CN216488182U

CN216488182U - 一种液流电池电堆结构

Info

Publication number: CN216488182U
Application number: CN202123065356.8U
Authority: CN
Inventors: 邢枫; 李先锋
Original assignee: Dalian Institute of Chemical Physics of CAS
Current assignee: Dalian Institute of Chemical Physics of CAS
Priority date: 2021-12-08
Filing date: 2021-12-08
Publication date: 2022-05-10
Anticipated expiration: 2031-12-08

Abstract

本实用新型提供一种液流电池电堆结构。该结构通过在单堆内增加公用管路的数量，且相邻单电池的正极或负极不连通同一条正极或负极电解液公用管路，增加了电堆中并联供液的单电池之间的公用管路长度，所增加的公用管路电阻降低了漏电损耗，提高了电堆效率。可根据电堆中电池节数灵活设计公用管路的电阻以达到调控漏电电流的目的。另外所增加的电解液公用管路，实际增大了公用管路的有效流通截面积，降低了管路流阻，提高了电解液流量，可降低电堆的浓差极化。

Description

一种液流电池电堆结构

技术领域

本实用新型涉及一种液流电池电堆结构，特别涉及电解液在电堆中的流动方式以及电堆构成。

背景技术

随着环境污染日益加剧，各国逐渐重视环境污染对人类社会带来的巨大影响。可再生能源的大规模利用成为能源结构调整的重中之重。但是可再生能源有着不连续、不稳定、不可控的缺点，贸然大规模并网必然会对电网造成冲击，严重情况下甚至促使电网崩溃。因此，需要一种可靠性高、安全性高的装置来提高可再生能源的电能质量，实实在在的提高可再生能源的利用率，减少弃风弃光的普遍现象。由此，储能技术应运而生。常见的抽水储能、飞轮储能以及铅蓄电池和锂电池储能技术都得到了相继的发展。但都收到了地理条件、安全性等影响很难大规模普及和采用。液流电池以其效率高、可深充深放、功率和容量可以独立设计、寿命长、本征安全、生命周期内性价比高的优点逐渐成为大规模长时储能的首选技术，并在最近二十多年间取得了长足的进步。

液流电池系统主要有电池、电解液储罐、电解液以及管路系统构成。其中电池是液流电池系统中最关键的部件，决定了系统的性能和可靠性，是发生化学反应的关键场所。高性能电堆要求具有高功率密度同时保持较高的能量效率，需要提高电堆的库仑效率和电压效率。其中电压效率主要受到电池极化的影响；库仑效率受到电堆内部正负极电解液通过密封或者离子膜相互接触导致放电，造成放电电量下降。另外库仑效率还受到电堆漏电电流的影响，而漏电电流主要由电池节数、电流大小以及电堆内电解液供应主管路和电极框内的电解液分配管路的电阻来决定。对于大功率的液流电池电堆，因电流较高、电池节数达到及时甚至上百节，管路电阻由于电极厚度的减薄而减小等因素，对电堆的库仑效率影响更大。如若控制不当，可明显降低电堆的库仑效率，严重情况下可造成电解液过热，损坏电堆和电解液管路。

实用新型内容

为了控制电堆的漏电电流对电堆性能和可靠性的影响，本实用新型提供一种液流电池电堆结构。该电堆包括左右二个端板，以及位于二个端板间的从左至右依次通过双极板间隔的单电池，上述单电池包括从左至右依次层叠的位于正极电极框中部通孔内的正极电极、离子传导膜、位于负极电极框中部通孔内的负极电极。

由双极板间隔的单电池的个数为M个，M是大于等于4的整数。

在左侧端板和双极板上的对应位置处均分别开设有N个作为正极电解液入口的通孔、N个作为正极电解液出口的通孔、N个作为负极电解液入口的通孔、N个作为负极电解液出口的通孔，左侧端板和双极板上的正极电解液入口、正极电解液出口、负极电解液入口和负极电解液出口数量均相同；M为偶数，N为2～M/2，M为奇数，N为2～(M+1)/2。

从左至右左侧端板和双极板上相对应位置处的一个正极电解液入口依次串联，共形成N个正极电解液入口通道；从左至右左侧端板和双极板上相对应位置处的一个正极电解液出口依次串联，共形成N个正极电解液出口通道；从左至右左侧端板和双极板上相对应位置处的一个负极电解液入口依次串联，共形成N个负极电解液入口通道；从左至右左侧端板和双极板上相对应位置处的一个负极电解液出口依次串联，共形成N个负极电解液出口通道。

