專利名稱：集流板及包括其的液流電池堆的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及釩電池領(lǐng)域，具體涉及一種集流板及包括其的液流電池堆。
技術(shù)背景
全釩氧化還原液流電池是一種以不同價態(tài)的釩離子電解液進行氧化還原的電化學(xué)反應(yīng)裝置，能夠高效地實現(xiàn)化學(xué)能與電能之間的相互轉(zhuǎn)化。該類電池具有使用壽命長、能量轉(zhuǎn)化效率、安全性好和環(huán)境友好等優(yōu)點，能用于風(fēng)能發(fā)電和光伏發(fā)電配套的大規(guī)模儲能系統(tǒng)，是電網(wǎng)削峰填谷、平衡負載的主要選擇之一。
全釩氧化還原液流電池分別以釩離子V4+/V5+和V2+/V3+作為電池的正負極氧化還原對，將正負極電解液分別儲存于兩個儲液罐中，由耐酸液體泵驅(qū)動活性電解液至反應(yīng)場所(電池堆)再回至儲液罐中形成循環(huán)液流回路，以實現(xiàn)充放電過程。在整個全釩氧化還原液流電池儲能系統(tǒng)中，電池堆性能的好壞決定著整個系統(tǒng)的充放電性能，尤其是充放電功率。電池堆是由多片單電池依次疊放壓緊，串聯(lián)而成。其中傳統(tǒng)的單片電池通常的組成如圖1所示。1’為液流框，2’為集流板，3’為電極，4’為隔膜，各組件組成單體電池，通過 N個單體電池的堆疊組成電池堆5’。
現(xiàn)有的液流電池堆中，通常存在以下問題，其一，由于使用液流框部件來完成電池堆的裝配及結(jié)構(gòu)支撐，集流板與液流框之間需要大量的密封設(shè)計，增大了電池堆的密封難度，使得包含此結(jié)構(gòu)的液流電池通常因密封失效而造成效率或壽命的降低；其二，使用這種結(jié)構(gòu)的電池堆通常采用并行液流的方式，旁路電流損耗較大，大大降低了液流電池系統(tǒng)的效率。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明旨在提供一種集流板及包括其的液流電池堆，以解決現(xiàn)有技術(shù)中液流電池堆密封結(jié)構(gòu)設(shè)計復(fù)雜、密封難度大的技術(shù)問題。
為了實現(xiàn)上述目的，根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供了一種集流板，包括設(shè)置在集流板上的進液口及出液口，還包括凹槽，設(shè)置在集流板的一側(cè)，該凹槽用以容納電極并與電極相適配。
進一步地，在集流板的另一側(cè)設(shè)置凹槽。
進一步地，凹槽的深度小于對應(yīng)設(shè)置在凹槽內(nèi)的電極的厚度。
進一步地，還包括迂回液流道，迂回液流道的一端連通集流板上的進液口或出液口，另一端與位于凹槽內(nèi)的電極連通。
進一步地，迂回液流道內(nèi)壁上涂覆有高分子材料絕緣層。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供了一種液流電池堆，包括集流板、電極以及離子交換膜，集流板為上述任一種集流板；電極設(shè)置在集流板的凹槽內(nèi)。
進一步地，還包括密封部件，密封部件沿集流板的外周側(cè)設(shè)置，用于將相鄰的兩個集流板之間密封。
進一步地，還包括設(shè)置在集流板的進液口和與進液口對應(yīng)設(shè)置的出液口的外周側(cè)的密封部件。
本發(fā)明的集流板設(shè)置有容納電極的凹槽，兼具了液流框的功能，使得在整個液流電池堆的設(shè)計中省去了液流框，從而避免了集流板與液流框之間的大量而復(fù)雜的密封設(shè)計，減小了密封部件的應(yīng)用及設(shè)計的復(fù)雜性，使得電池堆的結(jié)構(gòu)緊湊簡單。


構(gòu)成本申請的一部分的說明書附圖用來提供對本發(fā)明的進一步理解，本發(fā)明的示意性實施例及其說明用于解釋本發(fā)明，并不構(gòu)成對本發(fā)明的不當限定。在附圖中
