專利名稱：一種液流電池電堆的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及到一種液流電池電堆，用于解決電化學(xué)工程與工業(yè)中電解、電沉 積和液流電池系統(tǒng)中由于單體之間的電位差引起的內(nèi)部自放電以及容易出現(xiàn)的壓力密封 不均勻?qū)е碌碾娊庖盒孤┑葐栴}，可廣泛應(yīng)用于電化學(xué)工程與工業(yè)裝置領(lǐng)域中。
背景技術(shù)：
一次性能源大量消耗導(dǎo)致世界能源緊張和環(huán)境惡化。節(jié)省能源、減少環(huán)境污染、保 持社會的可持續(xù)發(fā)展，是當(dāng)今全球性的重要課題。開發(fā)風(fēng)能、太陽能、潮汐能和生物質(zhì)能等 可再生能源是解決能源問題和環(huán)境問題的關(guān)鍵。我國具有豐富的可再生能源資源，加快發(fā) 展風(fēng)能、太陽能、生物質(zhì)能等可再生能源的利用已刻不容緩。制定并正在實(shí)施可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn) 略，加強(qiáng)可再生能源的規(guī)模開發(fā)利用。但無論是風(fēng)能還是太陽能等可再生能源發(fā)電時(shí)，都存 在功率、電壓和頻率的強(qiáng)烈波動，難以穩(wěn)定供電。試驗(yàn)表明，將儲能系統(tǒng)和風(fēng)能、太陽能等發(fā) 電系統(tǒng)配合可以大大減輕總輸出的波動性，因此為實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定供電必須開發(fā)高效的規(guī)模儲能 技術(shù)。我國建立分布式供電體系以解決邊遠(yuǎn)地區(qū)供電，也需要規(guī)模儲能單元作為分布式供 電體系的“電能銀行”，是必須有效解決的關(guān)鍵技術(shù)之一。液流電池設(shè)計(jì)靈活、全壽命成本最 低，是現(xiàn)今最適合規(guī)模儲能的化學(xué)電池，因此競爭力很強(qiáng)，應(yīng)用前景非常廣闊，是可再生能 源利用的必備技術(shù)之一。液流電池不同于傳統(tǒng)二次電池，其正、負(fù)極活性物質(zhì)主要存在于電解液中，正、負(fù) 極的電解液儲存在電池外各自獨(dú)立的儲液罐內(nèi)，通過送液泵流過液流電池，電池內(nèi)的正、負(fù) 極電解液由離子交換膜隔開。在電池充、放電過程中，電解液中的活性物質(zhì)離子在惰性電極 表面發(fā)生價(jià)態(tài)的變化。此等期間，膜兩側(cè)溶液的電荷為了達(dá)到平衡，必定有一種離子(如H+) 同步地由一極溶液通過離子交換膜向另一極溶液遷移。另外一種液流電池體系是沉積型液 流電池，電池的一個或兩個電極的活性材料以電化學(xué)沉積/溶解過程儲能?，F(xiàn)有液流電池都采用內(nèi)部串聯(lián)的電堆結(jié)構(gòu)，如美國專利(US2004/0202915A1)和 大連融科儲能技術(shù)發(fā)展有限公司申請的專利O00810011M2. 3)，正負(fù)電極的電解液分別并 行流過每一個電池單體，單一個電堆內(nèi)部的單體之間通過雙極板將單體以正極連接負(fù)極的 方式聯(lián)成電堆。這種連接組堆方式容易做到單個電堆的電壓符合使用要求。由于電池串聯(lián) 聯(lián)接，在電池的充放電過程中一部分電流會通過電解液總管和支路，這就是旁路電流，導(dǎo)致 自放電和能量效率降低。這部分電流還可能會在各電極上產(chǎn)生復(fù)雜的、非預(yù)期的電化學(xué)反 應(yīng)。由此帶來自放電大、組裝需要精確定位和密封困難等問題。在許多情況下，由于存在旁路電流，單體串聯(lián)的電堆系統(tǒng)不得不采用長窄通道或 者形成曲折通道等方式減弱旁路電流，并不能完全將其消除。在電解液總管通入保護(hù)電流 消除旁路電流的方法需要外接電源自動調(diào)節(jié)，不僅系統(tǒng)復(fù)雜，而且需要額外消耗電能。