一種液流電池用極板結(jié)構(gòu)及全釩液流電池的制作方法
【專利摘要】本實(shí)用新型涉及一種液流電池用極板結(jié)構(gòu),極板為雙極板或單極板，所述雙極板為兩側(cè)中部均設(shè)有凹槽的平板狀結(jié)構(gòu)，于平板每一側(cè)的凹槽相對(duì)邊緣處分別刻有與凹槽相連通的液體分布流道結(jié)構(gòu)，平板一側(cè)相對(duì)邊緣處的流道分別各自與正極進(jìn)液口和正極出液口相連通、平板另一側(cè)相對(duì)邊緣處的流道分別各自與負(fù)極進(jìn)液口和負(fù)極出液口相連通。省去了液流框和雙（單）極板間的密封，簡化了裝配工藝，減少了電解液外漏，提高了電池運(yùn)行的穩(wěn)定性。
【專利說明】一種液流電池用極板結(jié)構(gòu)及全釩液流電池
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及全釩液流電池領(lǐng)域，特別是一種全釩液流電池用液流框和雙(單)極板一體化裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]全釩液流電池，是采用不同價(jià)態(tài)的釩離子溶液作為正負(fù)極電解液，由外部泵驅(qū)動(dòng)電解液在儲(chǔ)液罐和電堆之間循環(huán)流動(dòng)，電解液在電堆中發(fā)生氧化還原反應(yīng)實(shí)現(xiàn)充放電過程的電池。全釩液流電池由電堆、電解液和泵等管路系統(tǒng)組成，電堆包括離子傳導(dǎo)隔膜、液流框、電極、雙(單)極板和集流板等。電堆單體電池以離子傳導(dǎo)隔膜為中心，兩端依次為:電極和液流框、雙(單)極板結(jié)構(gòu)。離子傳導(dǎo)隔膜與液流框之間、液流框和雙(單)極板之間有密封元件。數(shù)級(jí)或數(shù)10級(jí)單體電池被夾持在兩個(gè)不銹鋼端板之間，經(jīng)壓濾機(jī)壓緊作用組成一個(gè)電堆。電解液在儲(chǔ)液罐和電堆之間循環(huán)流動(dòng)，其中必然要經(jīng)過液流框，液流框在電堆中起到分配電解液在電堆中的流動(dòng)方式、防止電解液外漏的作用；密封元件主要對(duì)電解液起到密封、防止外漏作用；雙(單)極板主要起分隔電堆中的每個(gè)單體電池和收集、輸送電流的作用。由于液流框、密封元件和雙(單)極板對(duì)電堆起著不可或缺的作用，其結(jié)構(gòu)和材料將直接影響全鑰;液流電池的穩(wěn)定性和電池性能。
[0003]目前，通用的液流框和雙(單)極板是兩個(gè)獨(dú)立的結(jié)構(gòu)，組成電堆時(shí)兩者之間必須添加密封元件。液流框通常采用PVC材料，雙(單)極板采用無孔石墨材料、金屬或合金材料以及各種復(fù)合材料，密封結(jié)構(gòu)一般有面密封或線密封兩種方式。液流框、密封元件、雙(單)極板、液流框、密封元件、雙(單)極板…的裝配工序繁瑣，若裝配不合理，容易引起電解液外漏，影響電池的穩(wěn)定運(yùn)行；而且，密封元件成本也較高；此外，液流框一般應(yīng)具有防止電解液外漏的作用，因此加工時(shí)`，液流框的厚度要比液流框上的流道深度大Imm左右，對(duì)應(yīng)的電極厚度較大，引起較大的歐姆內(nèi)阻，進(jìn)而影響電池性能。
實(shí)用新型內(nèi)容
[0004]本實(shí)用新型的目的是，針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，為克服現(xiàn)有技術(shù)中的缺陷，提出并研究一種極板結(jié)構(gòu)，其通過對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中的液流框和雙(單)極板結(jié)構(gòu)進(jìn)行科學(xué)合理的改進(jìn)，可以實(shí)現(xiàn)減少密封元件數(shù)量，減小電極厚度的目的，從而簡化電堆裝配工藝，減少電堆中電解液外漏，降低電池歐姆內(nèi)阻，提高電池運(yùn)行的穩(wěn)定性和電池性能。
