二出液口34分开设置在液流框39的四角，其中，第一进液口31和第一出液口32在液流框39的对角线处对应设置，第二进液口33和第二出液口34在液流框39的对角线处对应设置。当两个液流框39组成一个单体电池时，将分别用于正极电解液循环和负极电解液循环，液流框作为正极电解液流经的液流框，负极电解液循环同理。

如图3-图4所示，钒电池可以为两个以上单体电池的串联结构，每个单体电池包括正极组件、负极组件和正负极组件之间的离子交换膜，正极组件包括正极板14、泡沫毡Ⅱ44和液流框39，负极组件包括负极板15、泡沫毡Ⅰ43和液流框39；在离子交换膜11的左侧，离子交换膜11、液流框39、负极板15和泡沫毡Ⅰ43形成容纳电解液的腔室；在离子交换膜11的右侧，离子交换膜11、液流框39、正极板14和泡沫毡Ⅱ44形成容纳电解液的腔室；离子交换膜11、泡沫毡Ⅰ43和泡沫毡Ⅱ44与电解液直接接触，以允许电化学反应的进行。

相邻的单体电池之间共用一个极板（正极板14或负极板15），一个单体电池使用两个液流框39，两个液流框39呈中心对称且相互对应配合，当采用两个液流框组成钒电池时，通过两液流框之间的密封结合，构成钒电池正负极的进出液流通道。在所述电池组中，相邻的离子交换膜11与液流框39之间以及相邻的液流框39之间安装有密封垫42，起到密封作用。

其中，正极组件和/或负极组件中所述的液流框为本实用新型所提供的上述液流框。液流框中，第一进液口31与第一出液口32连通液流框39内部的通道，构成钒电池正极电解液12的进出液口。第二进液口33与第二出液口34连通液流框39内部的通道，构成钒电池负极电解液13的进出液口。

如图4-图5所示，共用的正极板14两侧设置泡沫毡Ⅱ44，形成电极双极板41，便于钒电池的装配，可以提高装配的生产效率。泡沫毡Ⅱ44为多孔的泡沫结构，具有较大的表面积，能够与渗透到毡膜中的电解液充分反应。

本实用新型中，钒电池还包括电解液容器和泵，所述的电解液容器通过泵与所述液流框的进液口和出液口连通。

本实用新型中液流框的工作过程是：

电解液从第一进液口31进入液流框39，在液流框39内部通过弓形流道，按箭头方向流动到达第一进液孔36，再通过第一进液孔36进入电堆（电池组）内部，在电堆内部进行电极反应后，再通过第一进液孔36重新进入液流框39，通过弓形流道按箭头方向流动到达第一出液口32，然后通过第一出液口32到达储液罐，驱动机械为外部泵。液流框39至少采用两条弓形流道：回转液流通道Ⅰ37与回转液流通道Ⅱ38，回转液流通道Ⅰ37与回转液流通道Ⅱ38结构完全相同并且相互对称，呈中心对称设置。液流框39的具体结构增加电解液在液流框内部的流动路径，增大了电解液形成漏电支路电阻，漏电电流引起电极腐蚀的速度，延长了电池的使用寿命，提高了电池利用效率。

液流框作为电堆的组成部分，与电极配合。每个电池单体使用两个液流框，液流框的四个液口分别发挥作用，电解液从第一进液口经过弓型流道设计使得增加的流动阻力最小，能很好地保证电池运行效率，并且防止流动死区的出现，从而能提高钒电池的综合性能，保证了钒电池运行的稳定性和效率。

由以上对实施方式的描述可知，本实用新型所提供的液流框具有较高的稳定性、可靠性和高效性，同时相应地，包括该液流框的钒电池孔具有较高的稳定性、可靠性和高效性。

Claims (10)

1.一种液流框装置，采用设置有通道、液口和液孔的液流框，液口包括进液口和出液口，液孔包括进液孔和出液孔，其特征在于：该液流框的两侧平行设置板框：板框Ⅰ和板框Ⅱ，板框Ⅰ和板框Ⅱ上分别设置有液流通道：回转液流通道Ⅰ和回转液流通道Ⅱ，回转液流通道Ⅰ和回转液流通道Ⅱ之间中心对称设置结构，每个回转液流通道为带有弯折且两次以上回转的弓形流道，弓型流道分布在液流框两侧。

2.按照权利要求1所述的液流框装置，其特征在于：回转液流通道Ⅰ和回转液流通道Ⅱ的截面接近于弓形流道或两个以上弓形流道连接在一起的形状。

3.按照权利要求1所述的液流框装置，其特征在于：板框Ⅰ上设置有第一进液口、第二进液口，板框Ⅰ内设置第一出液孔，回转液流通道Ⅰ设置于第一进液口和第一出液孔之间，作为第一进液口和第一出液孔之间的通道，第一进液口与第一出液孔通过所述通道连接在液流框的一侧。

4.按照权利要求1所述的液流框装置，其特征在于：板框Ⅱ上设置有第一出液口、第二出液口，板框Ⅱ内设置第一进液孔，回转液流通道Ⅱ设置于第一出液口和第一进液孔之间，作为第一出液口和第一进液孔之间的通道，第一出液口与第一进液孔通过所述通道连接在液流框的另一侧。

5.按照权利要求3或4所述的液流框装置，其特征在于：第一进液口、第一出液口、第二进液口和第二出液口分开设置在液流框的四角，其中，第一进液口和第一出液口在液流框的对角线处对应设置，第二进液口和第二出液口在液流框的对角线处对应设置。

6.一种含有权利要求1所述的液流框装置的钒电池，其特征在于：钒电池为两个以上单体电池的串联结构，每个单体电池包括正极组件、负极组件和正负极组件之间的离子交换膜，正极组件和/或负极组件中使用所述的液流框。

7.按照权利要求6所述的含有该装置的钒电池，其特征在于：正极组件包括正极板、泡沫毡Ⅱ和液流框，负极组件包括负极板、泡沫毡Ⅰ和液流框；在离子交换膜的左侧，离子交换膜、液流框、负极板和泡沫毡Ⅰ形成容纳电解液的腔室；在离子交换膜的右侧，离子交换膜、液流框、正极板和泡沫毡Ⅱ形成容纳电解液的腔室。

8.按照权利要求6所述的含有该装置的钒电池，其特征在于：相邻的单体电池之间共用一个极板：正极板或负极板，一个单体电池使用两个液流框，两个液流框呈中心对称且相互对应配合，当采用两个液流框组成钒电池时，通过两液流框之间的密封结合，构成钒电池正负极的进出液流通道。

9.按照权利要求6所述的含有该装置的钒电池，其特征在于：在所述钒电池中，相邻的离子交换膜与液流框之间以及相邻的液流框之间安装有密封垫。

10.按照权利要求6所述的含有该装置的钒电池，其特征在于：液流框中，第一进液口、第一出液口、第二进液口和第二出液口分开设置在液流框的四角，其中，第一进液口和第一出液口在液流框的对角线处对应设置，第二进液口和第二出液口在液流框的对角线处对应设置；第一进液口与第一出液口32和液流框内部的通道，构成钒电池正极电解液的进出液口；第二进液口与第二出液口和液流框内部的通道，构成钒电池负极电解液的进出液口；钒电池还包括电解液容器和泵，所述的电解液容器通过泵与所述液流框的进液口和出液口连通。

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