圖1示出了現(xiàn)有技術(shù)中全釩氧化還原液流電池的結(jié)構(gòu)示意圖加示出了根據(jù)本發(fā)明典型實施例的集流板的正極側(cè)結(jié)構(gòu)示意圖2b示出了根據(jù)本發(fā)明典型實施例的集流板的負極側(cè)結(jié)構(gòu)示意圖3示出了根據(jù)本發(fā)明典型實施例的集流板與電極裝配后的截面結(jié)構(gòu)示意圖如示出了根據(jù)本發(fā)明典型實施例的刻有迂回液流道的集流板正極側(cè)結(jié)構(gòu)示意圖4b示出了根據(jù)本發(fā)明典型實施例的刻有迂回液流道的集流板負極側(cè)結(jié)構(gòu)示意圖；以及
圖5示出了根據(jù)本發(fā)明典型實施例的單片電池結(jié)構(gòu)示意圖；具體實施方式
需要說明的是，在不沖突的情況下，本申請中的實施例及實施例中的特征可以相互組合。下面將參考附圖并結(jié)合實施例來詳細說明本發(fā)明。
根據(jù)本發(fā)明一種典型實施方式的集流板，如圖2a_2b所示，圖加和圖2b分別示出了集流板2的正極側(cè)和負極側(cè)的結(jié)構(gòu)示意圖?？梢钥闯觯靼?包括設(shè)置在集流板2上的進液口及出液口，還包括設(shè)置在集流板一側(cè)上的凹槽，凹槽用以容納電極3并與電極3相適配。本發(fā)明的集流板由于設(shè)置有容納電極的凹槽，兼具了現(xiàn)有技術(shù)中的液流框的功能，使得在整個液流電池堆的設(shè)計中省去了液流框，從而避免了集流板與液流框之間的大量而復(fù)雜的密封設(shè)計，減小了密封部件的應(yīng)用及設(shè)計的復(fù)雜性，使得電池堆裝置的結(jié)構(gòu)緊湊簡單。
如果集流板2在一側(cè)設(shè)置凹槽，則使用時將兩個集流板2的不設(shè)置凹槽的一側(cè)靠在一起，形成一個整體式的集流板，該結(jié)構(gòu)的集流板由于只需在一側(cè)設(shè)置凹槽，容易加工； 一般選擇石墨板制作集流板，石墨板材料本身較脆，將兩塊集流板背靠背拼接在一起保證了兩個凹槽之間的集流板2具有足夠的強度和硬度。但這種組裝在一起的集流板由于拼接處存在縫隙，會增加兩塊集流板拼接處的接觸電阻。
根據(jù)本發(fā)明的另一種典型的實施方式，在集流板2的另一側(cè)也設(shè)置凹槽。即在每一個集流板2的兩側(cè)分別設(shè)置有凹槽，如圖3所示，圖3示出了集流板與設(shè)置在集流板兩側(cè)的凹槽內(nèi)的電極裝配后的截面結(jié)構(gòu)示意圖。從圖3可以看出，在集流板2兩側(cè)的中心位置分別雕刻出矩形區(qū)域以放置正負多孔電極3，矩形區(qū)域的面積及形狀與電極3相適配。當集流板2組裝成液流電池堆使用時，由于電解液的沖刷會使兩個凹槽之間的集流板2的厚度逐漸變薄，所以兩凹槽之間的集流板需要設(shè)置足夠的厚度來抵抗電解液的沖刷。制作集流板的材料不同，厚度不同，當材料本身的抗沖擊強度較小時，就要保證兩凹槽之間的集流板的厚度足夠大，才能經(jīng)受電解液的沖刷而不穿透。兩側(cè)設(shè)置凹槽的集流板結(jié)構(gòu)使集流板兼具了液流框的功能，簡化了液流框與集流板之間的密封復(fù)雜性，兩側(cè)設(shè)置凹槽節(jié)省了集流板的使用個數(shù)，在一定程度上也簡化了組裝和密封。
在本發(fā)明的典型實施方式中，優(yōu)選地，凹槽的深度小于對應(yīng)設(shè)置在凹槽內(nèi)的電極3 的厚度。電極一般都是具有彈性的多孔材料，可以壓縮，如石墨氈，由于電極3的厚度大于凹槽的深度，將電極3置于凹槽內(nèi)時，有部分電極突出，在裝配成液流電池堆時，由于集流板依次相接觸設(shè)置，所以位于相鄰的集流板2的凹槽內(nèi)的電極3之間就相互擠壓，這樣位于電極內(nèi)的正負電解液在離子交換膜的兩側(cè)的接觸及交換更充分。相反，如果凹槽的深度大于對應(yīng)設(shè)置在凹槽內(nèi)的電極3的厚度，則會使位于離子交換膜兩側(cè)的電極內(nèi)的電解液交換不充分。