[0005]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型采用的技術(shù)方案如下
[0006]一種液流電池用極板結(jié)構(gòu)，極板為雙極板或單極板，所述雙極板為兩側(cè)中部均設(shè)有凹槽的平板狀結(jié)構(gòu)，于平板的四周邊緣設(shè)有四個(gè)通孔，四個(gè)通孔二個(gè)為一組，每一組中的二個(gè)通孔相對(duì)設(shè)置，二組分別為正極進(jìn)液口和正極出液口、負(fù)極進(jìn)液口和負(fù)極出液口；于平板每一側(cè)的凹槽相對(duì)邊緣處分別刻有與凹槽相連通的液體分布流道結(jié)構(gòu)，平板一側(cè)相對(duì)邊緣處的流道分別各自與正極進(jìn)液口和正極出液口相連通、平板另一側(cè)相對(duì)邊緣處的流道分別各自與負(fù)極進(jìn)液口和負(fù)極出液口相連通；[0007]或，所述單極板為一側(cè)中部設(shè)有凹槽的平板狀結(jié)構(gòu)，于平板的四周邊緣設(shè)有四個(gè)通孔，四個(gè)通孔二個(gè)為一組，每一組中的二個(gè)通孔相對(duì)設(shè)置，二組分別為正極進(jìn)液口和正極出液口、負(fù)極進(jìn)液口和負(fù)極出液口 ；于平板一側(cè)的凹槽相對(duì)邊緣處分別刻有與凹槽相連通的液體分布流道結(jié)構(gòu)，相對(duì)邊緣處的一側(cè)流道與正極進(jìn)液口或負(fù)極進(jìn)液口相連通、另一側(cè)流道與正極出液口或負(fù)極出液口相連通。
[0008]所述雙極板二側(cè)的凹槽對(duì)稱設(shè)置；所述雙極板兩側(cè)流道呈對(duì)稱結(jié)構(gòu)。
[0009]所述雙極板或單極板厚度5-15mm,凹槽深度為0.5mm-7mm ;凹槽外周與雙極板或單極板最外周寬度為2mm-20mm。
[0010]一種全釩液流電池，包括單極板、雙極板、正極電極、離子傳導(dǎo)隔膜、負(fù)極電極，所述雙極板為上述雙極板結(jié)構(gòu)，所述單極板為上述的單極板結(jié)構(gòu)。[0011]所述液流電池依次由單極板、正極電極、離子傳導(dǎo)隔膜、負(fù)極電極、雙極板、正極電極、離子傳導(dǎo)隔膜、負(fù)極電極、雙極板、……、正極電極、離子傳導(dǎo)隔膜、負(fù)極電極、單極板順序疊合而成。
[0012]所述液流電池的單極板或雙極板與正極電極或負(fù)極電極之間無液流框；
[0013]于所述單極板和雙極板與離子傳導(dǎo)隔膜之間設(shè)有環(huán)狀密封元件。
[0014]所述正極電極或負(fù)極電極分別嵌設(shè)于其所貼接的單極板或雙極板的凹槽內(nèi)。
[0015]所述單極板和雙極板上的凹槽于單極板或雙極板所在平面上的投影相重合，且形狀、尺寸大小相同；所述正、負(fù)電極厚度與凹槽深度比值1:1-5:1。
[0016]所述單極板和雙極板上的正極進(jìn)液口相互連通形成正極進(jìn)液主管道，所述單極板和雙極板上的正極出液口相互連通形成正極出液主管道，所述單極板和雙極板上的負(fù)極進(jìn)液口相互連通形成負(fù)極進(jìn)液主管道，所述單極板和雙極板上的負(fù)極出液口相互連通形成負(fù)極出液主管道；正極進(jìn)液主管道和正極出液主管道通過管路經(jīng)泵與外部正極儲(chǔ)液罐相連，形成正極回路；負(fù)極進(jìn)液主管道和負(fù)極出液主管道通過管路經(jīng)泵與外部負(fù)極儲(chǔ)液罐相連，形成負(fù)極回路。
[0017]雙極板或單極板材料為碳塑復(fù)合材料板或石墨板；所述正、負(fù)電極材料為碳?xì)只?br> 石墨氈。
[0018]本實(shí)用新型的有益效果:
[0019]1.這種雙極板或單極板結(jié)構(gòu)，省去了傳統(tǒng)的液流框和雙(單)極板間的密封元件，簡化了裝配工藝，減少了電解液外漏，從而提高了電池運(yùn)行的穩(wěn)定性；