電解和電鍍工業(yè)中也常常使用電解液串流和并流的電化學(xué)反應(yīng)器(如箱式、柱塞 流式和板框壓濾機(jī)式電化學(xué)反應(yīng)器等)，單體之間采用雙極板結(jié)構(gòu)達(dá)到需要的電壓時(shí)多數(shù) 情況下也存在旁路電流。[0007]不管是液流電池中還是電解和電鍍工業(yè)中，通過設(shè)計(jì)特別的電堆結(jié)構(gòu)消除甚至避 免旁路電流?；谝陨系目紤]，我們提出了一種內(nèi)部并聯(lián)的液流電池電堆結(jié)構(gòu)，用于解決電 化學(xué)工程與工業(yè)中電解、電沉積和液流電池系統(tǒng)中由于單體之間的電位差引起的內(nèi)部自放 電以及容易出現(xiàn)的壓力密封不均勻?qū)е碌碾娊庖盒孤┑葐栴}。
發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型的目的是為了克服現(xiàn)有液流電池電堆結(jié)構(gòu)采用的雙極板串聯(lián)單體之 間的電位差引起的內(nèi)部自放電以及容易出現(xiàn)的壓力密封不均勻?qū)е碌碾娊庖盒孤┑葐栴}， 具有結(jié)構(gòu)簡單、維護(hù)方便和易于控制等優(yōu)點(diǎn)。本實(shí)用新型的目的是通過下述方式實(shí)現(xiàn)的一種液流電池電堆，由正極2、流道4和負(fù)極3構(gòu)成電池單體1，將電池單體1按照 正極2接正極2、負(fù)極3接負(fù)極3的方式連接起來，正極2引線連成組引出正極端子6，負(fù)極 3引線連成組引出負(fù)極端子5，將兩個以上電池單體1組合后放入外殼7中成液流電池電堆 11，將電解液輸送管線10和流道4、輸液泵9及電解液儲罐8連接，注入電解液，組成內(nèi)部并 聯(lián)的液流電池電堆系統(tǒng)。該內(nèi)部并聯(lián)的液流電池電堆的電解液在液流電池電堆11中是通過流道4并行流 動的，易于保證電解液在電堆內(nèi)部分布均勻、流速一致。該內(nèi)部并聯(lián)的液流電池電堆結(jié)構(gòu)中，外殼7可以加壓固定兩個以上電池單體1成 液流電池電堆11，易于保證電極之間的電連接，也容易做到電解液在電堆內(nèi)流動時(shí)在限定 的部位流過而不會泄露。該內(nèi)部并聯(lián)的液流電池電堆結(jié)構(gòu)中，外殼7可以是密封的，引出正極端子6和負(fù)極 端子5的部位是密閉的，電解液只能由流道4流入和流出電堆11。該內(nèi)部并聯(lián)的液流電池電堆結(jié)構(gòu)中，其一個電池單體1可以只有一個流道4，即一 個電池單體1只有一個電解液室。這種情況下，該液流電池電堆僅需要一個電解液儲罐8， 即是單液流電池電堆。該內(nèi)部并聯(lián)的液流電池電堆結(jié)構(gòu)中，其一個電池單體1可以有兩個用離子交換膜 12分隔的流道4，即一個電池單體1可以有兩個電解液室，一個流過正極電解液，另一個流 過負(fù)極電解液。這種情況下，流過液流電池電堆11中的正極電解液和負(fù)極電解液不能混 合，必需有兩個電解液儲罐分別儲存正極電解液和負(fù)極電解液。本實(shí)用新型通過內(nèi)部并聯(lián)的液流電池電堆結(jié)構(gòu)的特別設(shè)計(jì)可減輕甚至消除由于 單體之間的電位差引起的內(nèi)部自放電問題，易于解決串聯(lián)單體結(jié)構(gòu)中的壓力密封不均勻?qū)?致的電解液泄漏等問題。內(nèi)部并聯(lián)的液流電池電堆結(jié)構(gòu)可規(guī)范電極反應(yīng)的電流分布，減輕 了單體一致性方面的嚴(yán)格要求，易于加工和組裝，結(jié)構(gòu)簡單、維護(hù)方便，可用于電解、電鍍行 業(yè)和液流電池體系中。采用內(nèi)部并聯(lián)的液流電池電堆結(jié)構(gòu)，可以通過電堆之間的串并聯(lián)達(dá) 到擴(kuò)展電壓和電流的目標(biāo)。