从左至右第1至M节单电池中的正极一端与N个正极电解液入口通道的一个通道相连通，另一端与N个正极电解液出口通道的一个通道相连通；且相邻单电池正极分别与N个正极电解液入口通道的不同通道相连通，相邻单电池正极分别与N个正极电解液出口通道的不同通道相连通；且一条正极电解液入口通道连接的单电池的另一端连接在一条正极电解液出口通道上。

从左至右第1至M节单电池中的负极一端与N个负极电解液入口通道的一个通道相连通，另一端与N个负极电解液出口通道的一个通道相连通；且相邻单电池负极分别与N个负极电解液入口通道的不同通道相连通，相邻单电池负极分别与N个负极电解液出口通道的不同通道相连通；且一条负极电解液入口通道连接的单电池的另一端连接在一条负极电解液出口通道上。

相似的一种液流电池电堆结构，包括左右二个端板，以及位于二个端板间的从左至右依次通过双极板间隔的单电池，

所述单电池包括从左至右依次层叠的位于正极电极框中部通孔内的正极电极、离子传导膜、位于负极电极框中部通孔内的负极电极；

由双极板间隔的单电池的个数为M*N个；

在左侧端板和双极板上的对应位置处均分别开设有N个作为正极电解液入口的通孔、N个作为正极电解液出口的通孔、N个作为负极电解液入口的通孔、N个作为负极电解液出口的通孔，左侧端板和双极板上的正极电解液入口、正极电解液出口、负极电解液入口和负极电解液出口数量均相同。

从左至右第K节单电池及第N+K节单电池中的正极一端与N个正极电解液入口通道的第K个通道相连通，另一端与N个正极电解液出口通道的第K个通道相连通；从左至右第K节单电池及第N+K节单电池中的负极一端与N个负极电解液入口通道的第K个通道相连通，另一端与N个负极电解液出口通道的第K个通道相连通；K代表从1至N的整数。

上述的电堆结构中，N个正极电解液入口通道、N个正极电解液出口通道分别与电堆外部的正极电解液储罐相连；N个负极电解液入口通道、N个负极电解液出口通道分别与电堆外部的负极电解液储罐相连。

上述的电堆结构中，M为大于等于5的整数；N为大于等于3的整数。

本实用新型具有如下优点：

1、本实用新型提出的电堆结构，增加了原本只有一个的电解液公用管路的数量，相邻单电池的正极或负极不连通同一条电解液公用管路，增加了电解液公用管路的电阻，减小了漏电电流。并且可根据电堆中电池节数灵活设计公用管路的电阻以达到调控漏电电流的目的；

2、本实用新型提出的电堆结构，所增多的电解液公用管路数量，实际增大了公用管路的有效流通截面积，降低了管路流阻，提高了电解液流量，可降低电堆的浓差极化。

附图说明

图1为常规的液流电池的电堆结构，由左至右依次为；

其中1.左侧端板；2.双极板；3.正极电极；4.正极电极框；5.离子传导膜；6.负极电极；7.负极电极框；8.右侧端板；

图2为本实用新型提出的电堆结构：

其中，9.开设有三个正极电解液入口、三个正极电解液、三个负极电解液入口和三个负极电解液出口的左侧端板；10.设置有与19上电解液入口与出口位置相对应的6个电解液通孔的双极板；11.与第一条正极电解液入口通道和第一条正极电解液出口通道连通的的正极电极框；12.设置有与19上电解液入口与出口位置相对应的6个电解液通孔的离子膜；13.与第一条负极电解液入口通道和第一条负极电解液出口通道连通的负极电极框；14.与第二条正极电解液入口通道和第二条正极电解液出口通道连通的正极电极框；15.与第二条负极电解液入口通道和第二条负极电解液出口通道连通的负极电极框；16.与第三条正极电解液入口通道和第三条正极电解液出口通道连通的正极电极框；17.与第三条负极电解液入口通道和第三条负极电解液出口通道连通的负极电极框。