[0020]2.由于在極板上設(shè)置流道結(jié)構(gòu)，減少了單獨(dú)使用液流框的Imm左右的厚度余量防止電解液外漏作用，降低電極厚度，減少電池歐姆內(nèi)阻，從而提高全釩液流電池的性能。保證了全釩液流電池運(yùn)行的穩(wěn)定性和電池性能。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0021]圖1、雙極板的基本結(jié)構(gòu)示意圖；
[0022]圖2、單極板的基本結(jié)構(gòu)示意圖；
[0023]圖3、本實(shí)用新型在全釩液流電池電堆中應(yīng)用裝配圖；
[0024]圖4、普通全釩液流電池電堆裝配圖。
[0025]附圖中符號(hào)說明:1_雙極板、2-單極板、3-凹槽、4-正極進(jìn)液口、5-流道、6-正極出液口、7-負(fù)極進(jìn)液口、8-負(fù)極出液口、9-正極電極、10-離子傳導(dǎo)隔膜、11-負(fù)極電極、12-環(huán)狀密封元件、13-液流框、14-密封墊、15-端板。
【具體實(shí)施方式】
[0026]下面實(shí)施例結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)一步說明。
[0027]如圖1、2所示，本實(shí)用新型采用設(shè)置有液口、流道、凹槽的雙極板和單極板結(jié)構(gòu)。雙極板結(jié)構(gòu)上有正極進(jìn)液口 4，正極出液口 6，負(fù)極進(jìn)液口 7，負(fù)極出液口 8，兩側(cè)流道5，兩側(cè)凹槽3。單極板結(jié)構(gòu)上有正極進(jìn)液口 4，正極出液口 6，負(fù)極進(jìn)液口 7，負(fù)極出液口 8，一側(cè)流道5，一側(cè)凹槽3。電堆的單極板結(jié)構(gòu)一般有2個(gè)，分別靠近端板側(cè)。電堆的雙極板結(jié)構(gòu)有N個(gè)。如圖4所示，電堆一側(cè)的單極板結(jié)構(gòu)2和正極電極9、電堆的第一個(gè)雙極板結(jié)構(gòu)I和負(fù)極電極11，通過兩個(gè)環(huán)狀密封元件12分別與離子傳導(dǎo)隔膜10緊密結(jié)合，構(gòu)成電堆的第一級(jí)單體電池。電堆的第一個(gè)雙極板結(jié)構(gòu)I和正極電極9、第二個(gè)雙極板結(jié)構(gòu)I和負(fù)極電極11，通過兩個(gè)環(huán)狀密封元件12分別與離子傳導(dǎo)隔膜10緊密結(jié)合，構(gòu)成電堆的第二個(gè)單體電池。依次類推，電堆的第η (n<N, n e N*)個(gè)雙極板結(jié)構(gòu)I和正極電極9、第n+1個(gè)雙極板結(jié)構(gòu)I和負(fù)極電極11，通過兩個(gè)環(huán)狀密封12元件分別與離子傳導(dǎo)隔膜10緊密結(jié)合，構(gòu)成電堆的第n+1個(gè)單體電池。電堆的第N-1個(gè)雙極板結(jié)構(gòu)I和正極電極9、第N個(gè)雙極板結(jié)構(gòu)I和負(fù)極電極11，通過兩個(gè)環(huán)狀密封元件12分別與離子傳導(dǎo)隔膜10緊密結(jié)合，構(gòu)成電堆的第N個(gè)單體電池。電堆的第N個(gè)雙極板結(jié)構(gòu)I和正極電極9、電堆另一側(cè)的單極板結(jié)構(gòu)2和負(fù)極電極11，通過兩個(gè)環(huán)狀密封元件12分別與離子傳導(dǎo)隔膜10緊密結(jié)合，構(gòu)成電堆的第N+1個(gè)單體電池(即最后一個(gè)單體電池)。
[0028]其中，正極進(jìn)液口 4、流道5、凹槽3、嵌置的正極電極9、正極出液口 6和離子傳導(dǎo)隔膜10通過環(huán)狀密封元件12的緊密結(jié)合形成單體電池的正極電解液流動(dòng)通道。負(fù)極進(jìn)液口 7、流道5、凹槽3、嵌置的負(fù)極電極11、負(fù)極出液口 8和離子傳導(dǎo)隔膜10通過環(huán)狀密封元件12的緊密結(jié)合形成單體電池的負(fù)極電解液流動(dòng)通道。進(jìn)液口和出液口分開設(shè)置在雙極板2或單極板I的四周邊緣，正極進(jìn)液口 4和正極出液口 6相對(duì)設(shè)置在雙極板I的一側(cè)。