圖1 一種液流電池電堆的結(jié)構(gòu)示意圖1.電池單體，2.正極，3.負(fù)極，4.流道，5.負(fù)極端子，6.正極端子，7.外殼，8.電解液儲罐，9.輸液泵，10.電解液輸送管線，11.電堆圖2—種液流電池電堆的結(jié)構(gòu)示意圖1.電池單體，2.正極，3.負(fù)極，4.流道，5.負(fù)極端子，6.正極端子，7.外殼，8.電 解液儲罐，9.輸液泵，10.電解液輸送管線，11.電堆，12.離子交換膜
具體實(shí)施方式
實(shí)例1如圖1所示。以燒結(jié)式氧化鎳電極作為正極2、有流槽的聚丙烯隔柵作為流道4和 沖孔鍍鎳鋼帶作為負(fù)極3組成液流電池電堆11的基本組成單位電池單體1。將多個電池單 體1按照正極2接正極2、負(fù)極3接負(fù)極3的方式(圖1所示)連接起來，正極2引線連成 組引出正極端子6，負(fù)極3引線連成組引出負(fù)極端子5，將多個電池單體1組合后放入外殼7 中成液流電池電堆11。將電解液輸送管線10和流道4、輸液泵9及電解液儲罐8連接，注 入鋅酸鹽的堿性電解質(zhì)水溶液作為電解液，組成電解液并行、內(nèi)部并聯(lián)的鋅鎳單液流電池， 充放電時(shí)正極發(fā)生Ni(OH)2CNiOOH電化學(xué)反應(yīng)，負(fù)極發(fā)生鋅的沉積/溶解電化學(xué)反應(yīng)。采 用內(nèi)部并聯(lián)的液流電池電堆結(jié)構(gòu)可以完全避免由于單體之間的電位差引起的內(nèi)部自放電， 僅有溶液流動管線接頭等處可能出現(xiàn)電解液泄漏等問題，不會出現(xiàn)由于單體之間壓力密封 不均勻等問題引起的電解液泄漏，具有結(jié)構(gòu)簡單、維護(hù)簡便的優(yōu)點(diǎn)。流道4可以是橡膠、聚 乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯、尼龍、ABS塑料、聚砜塑料、環(huán)氧樹脂、聚胺酯或它們的混合材料等 材質(zhì)，不能有電子導(dǎo)電性。外殼7可以是橡膠、聚乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯、尼龍、ABS塑料、 聚砜塑料、環(huán)氧樹脂、聚胺酯或它們的混合材料等材質(zhì)，也可以采用金屬材質(zhì)。正極2可以 通過集流體和正極端子6焊接連接或鉚接或螺栓連接，正極2和正極端子6必須是電子導(dǎo) 通的。負(fù)極3可以通過集流體和負(fù)極端子5焊接連接或鉚接或螺栓連接，負(fù)極3和負(fù)極端 子5也必須是電子導(dǎo)通的。正極端子6和負(fù)極端子5之間電子不導(dǎo)通。正極端子6、負(fù)極端 子5和外殼7之間至多有一個是電子導(dǎo)通的，即正極端子6或負(fù)極端子5至多有一個可以 通過外殼7上引出。實(shí)例2如圖1所示。以不透性玻璃態(tài)碳電極作為正極2、有流槽的ABS塑料流道4和不 透性柔性石墨電極作為負(fù)極3組成液流電池電堆11的基本組成單位電池單體1，其中正極 2和負(fù)極3共用流道4的電解液流動通道。將多個電池單體1按照正極2接正極2、負(fù)極3 接負(fù)極3的方式(圖1所示)連接起來，其中兩正極2之間及兩負(fù)極3之間夾入鍍鉛銅板 作為集流板，正極2由鍍鉛銅板引線連成組引出正極端子6，負(fù)極3由鍍鉛銅板引線連成組 引出負(fù)極端子5，將多個電池單體1組合后放入外殼7中成液流電池電堆11。將電解液輸 送管線10和流道4、輸液泵9及電解液儲罐8連接，注入甲基磺酸銅、甲基磺酸鉛和甲基磺 酸組成的電解質(zhì)水溶液作為電解液，組成電解液并行、內(nèi)部并聯(lián)的銅鉛單液流電池，充放電 時(shí)正極發(fā)生二氧化鉛的沉積/溶解(Pb2+GPbO2)電化學(xué)反應(yīng)，負(fù)極發(fā)生銅的沉積/溶解電化 學(xué)反應(yīng)。實(shí)例3如圖2所示。以不透性柔性石墨疊加石墨化碳?xì)蛛姌O作為正極2、有流槽的ABS塑 料流道4和不透性柔性石墨疊加石墨化碳?xì)蛛姌O作為負(fù)極3組成液流電池電堆11的基本組成單位電池單體1，其中正極2和一個流道4組成正極區(qū)、負(fù)極3和一個流道4組成負(fù)極 區(qū)，正極區(qū)和負(fù)極區(qū)(即正極區(qū)的流道4’和負(fù)極區(qū)的流道4之間)用全氟磺酸離子交換膜 12分隔開，流過正極區(qū)和負(fù)極區(qū)的電解液不混合。