具体实施方式

对比例：

一种常规的液流电池电堆结构如图1所示。该电堆包括左侧端板1和右侧端板8，以及位于二个端板间的从左至右依次通过双极板2间隔的单电池，上述单电池包括从左至右依次层叠的位于正极电极框4中部通孔内的正极电极3、离子传导膜5、位于负极电极框7中部通孔内的负极电极6。在双极板2、正极电极框4、离子传导膜5、负极电极框7上分别设置有与左侧端板1上的正极电解液入口、正极电解液出口、负极电解液入口和负极电解液出口12相对应的通孔。上述相对应的正极电解液入口通孔之间连接成为一条一端封闭、一端开放的正极电解液入口通道，该通道与电池系统中的电解液正极储罐连通；上述相对应的正极电解液出口通孔之间连接成为一条一端封闭、一端开放的正极电解液出口通道，该通道与电池系统中的电解液正极储罐连通；上述相对应的负极电解液入口通孔之间连接成为一条一端封闭、一端开放的负极电解液入口通道，该通道与电池系统中的电解液负极储罐连通；上述相对应的负极电解液出口通孔之间连接成为一条一端封闭、一端开放的负极电解液出口通道，该通道与电池系统中的电解液负极极储罐连通。正极电极框4上的作为正极电解液入口的通孔与正极电极3之间通过分配管路连通；正极电极框4上的作为正极电解液出口的通孔与正极电极3之间通过分配管路连通；负极电极框7上的作为负极电解液入口的通孔与负极电极6之间通过分配管路连通；负极电极框7作为负极电解液出口的通孔与负极电极6之间通过分配管路连通。

正极电解液由电堆的左侧端板1上的正极电解液入口通孔流入正极电解液入口通道中，流入各个单电池中的正极电极框4中的正极电极3中发生反应，再经由正极电解液出口通道流出左侧端板1上的正极电解液出口通孔。负极电解液由电堆的左侧端板1上的负极电解液入口通孔流入负极电解液入口通道中，流入各个单电池中的负极电极框7中的负极电极6中发生反应，再经由负极电解液出口通道流出左侧端板1上的负极电解液出口通孔。

采用该结构的电堆，当单电池节数达到20节以上，正极电极框4和负极电极框7很薄的情况下，电堆内部的的正极电解液入口通道、正极电解液出口通道、负极电解液入口通道和负极电解液出口通道的长度均会减小，相应的电阻就会减小，漏电电流增大，使得电堆的库仑效率降低。本对比例中，常规液流电池电堆的单电池的节数为60节，经过测试在15kW恒功率充放电测试下的库仑效率为94.1％、电压效率为83.2％、能量效率为78.3％，流量为3.7m³/h。库仑效率较低说明电堆漏电情况比较严重，流量较低说明电堆的流动阻力较大。

实施例

本实用新型提出的一种液流电池电堆结构如图2所示。该电堆包括依次层叠的左侧端板9、和右侧端板8，以及两端板之间的从左至右依次通过双极板10间隔的单电池。单电池包括从左至右依次层叠的位于正极电极框中部通孔内的正极电极3、离子传导膜12、位于负极电极框中部通孔内的负极电极6。

该电堆由双极板间隔的单电池的个数为20*3＝60个(M＝20、N＝3)；

在左侧端板9和双极板10上的对应位置处均分别开设有3个作为正极电解液入口的通孔、3个作为正极电解液出口的通孔、3个作为负极电解液入口的通孔、3个作为负极电解液出口的通孔。

从左至右左侧端板9和双极板10上相对应位置处的一个正极电解液入口依次串联，共形成3个正极电解液入口通道.。由电极框长度方向外向内依次为第一条正极电解液入口通道、第二条正极电解液入口通道和第三条正极电解液入口通道；从左至右左侧端板9和双极板10上相对应位置处的一个正极电解液出口依次串联，共形成3个正极电解液出口通道.由电极框长度方向外向内依次为第一条正极电解液出口通道、第二条正极电解液出口通道和第三条正极电解液出口通道；从左至右左侧端板9和双极板10上相对应位置处的一个负极电解液入口依次串联，共形成3个负极电解液入口通道.由电极框长度方向外向内依次为第一条负极电解液入口通道、第二条负极电解液入口通道和第三条负极电解液入口通道；从左至右左侧端板9和双极板10上相对应位置处的一个负极电解液出口依次串联，共形成3个负极电解液出口通道。由电极框长度方向外向内依次为第一条负极电解液出口通道、第二条负极电解液出口通道和第三条负极电解液出口通道。

从左至右第1节单电池、第4节单电池、第7节单电池┉第58节单电池，合计20个单电池中的正极一端与3条正极电解液入口通道的第一条通道相连通，另一端与3条正极电解液出口通道的第一条通道相连通；从左至右第1节单电池、第4节单电池、第7节单电池┉第58节单电池，合计20个单电池中的负极一端与3条负极电解液入口通道的第一条通道相连通，另一端与3条负极电解液出口通道的第一条通道相连通。