負(fù)極進(jìn)液口 7和負(fù)極出液口 8相對(duì)設(shè)置在雙極板I的另一側(cè)?；?，正極進(jìn)液口 4或負(fù)極進(jìn)液口 7、正極出液口 6或負(fù)極出液口 8相對(duì)設(shè)置在單極板2的一側(cè)。于雙極板I 一側(cè)的凹槽3相對(duì)邊緣處分別刻有與凹槽3相連通的液體分布流道結(jié)構(gòu)5，雙極板I 一側(cè)相對(duì)邊緣處的流道5分別各自與正極進(jìn)液口 4和正極出液口 6相連通、雙極板I另一側(cè)相對(duì)邊緣處的流道5分別各自與負(fù)極進(jìn)液口 7和負(fù)極出液口 8相連通。或，于單極板2 —側(cè)的凹槽3相對(duì)邊緣處分別刻有與凹槽相連通的液體分布流道結(jié)構(gòu)5，單極板2 —側(cè)相對(duì)邊緣處的流道5分別各自與正極進(jìn)液口 4或負(fù)極進(jìn)液口 7、正極出液口 6或負(fù)極出液口 8相連通。
[0029]本實(shí)用新型的工作過程是，所述單極板2和雙極板I上的正極進(jìn)液口 4相互連通形成正極進(jìn)液主管道，所述單極板2和雙極板I上的正極出液口 6相互連通形成正極出液主管道，所述單極板2和雙極板I上的負(fù)極進(jìn)液口 7相互連通形成負(fù)極進(jìn)液主管道，所述單極板2和雙極板I上的負(fù)極出液口 8相互連通形成負(fù)極出液主管道；正極進(jìn)液主管道和正極出液主管道通過管路經(jīng)泵與外部正極儲(chǔ)液罐相連，形成正極回路；負(fù)極進(jìn)液主管道和負(fù)極出液主管道通過管路經(jīng)泵與外部負(fù)極儲(chǔ)液罐相連，形成負(fù)極回路。每一級(jí)單體電池內(nèi)的工作過程是，正極電解液從正極進(jìn)液主管道分配至各級(jí)正極進(jìn)液口 4，由正極進(jìn)液口 4進(jìn)入流道5，再通過流道5進(jìn)入正極電極9內(nèi)部，在正極電極9內(nèi)部進(jìn)行電極反應(yīng)后，再通過流道5經(jīng)正極出液口 6流出至正極出液主管道，經(jīng)管路流動(dòng)至外部正極儲(chǔ)液罐，在外部泵的驅(qū)動(dòng)下循環(huán)工作。與此同時(shí)，負(fù)極電解液從負(fù)極進(jìn)液主管道分配至各級(jí)負(fù)極進(jìn)液口 7，由負(fù)極進(jìn)液口 7進(jìn)入流道5，再通過流道5進(jìn)入負(fù)極電極11內(nèi)部，在負(fù)極電極11內(nèi)部進(jìn)行電極反應(yīng)后，再通過流道5經(jīng)負(fù)極出液口 8流出至負(fù)極出液主管道，經(jīng)管路流動(dòng)至外部負(fù)極儲(chǔ)液罐，在外部泵的驅(qū)動(dòng)下循環(huán)工作
[0030]比較圖3和圖4，本實(shí)用新型的一個(gè)雙極板結(jié)構(gòu)省去了兩個(gè)液流框結(jié)構(gòu)和兩個(gè)環(huán)狀密封元件，本實(shí)用新型的一個(gè)單極板結(jié)構(gòu)省去了一個(gè)液流框結(jié)構(gòu)和一個(gè)環(huán)狀密封元件，可以簡化裝配工藝，減少電解液外漏，提高電池運(yùn)行的穩(wěn)定性；由于省去了密封元件，可以降低電極厚度，減少電池歐姆內(nèi)阻，從而提高全釩液流電池的綜合性能，采用該設(shè)計(jì)使全釩液流電池的能量效率達(dá)到80%-85%。
【權(quán)利要求】
1.一種液流電池用極板結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述極板為雙極板或單極板， 所述雙極板為兩側(cè)中部均設(shè)有凹槽的平板狀結(jié)構(gòu)，于平板的四周邊緣設(shè)有四個(gè)通孔，四個(gè)通孔二個(gè)為一組，每一組中的二個(gè)通孔相對(duì)設(shè)置，二組分別為正極進(jìn)液口和正極出液口、負(fù)極進(jìn)液口和負(fù)極出液口 ；于平板每一側(cè)的凹槽相對(duì)邊緣處分別刻有與凹槽相連通的液體分布流道結(jié)構(gòu)，平板一側(cè)相對(duì)邊緣處的流道分別各自與正極進(jìn)液口和正極出液口相連通、平板另一側(cè)相對(duì)邊緣處的流道分別各自與負(fù)極進(jìn)液口和負(fù)極出液口相連通； 或，所述單極板為一側(cè)中部設(shè)有凹槽的平板狀結(jié)構(gòu)，于平板的四周邊緣設(shè)有四個(gè)通孔，四個(gè)通孔二個(gè)為一組，每一組中的二個(gè)通孔相對(duì)設(shè)置，二組分別為正極進(jìn)液口和正極出液口、負(fù)極進(jìn)液口和負(fù)極出液口；于平板一側(cè)的凹槽相對(duì)邊緣處分別刻有與凹槽相連通的液體分布流道結(jié)構(gòu)，相對(duì)邊緣處的一側(cè)流道與正極進(jìn)液口或負(fù)極進(jìn)液口相連通、另一側(cè)流道與正極出液口或負(fù)極出液口相連通。
2.按照權(quán)利要求1所述的液流電池用極板結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述雙極板二側(cè)的凹槽對(duì)稱設(shè)置；所述雙極板兩側(cè)流道呈對(duì)稱結(jié)構(gòu)。
3.按照權(quán)利要求1所述的液流電池用極板結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述雙極板或單極板厚度5-15mm,凹槽深度為0.5mm-7mm ;凹槽外周與雙極板或單極板最外周寬度為2mm-20mm。
4.一種全釩液流電池，包括單極板、雙極板、正極電極、離子傳導(dǎo)隔膜、負(fù)極電極，其特征在于: 所述雙極板為權(quán)利要求1所述的極板結(jié)構(gòu)，所述單極板為權(quán)利要求1所述的極板結(jié)構(gòu)。
5.按照權(quán)利要求4所述液流電池，其特征在于: 所述液流電池依次由單極板、正極電極、離子傳導(dǎo)隔膜、負(fù)極電極、雙極板、正極電極、離子傳導(dǎo)隔膜、負(fù)極電極、雙極板、……、正極電極、離子傳導(dǎo)隔膜、負(fù)極電極、單極板順序疊合而成。
6.按照權(quán)利要求4或5所述液流電池，其特征在于:所述液流電池的單極板或雙極板與正極電極或負(fù)極電極之間無液流框； 于所述單極板和雙極板與離子傳導(dǎo)隔膜之間設(shè)有環(huán)狀密封元件。
7.按照權(quán)利要求4或5所述液流電池，其特征在于:所述正極電極或負(fù)極電極分別嵌設(shè)于其所貼接的單極板或雙極板的凹槽內(nèi)。
8.按照權(quán)利要求7所述液流電池，其特征在于:所述單極板和雙極板上的凹槽于單極板或雙極板所在平面上的投影相重合，且形狀、尺寸大小相同；所述正、負(fù)電極厚度與凹槽深度比值1:1-5:1。
9.按照權(quán)利要求8所述液流電池，其特征在于: 所述單極板和雙極板上的正極進(jìn)液口相互連通形成正極進(jìn)液主管道，所述單極板和雙極板上的正極出液口相互連通形成正極出液主管道，所述單極板和雙極板上的負(fù)極進(jìn)液口相互連通形成負(fù)極進(jìn)液主管道，所述單極板和雙極板上的負(fù)極出液口相互連通形成負(fù)極出液主管道；正極進(jìn)液主管道和正極出液主管道通過管路經(jīng)泵與外部正極儲(chǔ)液罐相連，形成正極回路；負(fù)極進(jìn)液主管道和負(fù)極出液主管道通過管路經(jīng)泵與外部負(fù)極儲(chǔ)液罐相連，形成負(fù)極回路。
10.按照權(quán)利要求4所述全釩液流電池，其特征在于:雙極板或單極板材料為碳塑復(fù)合材料板或石墨板；所述正、負(fù)電極材料為碳租或石墨租。
【文檔編號(hào)】H01M4/96GK203659985SQ201320607873
【公開日】2014年6月18日 申請日期:2013年9月29日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月29日
【發(fā)明者】張華民, 鄭瓊, 邢楓 申請人:中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所