將多個電池單體1按照正極2接正極2、 負(fù)極3接負(fù)極3的方式(圖2所示)連接起來，其中兩正極2之間及兩負(fù)極3之間夾入鍍 鉛銅板作為集流板，由集流板引線分別連成組引出正極端子6和負(fù)極端子5，將多個電池單 體1組合后放入外殼7中成液流電池電堆11。將電解液輸送管線10和流道4、輸液泵9及 電解液儲罐8連接，在正極電解液儲罐8’中注入硫酸、硫酸氧釩(四價(jià))的水溶液作為電 解液，負(fù)極電解液儲罐8中注入硫酸、硫酸釩(三價(jià))的水溶液作為電解液，組成電解液并 行、內(nèi)部并聯(lián)的全釩液流電池，充放電時(shí)正極發(fā)生V4+^V5+電化學(xué)反應(yīng)，負(fù)極發(fā)生V3+ V2+ 電化學(xué)反應(yīng)。
權(quán)利要求1.一種液流電池電堆，其特征在于由正極(2)、流道(4)和負(fù)極(3)構(gòu)成電池單體(1)， 將電池單體(1)按照正極(2)接正極O)、負(fù)極(3)接負(fù)極(3)的方式連接起來，正極(2) 引線連成組引出正極端子(6)，負(fù)極(3)引線連成組引出負(fù)極端子(5)，將兩個以上電池單 體⑴組合后放入外殼(7)中成液流電池電堆(11)；將電解液輸送管線(10)和流道0)、 輸液泵(9)及電解液儲罐(8)連接，注入電解液，組成內(nèi)部并聯(lián)的液流電池電堆系統(tǒng)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的液流電池電堆，其特征在于電解液在液流電池電堆(11)中是 通過流道(4)并行流動的。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的液流電池電堆，其特征在于外殼(7)可以加壓固定兩個以上 電池單體(1)成液流電池電堆(11)，外殼(7)可以是密封的，引出正極端子(6)和負(fù)極端子 (5)的部位是密閉的，電解液只能由流道(4)流入和流出。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的液流電池電堆，其特征在于一個電池單體(1)只有一個流道 G)，即一個電池單體(1)只有一個電解液室。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的液流電池電堆，其特征在于一個電池單體(1)有兩個用離子 交換膜(1 分隔的流道G)，即一個電池單體(1)有兩個電解液室，一個流過正極電解液， 另一個流過負(fù)極電解液，在整個液流電池電堆(11)中正極電解液和負(fù)極電解液不會混合。
專利摘要本實(shí)用新型屬于電化學(xué)工程與工業(yè)裝置領(lǐng)域，特別涉及到一種液流電池電堆，由正極、流道和負(fù)極構(gòu)成電池單體，將電池單體按照正極接正極、負(fù)極接負(fù)極的方式連接起來，正極引線連成組引出正極端子，負(fù)極引線連成組引出負(fù)極端子，將多個電池單體組合后放入外殼中成液流電池電堆，將電解液輸送管線和流道、輸液泵及電解液儲罐連接，注入電解液，組成內(nèi)部并聯(lián)的液流電池電堆系統(tǒng)。該電堆可以完全避免由于單體之間的電位差引起的內(nèi)部自放電，不會出現(xiàn)由于單體之間壓力密封不均勻等問題引起的電解液泄漏，具有結(jié)構(gòu)簡單、維護(hù)簡便的優(yōu)點(diǎn)，可用于電化學(xué)合成工業(yè)和液流電池體系中。
文檔編號H01M8/18GK201845830SQ20102060187
公開日2011年5月25日 申請日期2010年11月11日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月11日
發(fā)明者劉學(xué)虎, 文越華, 曹高萍, 楊裕生, 程杰, 謝自立 申請人:中國人民解放軍63971部隊(duì)