从左至右第2节单电池、第5节单电池、第8节单电池┉第59节单电池，合计20个单电池中的正极一端与3条正极电解液入口通道的第二条通道相连通，另一端与3条正极电解液出口通道的第二条通道相连通；从左至右第2节单电池、第5节单电池、第8节单电池┉第59节单电池，合计20个单电池中的负极一端与3条负极电解液入口通道的第二条通道相连通，另一端与3条负极电解液出口通道的第二条通道相连通。

从左至右第3节单电池、第6节单电池、第9节单电池┉第60节单电池，合计20个单电池中的正极一端与3条正极电解液入口通道的第三条通道相连通，另一端与3条正极电解液出口通道的第三条通道相连通；从左至右第3节单电池、第6节单电池、第9节单电池┉第60节单电池，合计20个单电池中的负极一端与3条负极电解液入口通道的第三条通道相连通，另一端与3条负极电解液出口通道的第三条通道相连通。

该电堆中的3个正极电解液入口通道、3个正极电解液出口通道分别与电堆外部的正极电解液储罐相连；3个负极电解液入口通道、3个负极电解液出口通道分别与电堆外部的负极电解液储罐相连。

正极电解液由磁力泵从正极电解液储罐中抽出并泵入左侧端板9的3条正极电解液入口通道分别流入各自连通的20节单电池的正极电极框中的正极中发生反应，再经由3条正极电解液出口通道流出电堆，流入正极电池储罐中。

负极电解液由磁力泵从负极电解液储罐中抽出并泵入左侧端板9的3条负极电解液入口通道分别流入各自连通的20节单电池的负极电极框中的负极电极中发生反应，再经由3条负极电解液出口通道流出电堆，流入负极电池储罐中。

采用该电堆结构的电堆在与图1中电堆相同材料的条件下，单电池节数均为60节。经过测试在15kW恒功率充放电测试下的库仑效率为98.6％、电压效率为84.7％、能量效率为83.5％，流量为5.2m³/h。库仑效率明显升高，说明电堆结构较好的减小了漏电电流，提升电堆性能。同时在相同的电堆压力下，采用本实用新型提出的电堆结构的电堆流量更高，说明电堆流阻更小，电解液供应充分，浓差极化更小。

Claims

1.一种液流电池电堆结构，其特征在于：该电堆包括左右二个端板，以及位于二个端板间的从左至右依次通过双极板间隔的单电池，

由双极板间隔的单电池的个数为M个，M是大于等于4的整数；

于左侧端板和双极板上的对应位置处均分别开设有N个作为正极电解液入口的通孔、N个作为正极电解液出口的通孔、N个作为负极电解液入口的通孔、N个作为负极电解液出口的通孔，左侧端板和双极板上的正极电解液入口、正极电解液出口、负极电解液入口和负极电解液出口数量均相同；M为偶数，N为2～M/2，M为奇数，N为2～(M+1)/2；

从左至右左侧端板和双极板上相对应位置处的一个正极电解液入口依次串联，共形成N个正极电解液入口通道；从左至右左侧端板和双极板上相对应位置处的一个正极电解液出口依次串联，共形成N个正极电解液出口通道；从左至右左侧端板和双极板上相对应位置处的一个负极电解液入口依次串联，共形成N个负极电解液入口通道；从左至右左侧端板和双极板上相对应位置处的一个负极电解液出口依次串联，共形成N个负极电解液出口通道；

从左至右第1至M节单电池中的正极一端与N个正极电解液入口通道的一个通道相连通，另一端与N个正极电解液出口通道的一个通道相连通；且相邻单电池正极分别与N个正极电解液入口通道的不同通道相连通，相邻单电池正极分别与N个正极电解液出口通道的不同通道相连通；且一条正极电解液入口通道连接的单电池的另一端连接在一条正极电解液出口通道上；

2.一种液流电池电堆结构，其特征在于：

该电堆包括左右二个端板，以及位于二个端板间的从左至右依次通过双极板间隔的单电池，

由双极板间隔的单电池的个数为M*N个；

于左侧端板和双极板上的对应位置处均分别开设有N个作为正极电解液入口的通孔、N个作为正极电解液出口的通孔、N个作为负极电解液入口的通孔、N个作为负极电解液出口的通孔，左侧端板和双极板上的正极电解液入口、正极电解液出口、负极电解液入口和负极电解液出口数量均相同；

3.按照权利要求2所述电堆结构，其特征在于：

N个正极电解液入口通道、N个正极电解液出口通道分别与电堆外部的正极电解液储罐相连；

N个负极电解液入口通道、N个负极电解液出口通道分别与电堆外部的负极电解液储罐相连。

4.按照权利要求2所述电堆结构，其特征在于：

M为大于等于5的整数；N为大于等于3的整数。