圖2a_2b示出了本發(fā)明的一種典型的實施方式的集流板，可以看出，正極電解液的進口 10與出口 11位于同一對角線上，負極電解液的進口 8和出口 9位于同一對角線上， 正極反應(yīng)區(qū)電極7和負極反應(yīng)區(qū)電極13分別設(shè)置在集流板2兩側(cè)的中心區(qū)域，位于集流板 2上的正極電解液的進口、出口、負極電解液的進口、出口都是各自貫通集流板的兩側(cè)面，保證了正負電解液在整個液流電池堆內(nèi)的循環(huán)，具體說明如下
在正極側(cè)，正電解液從進口 10進入集流板2的正極反應(yīng)區(qū)7，電解液在正極反應(yīng)區(qū) 7充分反應(yīng)之后從集流板2的出口 11流出，由于正極出口 11與相鄰的另一集流板的正極進口相通，則正電解液就從正極出口 11流到相鄰集流板的正極進口，進而流到相鄰集流板的正極反應(yīng)區(qū)，之后從相鄰集流板的正極出口流出，就這樣電解液在整個液流電池堆內(nèi)循環(huán)流動。在集流板的正極側(cè)，負電解液的進口 8和出口 9不與正極反應(yīng)區(qū)電極7相通。在負極側(cè)，負電解液從進口 8進入該集流板的負極反應(yīng)區(qū)13，電解液在負極反應(yīng)區(qū)13充分反應(yīng)，之后從集流板2的出口 9流出，由于負極出口 9與相鄰另一集流板的負極進口相通，則負電解液就從負極出口 9流入到相鄰集流板的負極進口，進而流到相鄰集流板的負極反應(yīng)區(qū)，之后從相鄰集流板的負極出口流出，就這樣電解液在整個液流電池堆內(nèi)循環(huán)流動。在集流板的負極側(cè)，正電解液的進口 10和出口 11不與負極反應(yīng)區(qū)13相通。該結(jié)構(gòu)保證了正負電極的電解液在離子交換膜兩側(cè)的電極上分別發(fā)生還原和氧化反應(yīng)，有效地完成充放電過程，保證了液流電池堆的正常運行。
根據(jù)本發(fā)明又一典型實施方式的集流板，還包括迂回液流道，該迂回液流道的一端連通集流板2上的進液口或出液口，另一端與位于凹槽內(nèi)的電極3連通。如圖4a-4b所示，圖4a_4b分別示出了刻有迂回液流道的集流板正極側(cè)和負極側(cè)的結(jié)構(gòu)示意圖。在集流板2的正極側(cè)，正電解液進出口 10、11與正極反應(yīng)區(qū)電極7之間刻有迂回液流道14、15，正電解液從進口 10進入，通過迂回液流道14進入正極反應(yīng)區(qū)電極7，經(jīng)還原反應(yīng)后通過迂回液流道15從出口 11流到相鄰的另一個集流板的正極進口，然后進入相鄰集流板的正極反應(yīng)區(qū)，最后從相鄰集流板的正極出口流出，就這樣電解液在整個液流電池堆內(nèi)循環(huán)流動。在集流板2的負極側(cè)，負電解液進出口 8、9與負極反應(yīng)區(qū)電極13之間刻有迂回液流道16、17， 負電解液從進口 8進入，通過迂回液流道16進入負極反應(yīng)區(qū)電極13，經(jīng)氧化反應(yīng)后通過迂回液流道17從出口 9流出，負極電解液從出口 9流出后，進入到相鄰集流板的負極進口，進而流入相鄰集流板的負極反應(yīng)區(qū)電極，最后從相鄰集流板的負極出口流出，就這樣負電解液在整個液流電池堆內(nèi)循環(huán)。在非反應(yīng)區(qū)設(shè)置迂回液流道，增大了內(nèi)置液流道的長度，加大了電池運行過程中漏電支路的有效電阻，減小旁路電流和自放電的速度，采用該集流板的液流電池堆，有效提高了電池的庫倫效率，從而提高了能量轉(zhuǎn)換效率。
同時，電解液在電池堆內(nèi)的流動是由驅(qū)動泵驅(qū)使的，當泵停止運行時，由于電解液失去了動力，電解液必然會出現(xiàn)少量的倒吸或回流現(xiàn)象，由于迂回流道帶有多個彎折，就增大了電解液倒吸的阻力，使得迂回流道內(nèi)的電解液出現(xiàn)斷裂，使單體電解池中的電解液與其它單體電池及儲液裝置中的電解液隔絕，避免了電池在由電解液連通時出現(xiàn)的自放電現(xiàn)象，確保了釩電池內(nèi)部儲存的電量。
迂回液流道可以根據(jù)需要設(shè)計成所需形狀，如迂回液流道的截面呈Z型或呈多個 Z型連接在一起的形狀。該設(shè)計使得進出液流道延長了，增大了電解液形成漏電支路電阻， 減少了釩電池自放電程度。
電解液充盈在集流板的迂回液流道內(nèi)，非反應(yīng)區(qū)的電解液和集流板直接接觸可能造成額外的漏電流，優(yōu)選地，在迂回液流道的內(nèi)壁上涂覆有高分子材料絕緣層可避免迂回流道內(nèi)的漏電流。該涂覆方法為常規(guī)方法，將高分子材料固定在迂回液流道的內(nèi)壁上，本發(fā)明所用的高分子材料包括但不限于聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯、聚氯乙烯等耐酸性熱塑性材料，以及環(huán)氧樹脂等熱固性高分子。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，根據(jù)本發(fā)明的一種典型實施方式，提供了一種液流電池堆，包括集流板2、電極3以及離子交換膜4，該集流板2為上述任一種結(jié)構(gòu)的集流板；電極 3設(shè)置在集流板2的凹槽內(nèi)。和現(xiàn)有技術(shù)不同的是，該液流電池堆無需液流框裝置，只是由圖5所示的多個單片電池依次串聯(lián)而成，圖5示出了單片電池的結(jié)構(gòu)示意圖。從圖5可以看出，集流板2上設(shè)有凹槽，電極3設(shè)置在集流板2的凹槽內(nèi)，采用了上述集流板2的液流電池堆，與傳統(tǒng)的帶有液流框的液流電池堆相比，同樣能夠保證整個液流電池堆的密封效果，并且不會降低液流電池堆的性能，同時在結(jié)構(gòu)設(shè)計上更緊湊簡單；對于采用帶迂回液流道的集流板的液流電池堆來說，減小了旁路電流，提高了能量轉(zhuǎn)換效率，延長了電池壽命。
根據(jù)本發(fā)明典型實施方式的液流電池堆，還包括密封部件，如圖2a_2b及4a_4b所示，密封部件沿集流板2的外周側(cè)設(shè)置，用于將相鄰的兩個集流板2之間密封。優(yōu)選密封圈設(shè)置在位于集流板2上相應(yīng)位置的密封槽內(nèi)，密封圈保證了相鄰的集流板之間的密封效果，避免了在液流電池堆內(nèi)部循環(huán)的電解液向外泄露，實現(xiàn)了整個液流電池堆和外界的隔離，保證了液流電池堆系統(tǒng)的正常工作。
在本發(fā)明的另一種典型實施方式中，除了沿集流板2的外周側(cè)設(shè)置設(shè)置密封部件外，還包括設(shè)置在集流板2的進液口和與進液口對應(yīng)設(shè)置的出液口外周側(cè)的密封部件。如圖2a_2b及4a_4b所示，設(shè)置在此部位的密封部件保證了正電解液在循環(huán)流通過程中不會流入集流板的負極側(cè)，同樣，負電解液在循環(huán)流通過程中也不會流入正極側(cè)。
下面結(jié)合具體實施例來進一步說明本發(fā)明技術(shù)方案的有益效果。具體實施例
實施例1
選用石墨板作為集流板，高導(dǎo)電性多孔石墨材料作為電極，Nafion膜作為離子交換膜，按照圖4方法制備集流板。將上述部件及密封圈組裝成釩單片電池，將40個上述單電池依次串聯(lián)組裝成液流電池堆裝置，由于未使用液流框，密封圈的使用數(shù)量為82個。經(jīng)測試，該液流電池堆的充放電庫倫效率為91. 7%，電壓效率為84. 1%，能量效率為77. 1%。
實施例2
材料與實施例1相同，制備圖4a_4b所示的雕刻有彎折迂回液流道的集流板。將上述部件及密封圈組裝成釩單片電池，將40個上述單電池依次串聯(lián)組裝成液流電池堆，由于未使用液流框，密封圈的使用數(shù)量為82個。經(jīng)測試，該液流電池堆的充放電庫倫效率為 93. 5%,電壓效率為84. 2%,能量效率為78. 7%。
對比例1
選用市售的PVC材料為液流框，石墨板作為集流板，高導(dǎo)電性多孔石墨材料作為電極，Nafion膜作為離子交換膜，按照傳統(tǒng)的組裝方法將集流板、電極、液流框以及密封部件組裝成單片釩電池，將40個上述單片釩電池依次串聯(lián)組裝成液流電池堆，其中密封圈的使用數(shù)量為162個。經(jīng)測試，該液流電池堆的充放電庫倫效率為91.9%，電壓效率為 84.0%，能量效率為77. 1%,
經(jīng)過對比分析可知，采用本發(fā)明的集流板組裝的液流電池堆，省略了液流框裝置， 使得密封圈的使用數(shù)量幾乎減半，減小了集流板與液流框之間大量又復(fù)雜的密封設(shè)計，同時節(jié)省了人力和成本，并且?guī)缀鯖]有影響到液流電池堆的充放電庫倫效率、電壓效率以及能量效率。該液流電池堆結(jié)構(gòu)緊湊簡單，減少了密封部件的應(yīng)用及工藝步驟，方便了今后液流電池堆的研發(fā)。采用在本發(fā)明的集流板上設(shè)置迂回液流道，增大了電池堆運行過程中漏電支路的有效電阻，減小了旁路電流，提高了庫倫效率，提高了能量轉(zhuǎn)換效率，延長了電池的使用壽命。
以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實施例而已，并不用于限制本發(fā)明，對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，本發(fā)明可以有各種更改和變化。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種集流板，包括設(shè)置在所述集流板( 上的進液口及出液口，其特征在于，還包括凹槽，設(shè)置在所述集流板⑵的一側(cè)，所述凹槽用以容納電極⑶并與所述電極⑶相適配。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的集流板，其特征在于，在所述集流板( 的另一側(cè)設(shè)置所述凹槽。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的集流板，其特征在于，所述凹槽的深度小于對應(yīng)設(shè)置在所述凹槽內(nèi)的所述電極(3)的厚度。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的集流板，其特征在于，還包括迂回液流道，所述迂回液流道的一端連通所述集流板( 上的進液口或出液口，另一端與位于所述凹槽內(nèi)的所述電極( 連通。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的集流板，其特征在于，所述迂回液流道內(nèi)壁上涂覆有高分子材料絕緣層。
6.一種液流電池堆，包括集流板O)、電極(3)以及離子交換膜G)，其特征在于， 所述集流板( 為權(quán)利要求1-5中任一項所述的集流板；所述電極C3)設(shè)置在所述集流板(2)的所述凹槽內(nèi)。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的液流電池堆，其特征在于，還包括密封部件，所述密封部件沿所述集流板O)的外周側(cè)設(shè)置，用于將相鄰的兩個所述集流板(2)之間密封。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的液流電池堆，其特征在于，還包括設(shè)置在所述集流板( 的進液口和與所述進液口對應(yīng)設(shè)置的所述出液口的外周側(cè)的密封部件。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種集流板及包括其的液流電池堆，該集流板包括設(shè)置在集流板上的進液口及出液口，還包括凹槽，設(shè)置在集流板的一側(cè)，凹槽用以容納電極并與電極相適配。本發(fā)明的集流板設(shè)置有容納電極的凹槽，兼具了液流框的功能，使得在整個液流電池堆的設(shè)計中省去了液流框，從而避免了集流板與液流框之間的大量而復(fù)雜的密封設(shè)計，減小了密封部件的應(yīng)用及設(shè)計的復(fù)雜性，使得電池堆的結(jié)構(gòu)緊湊簡單。
文檔編號H01M8/02GK102522577SQ20111045977
公開日2012年6月27日 申請日期2011年12月31日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月31日
發(fā)明者劉虹邑, 李婷, 楊海玉, 殷聰, 湯浩, 謝光有 申請人:中國東方電氣集團有限公司